6 دقیقه
توکاماک ابررسانای آزمایشی پیشرفته چین (EAST)، که به «خورشید مصنوعی» معروف شده است، مرز مهمی در پژوهش همجوشی هستهای را پشت سر گذاشته است. این دستگاه توانست فراتر از یک حد ثابت دانسیته پلاسما عمل کند که سالها مانع عملکرد بالاتر را ایجاد کرده بود. نتیجهای که تیم پژوهشی مؤسسه فیزیک پلاسما آکادمی علوم چین گزارش کرده و در مجله Science Advances منتشر شده است، راهکارهایی نو برای طراحی راکتورهای همجوشی با کارایی بالاتر پیشنهاد میدهد.
شکستن سقف دانسیته: چه چیزی تغییر کرد
در توکاماکها دانسیته پلاسما نقش کلیدی دارد: هرچه پلاسما چگالتر باشد، احتمال وقوع واکنشهای همجوشی افزایش مییابد. اما افزایش دانسیته اغلب باعث آشفتگیهایی میشود که پلاسما را به دیوارهٔ محفظه میکوبد و خفظ میدان مغناطیسی و محبوسسازی را پایان میدهد. این مرز تجربی معمولاً با «حد گرینوالد» (Greenwald limit) شناخته میشود، قاعدهای عملی که دههها آزمایشهای محبوسسازی مغناطیسی را محدود کرده است.
تیم EAST فرضیهٔ «صرفاً دانسیته تعیینکنندهٔ حد است» را به چالش کشید. آنها نشان دادند عامل دیگری نقش تعیینکنندهای دارد: ناخالصیها، بهویژه اتمهای فلزی که از پوشش داخلی راکتور کنده میشوند. تنگستن، فلزی سخت و پرکاربرد در قسمتهایی که با پلاسما تماس دارند، بهعنوان منبع عمدهٔ آلودگی شناسایی شد که رفتار لبهٔ پلاسما را تخریب کرده و به برهمکنشها و اختلالات بحرانی منجر میشود. این یافته نشان میدهد که مرز عملیاتی واقعی تنها تابعی از مقدار مطلق دانسیته نیست، بلکه به ترکیب شیمیایی و سطحی که لبهٔ پلاسما با آن تماس دارد نیز وابسته است.
چگونه EAST با ناخالصیها برخورد کرد و عملکرد را ارتقا داد
پژوهشگران مدل نظری جدیدی معرفی کردند که آن را «خودسازماندهی برهمکنش پلاسما-دیوار مرزی» یا PWSO نامیدند تا توضیح دهد چگونه لبهٔ پلاسما و مواد دیواره تحت شرایط مختلف با هم واکنش نشان میدهند و ساختارهای ثابتی تشکیل میدهند. PWSO مکانیسمهای انتقال ذرات، سایش مصالح، و تشکیل لایههای رسوبی را در تعامل با پلاسما شرح میدهد؛ مدلی که برای مدیریت ناخالصیها و بهینهسازی شرایط لبهٔ پلاسما طراحی شده است.
با راهنمایی مدل PWSO، تیم EAST توالی راهاندازی و گرمایش دستگاه را تغییر دادند: از گرمایش تشدید سیکلوترونی الکترون (ECRH) همراه با روش راهاندازی با گاز از پیش پرشده استفاده شد تا شکل و گرادیانهای لبهٔ پلاسما کنترل شود و ورود تنگستن به پلاسما به حداقل برسد. این یک استراتژی چندوجهی بود که شامل تنظیم زمانبندی پالسهای گرمایشی، فشار و نوع گاز پرکننده، و پارامترهای میدان مغناطیسی لبه برای کاهش سایش و تبخیر تنگستن بود.
با کنترل سطح ناخالصیها، EAST وارد حالتی شد که پژوهشگران آن را «منطقهٔ آزاد از محدودیت دانسیته» توصیف کردند — رژیمی که در آن پلاسما میتواند به دانسیتههای بالاتری برسد بدون آنکه آشفتگیهای مرتبط با حد سنتی فعال شود. دادههای تجربی با پیشبینیهای مدل PWSO تطابق نزدیکی داشتند که اعتبار ایدهٔ مؤثر بودن منابع دیوارهای ناخالصی — نه فقط مقدار مطلق دانسیته — در تعیین مرزهای عملیاتی را تقویت میکند. این نتایج نشان میدهد که مدیریت ناخالصی و طراحی سطح تماس پلاسما میتواند مرزهای عملکردی توکاماکهای ابررسانا را بهطور اساسی تغییر دهد.
