محققان آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL) که زیرمجموعه وزارت انرژی ایالات متحده است، با منفعت گیری از همانند‌سازی‌های کامپیوتری در تلاش می باشند تا کارکرد دستگاه‌های همجوشی هسته‌ای موسوم به استلراتور را بهبود بخشند.

به گزارش ساینس دیلی، در این دستگاه‌های حلقوی‌شکل، پلاسمایی با دمایی چندین برابر سطح خورشید به‌طور کنترل‌شده به حرکت درمی‌آید و شرایط ملزوم برای فرایند همجوشی هسته‌ای، شبیه آنچه در خورشید و ستارگان رخ می‌دهد، بازسازی می‌شود.

دانشمندان تحت حمایتدفتر علوم وزارت انرژی آمریکا در حال مطالعه همجوشی هسته‌ای با مقصد گسترش این فناوری به‌گفتن یک منبع انرژی تجاری پایدار می باشند. استلراتورها، به علت پایداری در نگه‌داشتن پلاسمای داغ، به‌گفتن یکی از گزینه‌های امیدوارکننده در این مسیر شناخته خواهد شد.

همجوشی هسته‌ای به‌گفتن یک منبع انرژی پاک و تقریباً نامحدود نقل است که برخلاف سوخت‌های فسیلی، گاز‌های گلخانه‌ای تشکیل نمی‌کند و پسماند رادیواکتیو ماندگاری نیز ندارد. در این فرایند، هسته‌های اتمی سبک همانند هیدروژن تا حدی گرم خواهد شد که به حالت پلاسما، یعنی گاز بسیار داغ و باردار، تبدیل شوند. از آنجا که ستارگان از پلاسما ساخته شده‌اند، این ماده نزدیک به ۹۹ درصد از جهان مرئی را راه اندازی می‌دهد.

چالش کنترل پلاسما

با اهمیت ترین مانع در مسیر تشکیل انرژی همجوشی، مهار و کنترل پلاسما است. برای دستیابی به یک عکس العمل همجوشی پایدار که انرژی بیشتری نسبت به مقدار مصرفی تشکیل کند، دانشمندان باید دستگاه‌هایی بسازند که توانایی نگه‌داشتن و مدیریت این گاز بسیار داغ را داشته باشند.

قیاس دو فناوری پیشرو: توکامک و استلراتور

برای مهار پلاسما، دو روش رایج وجود دارد: confinement مغناطیسی و confinement اینرسی. در این بین، دو طراحی شناخته‌شده‌تر برای confinement مغناطیسی، توکامک و استلراتور می باشند که از میدان‌های مغناطیسی قوی برای محصور کردن پلاسما در ساختاری دونات‌همانند منفعت گیری می‌کنند.

تفاوت مهم این دو در نحوه تشکیل میدان مغناطیسی است. توکامک‌ها دارای سه مجموعه مهم از سیم‌پیچ‌های مغناطیسی می باشند که یکی از آنها جریان الکتریکی را در مرکز پلاسما تشکیل می‌کند. این جریان، یک میدان مغناطیسی تحکیم‌کننده تشکیل کرده و علتبهبود confinement پلاسما می‌شود. در روبه رو، استلراتور‌ها از مجموعه‌ای پیچیده از سیم‌پیچ‌های مغناطیسی خارجی منفعت گیری می‌کنند که بدون نیاز به جریان مرکزی، میدان‌های مغناطیسی پیچیده‌ای تشکیل می‌کنند.

استلراتور‌ها مزایای مهمی نسبت به توکامک‌ها دارند؛ از جمله مصرف انرژی کمتر، انعطاف‌پذیری زیاد تر در طراحی و گمان پایین‌تر ابراز اختلالات پلاسما که می‌تواند به دیواره‌های دستگاه صدمه بزند. اما چالش مهم این فناوری، عدم توانایی کافی در نگه‌داشتن حرارت پلاسما است.

استلراتور‌ها به‌اختصاصی در مهار ذرات پرانرژی که برای تداوم عکس العمل همجوشی حیاتی می باشند، ضعف دارند. این چنین، خروج این ذرات می‌تواند به دیواره‌های دستگاه صدمه بزند. این در حالی است که تقارن محوری توکامک‌ها علتconfinement بهتر این ذرات می‌شود.

پیشرفت تازه در بهبود confinement پلاسما

اخیراً پژوهشگران PPPL به همراه دانشمندانی از دانشگاه آبرن، مؤسسه فیزیک پلاسمای ماکس پلانک آلمان و دانشگاه ویسکانسین-مدیسن، روشی تازه برای از بین بردن این مشکل اراعه کرده‌اند. آنها دریافتند که برخی پیکربندی‌های خاص میدان مغناطیسی می‌توانند حرکت ذرات را به طوری تحول دهند که به confinement پلاسما پشتیبانی کند.

محاسبه دقیق حرکت هر ذره در میدان مغناطیسی نیازمند توان پردازشی زیاد بالایی است و عملاً مقدور نیست. اما این تیم پژوهشی، به‌جای محاسبه مستقیم، یک تابع تقریبی طراحی کرد که شدت فرار ذرات از میدان مغناطیسی را تخمین می‌زند. این تابع رابطه مستقیمی با مقدار کارایی confinement دارد و محققان توانستند از آن برای طراحی پیکربندی‌های تازه پلاسما که مقدار از دست رفتن ذرات پرانرژی را افت خواهند داد، منفعت گیری کنند.

اگرچه راه حلهای شبیهی پیش‌تر نیز به‌کار رفته می بود، اما این اولین‌بار است که این چنین رویکردی برای استلراتور‌های خاصی مورد منفعت گیری قرار می‌گیرد. این پروژه از کد‌های گسترش‌یافته در آزمایشگاه ملی اوک ریج و PPPL منفعت گرفته است.

هرچند این مدل‌ها تا این مدت به‌گفتن طراحی‌های نهایی برای یک دستگاه خاص نقل نیستند، اما مسیر تحقیقاتی روشنی را برای آینده استلراتور‌ها ترسیم می‌کنند.

ادامه این پژوهش‌ها می‌تواند عرصه را برای منفعت گیری تجاری از استلراتور‌ها به‌گفتن یک گزینه عملی برای تشکیل انرژی همجوشی هموار کند.

انتهای مطلب/