يساعد الفيزيائي في تأكيد الاختراق الكبير في الأداء النجمي لطاقة الاندماج

لعبت Stellarators ، وهي أجهزة مغناطيسية متعرجة تهدف إلى تسخير طاقة الاندماج على الأرض التي تغذي الشمس والنجوم ، دور الكمان الثاني في التركيبات الأكثر استخدامًا على شكل كعكة الدونات والمعروفة باسم tokamaks. كان من الصعب تصميم المغناطيسات النجمية المعقدة الملتوية وسمح سابقًا بتسرب أكبر للحرارة العالية جدًا لتفاعلات الاندماج.

اليوم ، أظهر العلماء في معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما (IPP) ، بالاشتراك مع باحثين من بينهم مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) في وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ، أن Wendelstein 7 -X (W7) -X) الجهاز من جرايفسفالد ، ألمانيا ، أكبر وأحدث جهاز نجمي في العالم ، قادر على حصر يسخن والتي تصل إلى ضعف درجات حرارة نواة الشمس.

مؤشر رئيسي

أداة تشخيصية تسمى XICS ، تم تصميمها وبناؤها وتشغيلها بشكل أساسي بواسطة الفيزيائي PPPL Novimir Pablant بالتعاون مع عالم الفيزياء IPP Andreas Langenberg ، وهي مؤشر رئيسي على الانخفاض الحاد في نوع من فقدان الحرارة يسمى “ الكلاسيكية الجديدة المواصلات“التي كانت تاريخياً أكثر بروزاً في النجوم الكلاسيكية منها في التوكاماك. إن الاصطدامات المتكررة التي تسبب النقل المزعج هي تصادمات متكررة تتسبب في خروج الجسيمات الساخنة من مداراتها أثناء دورانها حول خطوط المجال المغناطيسي التي تحصرها. تساهم الجسيمات في النقل.

تقرير حديث عن نتائج W7-X في الطبيعة تؤكد المجلة نجاح جهود المصممين لتشكيل مغناطيس النجوم الملتوية بدقة لتقليل النقل الكلاسيكي الجديد. كان المؤلف الأول للمقال الفيزيائي كريج بيدلر من قسم النظرية في PPI. قال بابلانت ، مؤلف مشارك مع لانجينبيرج للمقال: “إنها حقًا أخبار مثيرة للاندماج أن هذا التصميم كان ناجحًا”. “إنه يظهر بوضوح أن هذا النوع من التحسين يمكن القيام به.”

ديفيد جيتس ، رئيس قسم المشاريع المتقدمة في PPPL الذي يشرف على عمل المختبر على النجوم ، كان أيضًا متحمسًا للغاية. قال جيتس: “لقد كان من المثير للغاية بالنسبة لنا في PPPL وجميع المؤسسات الأمريكية المتعاونة الأخرى أن نكون جزءًا من هذه التجربة المثيرة حقًا”. “كان عمل نوفي في صميم جهود هذا الفريق التجريبي الرائع. أنا ممتن جدًا لزملائنا الألمان للسماح لهم بمشاركتنا.”

قوة خالية من الكربون

يسعى علماء الاندماج إلى إنتاج عناصر ضوئية في شكل بلازما – الحالة الساخنة المشحونة للمادة المكونة من إلكترونات حرة ونوى ذرية ، أو أيونات ، والتي تشكل 99٪ من الكون المرئي – لتوليد كميات هائلة من الطاقة . . إن إنتاج اندماج متحكم فيه على الأرض من شأنه أن يخلق إمدادًا لا ينضب تقريبًا لمصدر طاقة آمن ونظيف وخالٍ من الكربون لتوليد الكهرباء للبشرية والمساعدة بشكل كبير في الانتقال من الوقود الأحفوري.

Stellarators ، التي تم بناؤها لأول مرة في الخمسينيات من القرن الماضي تحت إشراف مؤسس PPPL Lyman Spitzer ، يمكن أن تعمل في حالة مستقرة مع القليل من مخاطر اضطرابات البلازما التي تواجهها tokamaks. ومع ذلك ، فإن تعقيدها وتاريخ حبسها الحراري الضعيف نسبيًا أعاقتها. كان أحد الأهداف الرئيسية للتصميم المُحسَّن لـ W7-X ، الذي أنتج أول بلازما له في عام 2015 ، هو إثبات ملاءمة جهاز ممتاز مُحسَّن كمحطة اندماج محتملة للطاقة.

تظهر النتائج التي تم الحصول عليها بواسطة XICS درجات حرارة أيون ساخنة لم يكن من الممكن تحقيقها بدون انخفاض كبير في النقل الكلاسيكي الجديد. تم إجراء هذه القياسات أيضًا بواسطة تشخيص CXRS الذي تم إنشاؤه وتشغيله بواسطة IPP ، والذي تم اعتباره أكثر دقة إلى حد ما ولكن لا يمكن إجراؤه في جميع الظروف. ملامح درجة الحرارة النهائية في الطبيعة تم أخذ التقرير من CXRS ودعمه بالقياسات باستخدام XICS في بلازما مماثلة.

قيمة للغاية

“بدون XICS ، ربما لم نكن لنكتشف هذا [good confinement] قال روبرت وولف ، رئيس قسم التدفئة والعمليات في W7-X والمؤلف المشارك للمقال: “كنا بحاجة إلى قياس درجة حرارة أيون متاح بسهولة وكان ذا قيمة كبيرة للغاية. “

أجرى الباحثون تجربة فكرية للتحقق من دور التحسين في نتائج الاحتواء. كشفت التجربة أنه في جهاز نجمي غير محسن ، كان من الممكن أن يجعل النقل الكلاسيكي الجديد الكبير درجات الحرارة المرتفعة المسجلة على W7-X مستحيلة بالنسبة لإخراج الحرارة المحدد. قال بابلانت: “أظهر هذا أن الشكل الأمثل لـ W7-X قلل من النقل الكلاسيكي الجديد وكان ضروريًا للأداء الذي شوهد في تجارب W7-X”. “لقد كانت طريقة لإظهار مدى أهمية التحسين.”

وأضاف أن النتائج تمثل خطوة نحو جعل من الممكن للمشتركين على أساس تصميم W7-X أن يقودوا إلى مفاعل اندماج عملي. “لكن الحد من النقل الكلاسيكي الجديد ليس الشيء الوحيد الذي عليك القيام به. هناك مجموعة كاملة من الأهداف الأخرى التي يجب إظهارها ، بما في ذلك الاستقرار وتقليل النقل المضطرب.” ينتج النقل المضطرب تموجات ودوامات تمر عبر البلازما كمصدر رئيسي ثانٍ لفقدان الحرارة.

سيتم إعادة فتح W7-X في عام 2022 بعد ترقية مدتها ثلاث سنوات لتركيب نظام تبريد بالمياه من شأنه تمديد تجارب الاندماج ومحول محسّن من شأنه تبديد الحرارة عالية الأداء. ستمكّن الترقيات المرحلة التالية من التحقيق من قبل الباحثين في W7-X في قيمة النجوم المحسّنة لتصبح نماذج لمحطات الطاقة.