يعمل العلماء على تقريب طاقة الاندماج التي تضيء الشمس والنجوم أكثر من الواقع على الأرض

اقترح الفيزيائيون في مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) مصدر الانهيار المفاجئ والمحير للحرارة الذي يسبق الاضطرابات التي يمكن أن تلحق الضرر بمرافق اندماج توكاماك. يمكن أن تتغلب مواجهة المصدر على أحد أهم التحديات التي تواجه منشآت الاندماج المستقبلية وتقريب إنتاج الأرض لطاقة الاندماج التي تدفع الشمس والنجوم إلى الواقع.

تتبع الباحثون انهيار الفوضى ثلاثية الأبعاد للمجالات المغناطيسية القوية التي تغمر الشحنات الساخنة غاز البلازما الذي يغذي ردود الفعل. “لقد اقترحنا طريقة جديدة لفهم [disordered] قال Min-Gu Yoo ، باحث ما بعد الدكتوراه في PPPL والمؤلف الرئيسي لـ فيزياء البلازما تم اختيار المقالة كاختيار المحرر مع وضع رقم على غلاف عدد يوليو. أصبح يو منذ ذلك الحين عالمًا في فريق العمل في General Atomics في سان دييغو.

ال المجالات المغناطيسية القوية استبدال الجاذبية الهائلة في منشآت الاندماج والتي تحافظ على تفاعلات الاندماج في مكانها في الأجرام السماوية. ولكن عندما يكون هناك فوضى بلازما عدم الاستقرار في التجارب المعملية تسمح الخطوط الميدانية للحرارة من البلازما شديدة الحرارة للهروب بسرعة من الحبس. تسحق هذه الحرارة البالغة مليون درجة جزيئات البلازما معًا لتحرير طاقة الاندماج ويمكن أن تصطدم بجدران منشأة الاندماج وتتلفها عند إطلاقها من الاحتواء.

“في حالة حدوث اضطراب كبير ، تصبح الخطوط الأرضية كاملة [disordered] قال عالم الفيزياء البحثي الرئيسي Weixing Wang ، مستشار PPPL لـ Yoo والمؤلف المشارك للورقة البحثية: إنه يجلب بلازما ضخمة طاقة حرارية ضد الحائط.”

يجمع الاندماج بين العناصر الخفيفة في شكل بلازما ، وهي حالة المادة الساخنة المشحونة المكونة منها الإلكترونات الحرة والنواة الذرية التي تولد كميات هائلة من الطاقة. تحتوي البلازما على إلكترونات حرة ونوى ذرية ، أو أيونات ، وتشكل 99٪ من الكون المرئي. يسعى العلماء حول العالم للقبض والتحكم انصهار عملية على الأرض لإنشاء مصدر طاقة نظيف وخالٍ من الكربون ولا ينضب فعليًا لتوليد الكهرباء.

التلال والوديان

ما لم يكن معروفًا من قبل هو الشكل ثلاثي الأبعاد ، أو الطوبولوجيا ، لخطوط المجال المضطربة الناتجة عن عدم الاستقرار المضطرب. يوضح يو أن الطوبولوجيا تشكل تلالًا ووديانًا صغيرة ، مما يترك بعض الجسيمات محاصرة في الوديان وغير قادرة على الهروب من الحبس بينما يتدحرج البعض الآخر على التلال ويصطدم بجدران المنشأة.

وقال يو “إن وجود هذه التلال مسؤول عن الانهيار السريع في درجات الحرارة ، وهو ما يسمى بالتبريد الحراري ، لأنها تسمح لمزيد من الجسيمات بالهروب إلى جدار توكاماك”. “Ce que nous avons montré dans l’article, c’est comment dessiner une bonne carte pour comprendre la topologie des lignes de champ. Sans collines magnétiques, la plupart des électrons auraient été piégés et ne pourraient pas produire l’extinction thermique observée dans التجارب.”

قام علماء PPPL بمحاكاة طوبولوجيا الإخماد الحراري كهيكل ثلاثي الأبعاد معقد بدلاً من هيكل بسيط 1D كما تم توضيحه. وبذلك ، تجنب الباحثون التبسيط الشائع الذي قد يؤدي إلى تضليل الفيزياء.

قال يو إن ما جعل الطوبولوجيا صعبة الفهم هو التفاعل المعقد بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية داخل المنشأة. قام باحثو PPPL بفك تشفير التفاعل باستخدام كود المختبر GTS ، الذي يحاكي تأثير عدم الاستقرار المضطرب على حركة الجسيمات. كشف الكود أن ملف الحقل الكهربائي المنتج في المنشآت يعمل على إخراج الجسيمات بين خطوط المجال المغناطيسي العشوائية التي تشبه السباغيتي ومن ثم تسهل حركة الجسيمات المحاصرة على طول خطوط المجال مما يؤدي إلى التبريد الحراري.

يقدم هذا البحث رؤى فيزيائية جديدة حول كيفية فقدان البلازما لطاقتها على الجدار عند فتحها. حقل مغناطيسي قال يو “الفهم الجديد سيكون مفيدًا في إيجاد طرق مبتكرة لتخفيف أو تجنب التبريد الحراري واضطرابات البلازما في المستقبل.”