وجد فيزيائيو الاندماج طريقة للتغلب على حد الكثافة طويل الأمد ScienceAle

أظهرت التجارب التي أجريت داخل مفاعل اندماجي في الصين طريقة جديدة للتحايل على أحد الحدود القصوى لكثافة البلازما شديدة السخونة التي تدور في الداخل.

في تجربة التوكاماك فائقة التوصيل المتقدمة (شرق) ، نجح الفيزيائيون في تجاوز ما يعرف ب حد جرينوالد، وهو حد الكثافة العملي الذي تميل البلازما بعده إلى زعزعة الاستقرار بعنف، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى إتلاف مكونات المفاعل.

لفترة طويلة، تم قبول حد غرينوالد كأمر مسلم به ومدمج في هندسة مفاعلات الاندماج. يُظهر العمل الجديد أن التحكم الدقيق في كيفية إنشاء البلازما وتفاعلها مع جدران المفاعل يمكن أن يدفعها إلى ما هو أبعد من هذا الحد إلى ما يسميه الفيزيائيون نظام “خالي من الكثافة”.

متعلق ب: مفاعل الاندماج الكوري يسجل رقمًا قياسيًا جديدًا في الحفاظ على درجة حرارة البلازما عند 100 مليون درجة

تم تصميم مفاعلات الاندماج لتكرار المكثفة الاندماج النووي الذي يحدث في قلب الشمس، ويولد كميات هائلة من الطاقة. هناك عدد من العوائق المهمة التي يجب التغلب عليها، أحدها هو كثافة البلازما.

الأساس المنطقي هو أنه كلما زاد عدد الذرات التي تحزمها في البلازما، كلما زاد تفاعلها، وتحدث تفاعلات اندماج أكثر، وبالتالي زيادة إنتاج الطاقة. عند درجات حرارة البلازما شديدة السخونة داخل توكاماك – “مسارات السباق” الحلقية المبطنة بالمغناطيس والتي يتم من خلالها احتواء البلازما وتوجيهها – يتدرج إنتاج الطاقة بشكل عام مع كثافة البلازما.

هذا هو المكان الذي يحد فيه حد Greenwald من المتعة. إنه ليس قانونًا فيزيائيًا صارمًا في حد ذاته، ولكنه ظاهرة ملحوظة يمكن وصفها رياضيًا للتنبؤ بالمدى الذي يمكن أن تصل إليه كثافة البلازما داخل التوكاماك قبل أن يزعزع استقراره وينهار فجأة.

وذلك لأنه مع زيادة كثافة البلازما، تشع البلازما المزيد من الطاقة، وتبرد بشكل أسرع عند حدودها، خاصة عندما تدخل الذرات من جدار المفاعل إلى البلازما. تقوم جسيمات البلازما النشطة بإخراج الذرات من الجدار؛ بمجرد دخولها إلى البلازما، تزيد هذه الشوائب من معدل إشعاع الطاقة بعيدًا، مما يزيد من تبريد البلازما ويعزز إطلاق المزيد من الشوائب، مما يخلق حلقة تغذية مرتدة.

يمكن للتبريد الناتج بعد ذلك أن يؤدي إلى تحلل الحبس المغناطيسي الذي يحافظ على احتواء البلازما، مما يسمح للبلازما بالهروب والإغلاق بسرعة. ولهذا السبب، عادةً ما يقوم الفيزيائيون بتشغيل مفاعلات الاندماج المغناطيسي تحت حد غرينوالد، إلا في التجارب مصممة لاختباره.

ولكن في الآونة الأخيرة، اقترحت دراسة نظرية أن التنظيم الذاتي في تفاعلات جدار البلازما يمكن أن يسمح للتوكاماك بالهروب من قيود كثافة جرينوالد المعتادة، بدلاً من العمل فيما وصفه المؤلفون بنظام منفصل “خالٍ من الكثافة”.

قام فريق بقيادة الفيزيائيين بينج تشو من جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا، ونينج يان من الأكاديمية الصينية للعلوم، بتصميم تجربة للارتقاء بهذه النظرية، استنادًا إلى فرضية بسيطة: أن حد الكثافة يتأثر بشدة بتفاعلات جدار البلازما الأولية مع بدء تشغيل المفاعل.

في تجربتهم، أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم توجيه نتائج هذا التفاعل عمدًا. لقد سيطروا بعناية على ضغط غاز الوقود أثناء بدء تشغيل التوكاماك، وأضافوا دفعة من التسخين تسمى تسخين الرنين السيكلوتروني الإلكتروني.

غيرت هذه التغييرات كيفية تفاعل البلازما مع جدران التوكاماك من خلال حدود بلازما أكثر برودة، مما أدى إلى تقليل درجة دخول شوائب الجدار إلى البلازما بشكل كبير.

وفي ظل هذا النظام، تمكن الباحثون من الوصول إلى كثافات تصل إلى حوالي 65% أعلى من حد توكاماك في غرينوالد.

هذا لا يعني أن البلازما المحصورة مغناطيسيًا يمكنها الآن العمل بدون حدود للكثافة على الإطلاق. ومع ذلك، فهو يوضح أن حد جرينوالد ليس عائقًا أساسيًا وأن التغيير والتبديل في العمليات التشغيلية يمكن أن يؤدي إلى مفاعلات اندماجية أكثر فعالية.

سيقوم الفريق بإجراء المزيد من التجارب على النتائج التي توصلوا إليها لمعرفة كيفية عمل EAST في ظل ظروف عالية الأداء في النظام الخالي من الكثافة الموصوف حديثًا.

“تشير النتائج إلى مسار عملي وقابل للتطوير لتوسيع حدود الكثافة في التوكاماك وأجهزة دمج البلازما المحترقة من الجيل التالي.” يقول تشو.

وقد تم نشر النتائج في تقدم العلوم.