مکانیسم جدید فرار پلاسما می تواند رگ های همجوشی را از گرمای بیش از حد محافظت کند

Choongseok Chang، فیزیکدان اصلی پژوهشی PPPL، که رهبری تیم محققین این کشف را بر عهده داشت، گفت: «این کشف اساساً نحوه تفکر ما را در مورد نحوه حرکت گرما و ذرات بین دو منطقه بسیار مهم در لبه پلاسما در طول همجوشی تغییر می دهد. مقاله جدیدی که جزئیات کار آنها را شرح می دهد اخیراً در مجله Nuclear Fusion به دنبال انتشارات قبلی در این زمینه منتشر شد.

برای دستیابی به همجوشی، دمای داخل یک توکامک – دستگاه دوناتی شکلی که پلاسما را نگه می دارد – باید بیش از 150 میلیون درجه سانتیگراد افزایش یابد. این 10 برابر گرمتر از مرکز خورشید است. داشتن چیزی که داغ است چالش برانگیز است، حتی اگر پلاسما تا حد زیادی با استفاده از میدان های مغناطیسی از سطوح داخلی دور نگه داشته شود. این میدان ها بیشتر پلاسما را در یک ناحیه مرکزی به نام هسته محصور نگه می دارند و یک حلقه دونات شکل را تشکیل می دهند. با این حال، برخی از ذرات و گرما از پلاسمای محدود خارج می شوند و به مواد رو به پلاسما برخورد می کنند. یافته های جدید محققان PPPL نشان می دهد که ذراتی که از پلاسمای هسته درون یک توکامک فرار می کنند با ناحیه بزرگ تری از توکامک نسبت به آنچه تصور می شد برخورد می کنند و خطر آسیب را تا حد زیادی کاهش می دهند.

تحقیقات گذشته بر اساس فیزیک و داده‌های تجربی از توکاماک‌های امروزی نشان می‌دهد که گرمای اگزوز بر روی نوار بسیار باریکی در امتداد بخشی از دیواره توکامک به نام صفحات انحرافی متمرکز می‌شود. دیورتور که به حذف گرمای اگزوز و ذرات از پلاسمای در حال سوختن اختصاص دارد، برای عملکرد توکامک بسیار مهم است.

چانگ که در دپارتمان تئوری PPPL کار می‌کند، می‌گوید: «اگر تمام این گرما به این ناحیه باریک برخورد کند، این قسمت از صفحه دیورتور خیلی سریع آسیب می‌بیند. “این می تواند به معنای توقف های مکرر باشد. حتی اگر فقط این قسمت از دستگاه را تعویض کنید، سریع انجام نمی شود.”

این مشکل عملکرد توکامک های موجود را که به اندازه آنهایی که برای یک راکتور همجوشی در مقیاس تجاری مورد نیاز هستند، قدرتمند نیستند، متوقف نکرده است. با این حال، در چند دهه اخیر، نگرانی قابل توجهی وجود داشته است که یک دستگاه در مقیاس تجاری پلاسما را به قدری متراکم و داغ ایجاد کند که صفحات دیورتور ممکن است آسیب ببینند. یکی از طرح‌های پیشنهادی شامل اضافه کردن ناخالصی‌ها به لبه پلاسما برای تابش انرژی پلاسمای فراری و کاهش شدت گرمای برخورد با مواد دایورتور بود، اما چانگ گفت این طرح همچنان چالش‌برانگیز است.

چانگ تصمیم گرفت چگونگی فرار ذرات و محل فرود ذرات بر روی دستگاهی مانند ITER، تاسیسات چندملیتی همجوشی در حال مونتاژ در فرانسه را مطالعه کند. برای انجام این کار، گروه او یک شبیه سازی پلاسما با استفاده از یک کد کامپیوتری به نام X-Point Included Gyrokinetic Code (XGC) ایجاد کردند. این کد یکی از چندین کد توسعه یافته و نگهداری شده توسط PPPL است که برای تحقیقات پلاسمای همجوشی استفاده می شود.

این شبیه‌سازی نشان داد که چگونه ذرات پلاسما در سطح میدان مغناطیسی حرکت می‌کنند، که در نظر گرفته شده بود تا مرز جداکننده پلاسمای محدود از پلاسمای نامحدود، از جمله پلاسما در ناحیه دیورتور باشد. این سطح میدان مغناطیسی – که توسط آهنرباهای خارجی ایجاد می شود – آخرین سطح محصور نامیده می شود. چند دهه پیش، چانگ و همکارانش دریافتند که ذرات باردار موسوم به یون ها از این سد عبور کرده و به صفحات دایورتور برخورد می کنند. آنها بعداً دریافتند که این یون‌های فراری باعث می‌شوند که بار گرمایی روی ناحیه بسیار باریکی از صفحات دیورتور متمرکز شود.

چند سال پیش، چانگ و همکارانش دریافتند که تلاطم پلاسما می تواند به ذرات با بار منفی به نام الکترون اجازه دهد تا از آخرین سطح محصور عبور کرده و بار حرارتی را تا 10 برابر بر روی صفحات دیورتور در ITER افزایش دهد. با این حال، شبیه‌سازی همچنان فرض می‌کرد که آخرین سطح محصور شده توسط تلاطم پلاسما مختل نشده است.

چانگ گفت: «در مقاله جدید، ما نشان می‌دهیم که آخرین سطح محصور به شدت توسط تلاطم پلاسما در طول همجوشی مختل می‌شود، حتی زمانی که هیچ اختلالی ناشی از سیم‌پیچ‌های خارجی یا ناپایداری‌های ناگهانی پلاسما وجود نداشته باشد. به دلیل اختلال مغناطیسی دیوانه‌وار و متلاطم سطحی به نام درهم تنیدگی‌های هموکلینیک، یک سطح آخر حبس خوب وجود ندارد.

در واقع چانگ گفت: شبیه سازی نشان داد که الکترون ها لبه پلاسمای اصلی را به پلاسمای انحرافی متصل می کنند. مسیر الکترون‌ها در حالی که مسیر این درهم‌تنیدگی‌های هموکلینیک را دنبال می‌کنند، منطقه برخورد گرما را 30 درصد بیشتر از تخمین عرض قبلی بر اساس اغتشاش تنها افزایش می‌دهد. “این بدان معناست که حتی کمتر احتمال دارد که سطح دیورتور توسط گرمای خروجی اگزوز در هنگام ترکیب با خنک کننده تابشی الکترون ها توسط تزریق ناخالصی در پلاسمای دیورتور آسیب ببیند. تحقیقات همچنین نشان می دهد که درهم تنیدگی های هموکلینیک آشفته می تواند احتمال ابتلا به این بیماری را کاهش دهد. ناپایداری های ناگهانی در لبه پلاسما، زیرا آنها نیروی محرکه آنها را ضعیف می کنند.”

چانگ گفت: «نباید به آخرین سطح حبس در توکامک اعتماد کرد. اما از قضا، ممکن است عملکرد همجوشی را با کاهش احتمال آسیب سطح دیورتور در عملکرد حالت پایدار و حذف انفجار گذرا انرژی پلاسما به سطح انحراف از ناپایداری‌های ناگهانی لبه پلاسما، که دو مورد از مهمترین نگرانی‌های محدودکننده عملکرد هستند، افزایش دهد. در راکتورهای تجاری توکامک آینده.”