گرم کردن پلاسما برای همجوشی: کشف نوآوری که انرژی آینده را متحول می‌کند

راهکارهای نوین برای گرما دادن به پلاسما و ارتقای واکنش‌های همجوشی

رسوندن دمای پلاسما به درجه‌های فوق‌العاده بالا، که لازمه‌ی واکنش‌های همجوشی هست، یه کار ساده مثل چرخوندن دکمه‌ی ترموستات نیست. دانشمندا دارن روش‌های مختلفی رو بررسی می‌کنن. یکی از این روش‌ها تزریق امواج الکترومغناطیسی به پلاسماست؛ مثل کاری که تو مایکروفرها انجام میشه تا غذا گرم شه. اما وقتی این امواج گرمایی تولید می‌شن، ممکنه هم‌زمان امواج دیگه‌ای هم به وجود بیان که پلاسما رو گرم نمی‌کنن و در واقع انرژی رو تلف می‌کنن.

در پاسخ به این چالش، دانشمندان آزمایشگاه فیزیک پلاسما در وزارت انرژی آمریکا (DOE) در پرینستون، از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری استفاده کردن تا یه تکنیک رو تأیید کنن که جلوی تولید امواج بی‌فایده، که بهشون مودهای کند میگن، رو می‌گیره. این کار باعث افزایش گرمای پلاسما و بهتر شدن راندمان واکنش‌های همجوشی میشه. یون-هوا کیم، فیزیکدان اصلی و نویسنده‌ی ارشد مقاله‌ای که نتایج رو تو نشریه “فیزیک پلاسما” منتشر کرده، گفت: “این اولین باره که دانشمندا از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری دو بعدی برای بررسی نحوه‌ی کاهش مودهای کند استفاده می‌کنن. این نتایج می‌تونه به گرم کردن مؤثرتر پلاسما و احتمالاً هموارتر شدن مسیر رسیدن به انرژی همجوشی کمک کنه.”

تیمی که محققانی از جنرال اتمیکس هم توش حضور دارن و از تأسیسات همجوشی توکامک DIII-D استفاده می‌کنن، متوجه شدن که قرار دادن یه صفحه‌ی فلزی به اسم صفحه‌ی فارادی با زاویه‌ی پنج درجه نسبت به آنتنی که امواج گرمایی رو تولید می‌کنه، که بهشون امواج هلی‌کون هم میگن، تولید مودهای کند رو متوقف می‌کنه. محققان میخوان جلوی تولید مودهای کند رو بگیرن، چون این مودها، برعکس امواج هلی‌کون، نمی‌تونن تو خطوط میدان مغناطیسی که پلاسما رو محاصره کردن نفوذ کنن و هسته رو گرم کنن؛ جایی که بیشتر واکنش‌های همجوشی اتفاق می‌افته. علاوه بر این، مودهای کند به راحتی توسط خود پلاسما ضعیف یا خاموش می‌شن. در نتیجه، هر انرژی که برای تولید مودهای کند مصرف میشه، انرژی‌ای هست که برای گرم کردن پلاسما و کمک به انجام واکنش‌های همجوشی استفاده نمیشه.

شبیه‌سازی امواج هلی‌کون و مودهای کند در دستگاه‌های همجوشی

محققان تولید امواج هلی‌کون و مودهای کند رو با استفاده از یه کد کامپیوتری به اسم پترا-ام شبیه‌سازی کردن. این برنامه، یه برنامه قدرتمند و همه‌کاره‌ست که برای مدل‌سازی امواج الکترومغناطیسی تو دستگاه‌های همجوشی و پلاسمای فضایی استفاده میشه. این شبیه سازی‌ها شرایط موجود در توکامک DIII-D رو بازسازی کردن؛ توکامک DIII-D یه دستگاه پلاسما به شکل دوناته که توسط شرکت جنرال اتمیکس برای وزارت انرژی آمریکا (DOE) اداره میشه.

تیم تحقیقاتی یه سری آزمایش‌های مجازی انجام داد تا ببینه کدوم یکی از عوامل زیر بیشترین تأثیر رو تو تولید مودهای کند داره: هم‌راستایی آنتن، هم‌راستایی صفحه‌ی فارادی یا چگالی ذرات کوچیکی به اسم الکترون‌ها در جلوی آنتن. شبیه‌سازی‌ها تأیید کردن که پیشنهادهای محققان قبلی که میگفتن وقتی صفحه‌ی فارادی با زاویه‌ی پنج درجه یا کمتر از جهت آنتن قرار بگیره، در واقع مودهای کند رو از بین میبره و باعث میشه این مودها قبل از اینکه وارد پلاسما بشن از بین برن، درست بوده.

سرکوب مودهای کند، به‌شدت به میزان انحراف صفحه‌ی فارادی بستگی داره. ماسایوکی اونو، فیزیکدان ارشد تحقیق در PPPL و یکی از نویسندگان مقاله، گفت: “ما متوجه شدیم که وقتی زاویه صفحه فقط یه کم بیشتر از پنج درجه باشه، مودهای کند به شدت افزایش پیدا می‌کنن.” اون اضافه کرد: “از حساسیت توسعه‌ی مودهای کند به هم‌راستایی صفحه شگفت‌زده شدیم.”

دانشمندا می‌تونن از این اطلاعات برای بهبود طراحی تأسیسات همجوشی جدید استفاده کنن تا گرمایششون قوی‌تر و کارآمدتر بشه. در آینده، دانشمندا برنامه‌ریزی کردن تا با انجام شبیه‌سازی‌های کامپیوتری که ویژگی‌های بیشتری از پلاسما رو در نظر می‌گیرن و اطلاعات بیشتری درباره‌ی آنتن در نظر میگیرن، درک خودشون رو از چگونگی جلوگیری از مودهای کند افزایش بدن.

این تحقیق با حمایت دفتر علوم وزارت انرژی آمریکا (علوم انرژی همجوشی) و با قراردادهای DE-AC20-09CH11466 و DE-FC02-04ER54698 و همچنین برنامه‌ی کشف علمی از طریق محاسبات پیشرفته وزارت انرژی با قرارداد DE-SC0024369 انجام شده. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ملی، که یه تأسیسات کاربری وزارت انرژی در آزمایشگاه ملی لورنس برکلیه، تحت قرارداد DE-AC02-05CH11231 و جایزه‌ی FES-ERCAP0027700 انجام شد.

“`