يشير الاكتشاف المحوري إلى قفزة هائلة إلى الأمام في تقدم مفاعلات الطاقة الاندماجية

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) كشفت عن نهج واعد للتخفيف من ضرر الإلكترونات الهاربة الناتجة عن الاضطرابات في أجهزة الاندماج توكاماك. كان مفتاح هذا النهج هو تسخير نوع فريد من نوعه بلازما موجة تحمل اسم عالم الفيزياء الفلكية هانز ألففين، الحائز على جائزة نوبل عام 1970.

من المعروف منذ فترة طويلة أن موجات ألففين تعمل على تخفيف احتجاز الجسيمات عالية الطاقة في مفاعلات توكاماك، مما يسمح لبعضها بالهروب وتقليل كفاءة الأجهزة على شكل كعكة الدونات. ومع ذلك، كشفت النتائج الجديدة التي توصل إليها تشانغ ليو والباحثون في جنرال أتوميكس وجامعة كولومبيا وPPPL عن نتائج مفيدة في حالة الإلكترونات الهاربة.

عملية دائرية رائعة

ووجد العلماء أن مثل هذا الارتخاء يمكن أن يؤدي إلى تشتيت أو تشتيت الإلكترونات عالية الطاقة قبل أن تتحول إلى انهيارات ثلجية تلحق الضرر بمكونات توكاماك. تم تحديد هذه العملية لتكون دائرية بشكل ملحوظ: فالهاربون يخلقون حالات عدم استقرار تؤدي إلى ظهور موجات ألففين التي تمنع الانهيار الجليدي من التشكل.

وقال ليو، وهو باحث في PPPL والمؤلف الرئيسي لورقة بحثية تشرح النتائج بالتفصيل: “توفر هذه الاكتشافات تفسيراً شاملاً للمراقبة المباشرة لموجات ألففين في تجارب التعطيل”. رسائل المراجعة البدنية. “تثبت النتائج وجود صلة واضحة بين هذه الأنماط وتوليد الإلكترونات الهاربة.”

تشانغ ليو. ائتمان: إيل ستاركمان

استنتج الباحثون نظرية للدائرة الملحوظة لهذه التفاعلات. تتوافق النتائج بشكل جيد مع الهاربين في التجارب التي أجريت على مرفق الاندماج الوطني DIII-D، وهو توكاماك تابع لوزارة الطاقة تديره شركة General Atomics لصالح مكتب العلوم. أثبتت اختبارات النظرية أيضًا أنها إيجابية على الكمبيوتر العملاق Summit الموجود في مختبر أوك ريدج الوطني.

قال فيليكس بارا دياز، رئيس قسم النظريات في PPPL: “يُظهر عمل تشانغ ليو أنه يمكن التحكم في حجم مجموعة الإلكترونات الهاربة من خلال حالات عدم الاستقرار التي تحركها الإلكترونات الهاربة نفسها”. “إن بحثه مثير للغاية لأنه قد يؤدي إلى تصميمات توكاماك التي تخفف بشكل طبيعي من تلف الإلكترون الجامح من خلال عدم الاستقرار المتأصل.”

الإخماد الحراري

تبدأ الاضطرابات بانخفاض حاد في درجات الحرارة البالغة مليون درجة المطلوبة لتفاعلات الاندماج. تطلق هذه القطرات، التي تسمى “الإخماد الحراري”، سيولًا ثلجية من الانهيارات الأرضية المشابهة للانهيارات الأرضية الناتجة عن الزلازل. وقال ليو: “إن السيطرة على الاضطرابات تمثل تحديًا كبيرًا لنجاح توكاماك”.

تجمع تفاعلات الاندماج العناصر الضوئية على شكل بلازما – وهي 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 والإلكترونات الهاربة من شأنه أن يوفر فائدة فريدة لمرافق توكاماك المصممة لإعادة إنتاج العملية.

وبالتالي فإن التخفيف من مخاطر الاضطرابات والإلكترونات الهاربة من شأنه أن يوفر فائدة فريدة لمرافق توكاماك المصممة لإعادة إنتاج العملية.

يمكن أن تكون طاقة الاندماج النووي مصدرًا محوريًا للطاقة المستدامة لتكملة مصادر الطاقة المتجددة. يجري الآن بناء أكبر تجربة اندماج في العالم، ITER، في فرنسا. الائتمان: منظمة ITER

يمكن أن يكون للنهج الجديد آثار على تقدم مشروع ITER، وهو توكاماك الدولي قيد الإنشاء في فرنسا لإثبات التطبيق العملي لطاقة الاندماج ويمكن أن يمثل خطوة رئيسية في تطوير محطات توليد الطاقة الاندماجية.

وقال ليو: “إن النتائج التي توصلنا إليها مهدت الطريق لإنشاء استراتيجيات جديدة للتخفيف من الإلكترونات الهاربة”. الآن في مرحلة التخطيط هناك حملات تجريبية تهدف فيها مراكز الأبحاث الثلاثة إلى مواصلة تطوير النتائج المذهلة.