چرا این پیشرفت برای توسعهٔ همجوشی اهمیت دارد
کنترل ناخالصیها یک اهرم عملی برای طراحی توکاماکهای آینده است. اگر مدیریت ناخالصی بتواند بهطور قابلاعتمادی دانسیتهٔ قابل استفاده را گسترش دهد، راکتورها میتوانند در واحد حجم واکنشهای همجوشی بیشتری تولید کنند که به بهبود بازده کلی و نزدیکتر شدن مدلهای فشرده و اقتصادی به واقعیت کمک میکند. هرچند همجوشی تجاری هنوز هدفی بلندمدت است، دستاوردهایی مانند کار روی EAST مسائل مهندسی پیوسته اما حیاتی را حل میکنند که برای افزایش توان عملیاتی و قابلیت اطمینان لازماند.
تیم EAST تأکید کرده که این نتایج راهنماییهای عملی برای دستگاههای نسل بعدی که مبتنی بر مغناطیسهای ابررسانا و کار پالس بلند هستند فراهم میکند. بهعبارت دیگر، لبههای پاکتر پلاسما میتواند به همان اندازهٔ میدانهای مغناطیسی قویتر در رقابت برای دستیابی به انرژی همجوشی خالص مثبت اهمیت داشته باشد. توجه به مواد پوششی، روشهای گرمایش، زمانبندی راهاندازی و کنترل فعال ناخالصیها میتواند طراحی راکتورهای نمایشی (DEMO) و پیادهسازی تجاری را سادهتر و قابلاعتمادتر سازد.
پژوهشگران همچنان مدل PWSO را پالایش میکنند و تکنیکهای کنترل ناخالصی را روی EAST و سکویهای دیگر آزمایش میکنند تا نتایج آزمایشگاهی را به اصول طراحی تبدیل کنند که در راکتورهای نمایشی و در نهایت در نیروگاههای تولید انرژی به کار رود. مطالعات بعدی شامل ارزیابیهای بلندمدت سایش مواد، تست مواد جدید پوششی، توسعهٔ روشهای فعال برای بیرون راندن ناخالصیها (مانند تزریق گاز هدفمند یا سیستمهای پالس مکش) و بررسی اثرات ترکیبی بین میدانهای مغناطیسیِ پیچیده و هندسهٔ دیواره خواهد بود.
در سطح فنیتر، نتایج EAST نشان میدهد که:
- برنامهریزی طراحی دیوارهٔ محفظه و انتخاب مواد (مانند کاهش یا جایگزینی تنگستن در نواحی بحرانی) میتواند تأثیر زیادی بر پایداری لبهٔ پلاسما داشته باشد.
- گرمایش تشدید سیکلوترونی الکترون و استراتژیهای راهاندازی با گاز میتواند ساختار حرارتی و چگالی لبه را به نفع کاهش تبخیر و سایش تغییر دهد.
- مدلهای خودسازماندهی مانند PWSO ابزاری قدرتمند برای پیشبینی فضای عملیاتی ایمن و بهینه هستند و میتوانند در طراحی کنترلهای فعال بهکار روند.
این بینشها برای توسعهٔ توکاماکهای ابررسانا که برای عملکردهای پالس بلند و تولید انرژی پیوسته طراحی شدهاند، حیاتی هستند. در این زمینه، همگرایی مهندسی مواد سطحی، فیزیک پلاسما و سیستمهای کنترلی موجب میشود تا راهحلهای جامعتری برای مسائل مقیاسپذیری و قابلیت اطمینان ارائه شود.
از منظر اقتصاد و استراتژی فناوری، گسترش محدودهٔ دانسیتهٔ عملیاتی به معنای افزایش بازده انرژی در هر واحد حجم و کاهش هزینهٔ سرمایهای بهازای هر مگاوات تولیدی است که یک مزیت رقابتی کلیدی برای همجوشی بهشمار میآید. همچنین، کاهش وابستگی به مواد حساس و مدیریت بهتر ناخالصیها میتواند زمانهای عملیاتی بالاتر و نگهداری کمتر را فراهم آورد که برای پروژههای بزرگ نمایشی و تجاری اهمیت دارد.
در پایان، یافتههای EAST یک گام تکنیکی و مفهومی مهم در جهت رسیدن به همجوشی پایدار و عملیاتی را نشان میدهند: اصلاح موضوعاتی که در نگاه اول جزئی به نظر میرسند — مانند منابع ناخالصی و رفتار سطحی دیواره — میتواند تاثیر عمیقی بر دستیابی به دانسیته و پایداری پلاسما داشته باشد. ادامهٔ تحقیقات و انتقال این نتایج به طراحی راکتورهای عملی میتواند مسیر حرکت به سوی تولید انرژی همجوشی را کوتاهتر و مقرونبهصرفهتر کند.
منبع: gizmochina
ارسال نظر