قانون جديد يفك قيود الاندماج

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.

تتبع الوقت لتدفق الغاز ، وكثافة الإلكترون من نثر طومسون ، وشدة الإشعاع ، والاضطرابات المغناطيسية لتفريغ JET رقم 80823. يتم تحديد حدث MARFE من خلال الزيادة القوية للإشعاع المقاس فوق النقطة X. تسبق بداية MARFE ظهور الوضع المغلق ، مما يؤدي في النهاية إلى اضطراب البلازما. يمثل الخط العمودي الأحمر المتقطع وقت ظهور MARFE ، t_م ≃ 20.9 ثانية. تحدث بداية الوضع المقفل N = 1 عند 21.95 ثانية ، بينما يكون وقت التعطيل عند 21.1 ثانية. الإئتمان: خطابات المراجعة المادية (2022). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.128.185003

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 “.