افزایش کارایی گرمایش پلاسما با صفحات فلزی در همجوشی

راهکارهای جدید برای افزایش دما در پلاسما و بهبود واکنش‌های همجوشی

گرم کردن پلاسما به دماهای فوق‌العاده بالا برای واکنش‌های همجوشی نیازمند بیشتر از فقط چرخاندن دکمه ترموستات است. دانشمندان به بررسی چندین روش مختلف پرداخته‌اند که یکی از آن‌ها شامل تزریق امواج الکترومغناطیسی به پلاسما می‌شود؛ فرآیندی مشابه با آنچه در مایکروویوها برای گرم کردن غذا استفاده می‌شود. اما زمانی که آن‌ها نوعی از امواج گرمایی را تولید می‌کنند، ممکن است به طور همزمان نوع دیگری از امواج را ایجاد کنند که پلاسما را گرم نمی‌کند و در واقع انرژی را هدر می‌دهد.

در پاسخ به این مشکل، دانشمندان آزمایشگاه فیزیک پلاسما در وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) در پرینستون، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری انجام داده‌اند که یک تکنیک را تأیید می‌کند تا از تولید امواج غیرمفید، معروف به حالت‌های کند، جلوگیری کند. این امر موجب افزایش گرما در پلاسما و بهبود کارایی واکنش‌های همجوشی می‌شود. یون-هوا کیم، فیزیکدان اصلی و نویسنده اصلی مقاله‌ای که نتایج را در نشریه «فیزیک پلاسما» منتشر کرده است، گفت: “این نخستین بار است که دانشمندان از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری دو بعدی برای بررسی چگونگی کاهش حالت‌های کند استفاده می‌کنند. این نتایج می‌تواند به گرم کردن مؤثرتر پلاسما و احتمالاً به مسیری آسان‌تر برای دستیابی به انرژی همجوشی منجر شود.”

تیمی که شامل محققانی از جنرال اتمیکس است و از تأسیسات همجوشی توکامک DIII-D استفاده می‌کند، تعیین کرده‌اند که قرار دادن یک مش فلزی به نام صفحه فارادی با زاویه‌ای پنج درجه نسبت به آنتن تولیدکننده امواج گرمایی، که به آن‌ها امواج هلیکون نیز گفته می‌شود، تولید حالت‌های کند را متوقف می‌کند. محققان می‌خواهند از ایجاد حالت‌های کند جلوگیری کنند زیرا بر خلاف امواج هلیکون، آن‌ها نمی‌توانند خطوط میدان مغناطیسی که پلاسما را محصور کرده‌اند، نفوذ کنند و هسته را گرم کنند؛ جایی که بیشتر واکنش‌های همجوشی اتفاق می‌افتد. علاوه بر این، حالت‌های کند به راحتی توسط خود پلاسما کاهش یا خاموش می‌شوند. بنابراین، هر انرژی که برای ایجاد حالت‌های کند مصرف می‌شود، انرژی است که برای گرم کردن پلاسما و تسهیل واکنش‌های همجوشی استفاده نمی‌شود.

شبیه‌سازی امواج هلیکون و حالت‌های کند در دستگاه‌های همجوشی

محققان تولید امواج هلیکون و حالت‌های کند را با استفاده از کد کامپیوتری پترا-ام شبیه‌سازی کردند. این برنامه قدرتمند و چندمنظوره برای مدل‌سازی امواج الکترومغناطیسی در دستگاه‌های همجوشی و پلاسماهای فضایی به کار می‌رود. شبیه‌سازی‌ها شرایط موجود در توکامک DIII-D، که یک دستگاه پلاسما به شکل دونات است و توسط شرکت جنرال اتمیکس برای وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) اداره می‌شود، بازتولید کردند.

تیم تحقیقاتی مجموعه‌ای از آزمایش‌های مجازی را انجام دادند تا بررسی کنند کدام یک از عوامل زیر بیشترین تأثیر را بر تولید حالت‌های کند دارد: هم‌راستایی آنتن، هم‌راستایی صفحه فارادی یا چگالی ذرات کوچکی به نام الکترون‌ها در جلوی آنتن. شبیه‌سازی‌ها تأیید کردند که پیشنهادات محققان قبلی مبنی بر این که وقتی صفحه فارادی در زاویه‌ای پنج درجه یا کمتر از جهت آنتن قرار می‌گیرد، در واقع حالت‌های کند را کوتاه‌مدت می‌کند و باعث می‌شود که این حالت‌ها قبل از انتشار به داخل پلاسما از بین بروند، صحیح است.

سرکوب حالت‌های کند به شدت به میزان انحراف صفحه فارادی بستگی دارد. ماسایوکی اونو، فیزیکدان اصلی تحقیق در PPPL و یکی از نویسندگان مقاله، گفت: “ما متوجه شدیم که وقتی زاویه صفحه تنها کمی بیشتر از پنج درجه باشد، حالت‌های کند به شدت افزایش می‌یابند.” او افزود: “از حساسیت توسعه حالت‌های کند به هم‌راستایی صفحه شگفت‌زده شدیم.”

دانشمندان می‌توانند از این اطلاعات برای بهبود طراحی تأسیسات همجوشی جدید استفاده کنند تا گرمایش آن‌ها قوی‌تر و کارآمدتر شود. در آینده، دانشمندان برنامه‌ریزی دارند تا با انجام شبیه‌سازی‌های کامپیوتری که ویژگی‌های بیشتری از پلاسما را در نظر می‌گیرند و اطلاعات بیشتری درباره آنتن را مدنظر قرار می‌دهند، درک خود را از چگونگی جلوگیری از حالت‌های کند افزایش دهند.

این تحقیق تحت حمایت دفترة علوم وزارت انرژی ایالات متحده (علوم انرژی همجوشی) و با قراردادهای DE-AC20-09CH11466 و DE-FC02-04ER54698 و همچنین برنامه کشف علمی از طریق محاسبات پیشرفته وزارت انرژی با قرارداد DE-SC0024369 انجام شده است. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ملی، یک تأسیسات کاربری وزارت انرژی در آزمایشگاه ملی لورنس برکلی تحت قرارداد DE-AC02-05CH11231 و جایزه FES-ERCAP0027700 انجام شد.