يونيو 27, 2022

Alqraralaraby

الأخبار والتحليلات من الشرق الأوسط والعالم والوسائط المتعددة والتفاعلات والآراء والأفلام الوثائقية والبودكاست والقراءات الطويلة وجدول البث.

قانون جديد يفك قيود الاندماج

قانون جديد يفك قيود الاندماج

الائتمان: CC0 المجال العام

قام الفيزيائيون في EPFL ، ضمن تعاون أوروبي كبير ، بمراجعة أحد القوانين الأساسية التي كانت أساسية لأبحاث البلازما والاندماج لأكثر من ثلاثة عقود ، حتى أنها تحكم تصميم المشاريع العملاقة مثل ITER. يوضح التحديث أنه يمكننا في الواقع استخدام المزيد من وقود الهيدروجين بأمان في مفاعلات الاندماج ، وبالتالي الحصول على طاقة أكثر مما كان يعتقد سابقًا.


الاندماج هو أحد أكثر المصادر الواعدة لطاقة المستقبل. إنه يتضمن نواتين ذريتين تتحدان في نواة واحدة ، وبالتالي تطلق كميات هائلة من الطاقة. في الواقع ، نحن نختبر انصهار كل يوم: يأتي من دفء الشمس نوى الهيدروجين الانصهار في ذرات هيليوم أثقل.

يوجد حاليًا مشروع دولي ضخم لبحوث الاندماج يسمى ITER ، والذي يهدف إلى تكرار عمليات اندماج الشمس لتوليد الطاقة على الأرض. هدفها هو إنتاج بلازما ذات درجة حرارة عالية توفر البيئة المناسبة لحدوث الاندماج ، وإنتاج الطاقة.

البلازما – حالة من المادة المتأينة تشبه الغاز – تتكون من نوى موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة ، وهي أقل كثافة بمليون مرة من الهواء الذي نتنفسه. تتشكل البلازما بإخضاع “وقود الاندماج” –ذرات الهيدروجين—إلى درجات حرارة عالية للغاية (10 أضعاف درجة حرارة لب الشمس) ، مما يجبر الإلكترونات على الانفصال عنها النوى الذرية. تتم العملية داخل هيكل على شكل دونات (“حلقي”) يسمى “توكاماك. “

يقول باولو ريتشي في مركز البلازما السويسري ، أحد معاهد الأبحاث الرائدة عالميًا في مجال الاندماج الموجود في EPFL.

قانون جديد يفك قيود الاندماج

من خلال تعاون أوروبي كبير ، أصدر فريق Ricci الآن دراسة لتحديث المبدأ التأسيسي لتوليد البلازما – وإظهار أن ITER tokamak القادم يمكن أن يعمل فعليًا مع ضعف كمية الهيدروجين وبالتالي توليد طاقة اندماج أكثر مما كان يعتقد سابقًا.

يقول ريتشي: “أحد القيود في صنع البلازما داخل توكاماك هو كمية وقود الهيدروجين التي يمكنك حقنها فيه”. “منذ الأيام الأولى للاندماج ، عرفنا أنه إذا حاولت زيادة كثافة الوقود ، فسيحدث في مرحلة ما ما نسميه” اضطرابًا “- فأنت في الأساس تفقد الحصر تمامًا ، وتذهب البلازما أينما كان. في الثمانينيات ، كان الناس يحاولون التوصل إلى نوع من القانون يمكن أن يتنبأ بأقصى كثافة للهيدروجين يمكنك وضعها داخل توكاماك “.

جاءت الإجابة في عام 1988 ، عندما نشر عالم الاندماج مارتن غرينوالد قانونًا مشهورًا يربط كثافة الوقود بنصف قطر توكاماك الصغير (نصف قطر الدائرة الداخلية للدونات) والتيار الذي يتدفق في البلازما داخل توكاماك. منذ ذلك الحين ، أصبح “حد Greenwald” مبدأًا أساسيًا لبحوث الاندماج ؛ في الواقع ، تعتمد إستراتيجية ITER لبناء التوكاماك على ذلك.

“اشتق غرينوالد القانون تجريبياً ، وهذا بالكامل من بيانات تجريبيةيشرح ريتشي “ليست نظرية مُختبرة ، أو ما نسميه” المبادئ الأولى “. ومع ذلك ، نجح الحد بشكل جيد في البحث. وفي بعض الحالات ، مثل DEMO (خليفة ITER) ، تشكل هذه المعادلة حدًا كبيرًا لتشغيلها لأنها تنص على أنه لا يمكنك زيادة كثافة الوقود فوق مستوى معين “.

