قدم فريق من الباحثين طريقة لتخفيف الأضرار الناجمة عن الإلكترونات الهاربة في أجهزة الاندماج توكاماك. تستغل الإستراتيجية موجات ألففين لتعطيل الدورة الضارة للإلكترونات الهاربة. يبشر هذا الاكتشاف بتقدم طاقة الاندماج، مع آثار محتملة على مشروع ITER الجاري في فرنسا.
استخدم الباحثون موجات ألففين لتخفيف الإلكترونات الهاربة في أجهزة الاندماج توكاماك، مما يوفر آثارًا كبيرة على مشاريع طاقة الاندماج المستقبلية، بما في ذلك ITER في فرنسا.
العلماء بقيادة تشانغ ليو من مختبر فيزياء البلازما في برينستون (PPPL) كشف النقاب عن نهج واعد للتخفيف من الأضرار الناجمة عن الإلكترونات الهاربة الناتجة عن الاضطرابات في أجهزة الاندماج توكاماك. وكان المفتاح لهذا النهج هو استغلال نوع فريد من بلازما موجة تحمل اسم عالم الفيزياء الفلكية هانيس ألففين الحائز على جائزة نوبل عام 1970.
ومن المعروف منذ زمن طويل أن موجات ألففين تخفف من احتجاز الجسيمات عالية الطاقة في مفاعلات توكاماك، مما يسمح لبعضها بالهروب ويقلل من كفاءة الأجهزة على شكل كعكة الدونات. ومع ذلك، كشفت النتائج الجديدة التي توصل إليها تشانغ ليو وباحثون من جنرال أتوميكس وجامعة كولومبيا وPPPL عن نتائج مفيدة في حالة الإلكترونات الهاربة.
عملية دائرية رائعة
اكتشف العلماء أن مثل هذا الإطلاق يمكن أن ينشر أو تشتت الإلكترونات عالية الطاقة قبل أن تتحول إلى انهيارات ثلجية تلحق الضرر بمكونات التوكاماك. تم تحديد هذه العملية لتكون دائرية بشكل ملحوظ: فالهاربون يخلقون عدم استقرار يؤدي إلى ظهور موجات ألففين التي تمنع تشكل الانهيار الجليدي.
وقال ليو، وهو باحث في PPPL ومؤلف رئيسي لورقة تشرح بالتفصيل نتائج تجارب الاضطراب: “توفر هذه النتائج تفسيرا شاملا للمراقبة المباشرة لموجات ألففين في تجارب الاضطراب”. رسائل الفحص البدني. “تثبت النتائج وجود صلة واضحة بين هذه الأنماط وتوليد الإلكترونات الهاربة.”
تشانغ ليو. ائتمان: إيل ستاركمان
وقد وضع الباحثون نظرية حول الدائرية الرائعة لهذه التفاعلات. تتوافق النتائج بشكل جيد مع التجارب الجامحة التي تم إجراؤها في DIII-D National Fusion Facility، وهو توكاماك تابع لوزارة الطاقة تديره شركة General Atomics لصالح مكتب العلوم. كما جاءت اختبارات النظرية إيجابية على الكمبيوتر العملاق Summit الموجود في مختبر أوك ريدج الوطني.
وقال فيليكس بارا دياز، رئيس قسم النظرية في PPPL: “يُظهر عمل تشانغ ليو أنه يمكن التحكم في حجم مجموعة الإلكترونات الهاربة من خلال عدم الاستقرار الذي تسببه الإلكترونات الهاربة نفسها”. “إن بحثه مثير للغاية لأنه يمكن أن يؤدي إلى تصميمات توكاماك التي تخفف بشكل طبيعي الضرر الناجم عن الإلكترونات الهاربة من خلال عدم الاستقرار المتأصل.”
المزاج الحراري
تبدأ الاضطرابات بانخفاض حاد في درجات الحرارة البالغة مليون درجة المطلوبة لتفاعلات الاندماج. تطلق هذه القطرات، التي تسمى “الإخماد الحراري”، انهيارات ثلجية شبيهة بالانهيارات الأرضية الناجمة عن الزلازل. وقال ليو: “إن السيطرة على الاضطرابات تشكل تحديًا كبيرًا لنجاح توكاماك”.
تجمع تفاعلات الاندماج العناصر الخفيفة على شكل بلازما – الحالة الساخنة والمشحونة للمادة المكونة من إلكترونات حرة ونواة ذرية تسمى الأيونات – لإطلاق الطاقة الهائلة التي تزود الشمس والنجوم بالطاقة. وبالتالي فإن التخفيف من مخاطر الاضطرابات وتسرب الإلكترونات من شأنه أن يوفر ميزة فريدة لمنشآت توكاماك المصممة لتكرار العملية.
وبالتالي فإن التخفيف من مخاطر الاضطرابات وتسرب الإلكترونات من شأنه أن يوفر ميزة فريدة لمنشآت توكاماك المصممة لتكرار العملية.
يمكن أن تكون طاقة الاندماج النووي مصدرًا رئيسيًا للطاقة المستدامة لتكملة الطاقة المتجددة. أكبر تجربة اندماج في العالم، ITER، قيد الإنشاء في فرنسا. الائتمان: منظمة ITER
يمكن أن يكون للنهج الجديد آثار على تقدم مشروع ITER، وهو توكاماك الدولي الذي يتم بناؤه في فرنسا لإثبات التطبيق العملي لطاقة الاندماج ويمكن أن يمثل علامة فارقة رئيسية في تطوير محطات توليد الطاقة الاندماجية.
وقال ليو: “لقد مهدت نتائجنا الطريق لإنشاء استراتيجيات جديدة للتخفيف من الإلكترونات الهاربة”. ويجري حاليًا التخطيط للحملات التجريبية التي تهدف فيها مراكز الأبحاث الثلاثة إلى مواصلة تطوير النتائج المدهشة.