من خلال العمل مع فرق توكاماك ، صمم مركز البلازما السويسري تجربة حيث كان من الممكن استخدام تقنية متطورة للغاية للتحكم بدقة في كمية الوقود المحقون في توكاماك. تم إجراء التجارب الهائلة في أكبر توكاماك في العالم ، التوروس الأوروبي المشترك (JET) في المملكة المتحدة ، بالإضافة إلى ترقية ASDEX في ألمانيا (معهد ماكس بلانك) و TCV tokamak الخاص بـ EPFL. تم تحقيق هذا الجهد التجريبي الكبير من قبل EUROfusion Consortium ، وهي المنظمة الأوروبية التي تنسق أبحاث الاندماج في أوروبا والتي يشارك فيها EPFL الآن من خلال معهد Max Planck لفيزياء البلازما في ألمانيا.

في نفس الوقت ، ماوريتسيو جياكومين ، دكتوراه. طالب في مجموعة Ricci ، بدأ في تحليل العمليات الفيزيائية التي تحد من الكثافة في tokamaks ، من أجل اشتقاق قانون المبادئ الأولى الذي يمكن أن يربط بين كثافة الوقود وحجم التوكاماك. جزء من ذلك يتضمن استخدام محاكاة متقدمة للبلازما باستخدام نموذج حاسوبي.

يقول ريتشي: “تستغل عمليات المحاكاة بعضًا من أكبر أجهزة الكمبيوتر في العالم ، مثل تلك التي أتاحتها CSCS والمركز الوطني السويسري للحوسبة الفائقة و EUROfusion”. “وما وجدناه ، من خلال عمليات المحاكاة التي أجريناها ، هو أنه كلما أضفت المزيد من الوقود إلى البلازما ، تنتقل أجزاء منه من الطبقة الباردة الخارجية لتوكاماك ، الحدود ، إلى جوهرها ، لأن البلازما تصبح أكثر اضطرابًا. ثم ، على عكس الأسلاك النحاسية الكهربائية ، التي تصبح أكثر مقاومة عند تسخينها ، تصبح البلازما أكثر مقاومة عندما تبرد. لذلك ، كلما زاد الوقود الذي تضعه فيه عند نفس درجة الحرارة ، تبرد أجزاء منه – وتزداد صعوبة لتدفق التيار في البلازما ، مما قد يؤدي إلى حدوث اضطراب “.

كان هذا تحديا لمحاكاة. يقول ريتشي: “الاضطراب في السائل هو في الواقع أهم قضية مفتوحة في الفيزياء الكلاسيكية”. “ولكن الاضطرابات في بلازما أكثر تعقيدًا لأن لديك أيضًا مجالات كهرومغناطيسية “.

في النهاية ، تمكن ريتشي وزملاؤه من فك الشفرة ووضع “قلم على ورقة” لاشتقاق معادلة جديدة للحد الأقصى للوقود في توكاماك ، والتي تتماشى جيدًا مع التجارب. نشرت في خطابات المراجعة المادية، إنه ينصف حدود غرينوالد ، من خلال الاقتراب منه ، لكنه يحدّثها بطرق مهمة.

تفترض المعادلة الجديدة أنه يمكن رفع حد Greenwald مرتين تقريبًا من حيث الوقود في ITER ؛ وهذا يعني أن التوكاماك مثل ITER يمكنها في الواقع استخدام ضعف كمية الوقود لإنتاج البلازما دون القلق من الاضطرابات. يقول ريتشي: “هذا مهم لأنه يوضح أن الكثافة التي يمكنك تحقيقها في توكاماك تزداد مع القوة التي تحتاجها لتشغيله”. “في الواقع ، سيعمل DEMO بقوة أعلى بكثير من tokamaks و ITER الحاليين ، مما يعني أنه يمكنك إضافة المزيد الوقود الكثافة دون الحد من الإنتاج ، على عكس قانون Greenwald. وهذه أخبار جيدة للغاية “.


نحو طاقة الاندماج ، يضع الفريق نموذجًا لاضطراب البلازما على أسرع كمبيوتر عملاق في البلاد


معلومات اكثر:
جياكومين وآخرون ، مقياس حد الكثافة من المبادئ الأولى في توكاماك استنادًا إلى النقل المضطرب للحافة والآثار المترتبة على ITER ، خطابات المراجعة المادية (2022). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.128.185003

الاقتباس: قانون جديد يفك قيود الاندماج (2022 ، 17 مايو) تم استرداده في 17 مايو 2022 من https://phys.org/news/2022-05-law-unchains-fusion-energy.html

هذا المستند عرضة للحقوق التأليف والنشر. بصرف النظر عن أي تعامل عادل لغرض الدراسة أو البحث الخاص ، لا يجوز إعادة إنتاج أي جزء دون إذن كتابي. يتم توفير المحتوى لأغراض إعلامية فقط.

READ  لم يكن بلوتو الأول: تاريخ موجز للكواكب المنسية في نظامنا الشمسي