گامی بزرگ به سوی انرژی بی پایان با رمزگشایی از قدرت ستارگان

محققان آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL) که زیرمجموعه وزارت انرژی ایالات متحده است با استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری در تلاش هستند تا عملکرد دستگاه های همجوشی هسته ای موسوم به استلراتور را بهبود بخشند.

به گزارش ساینس دیلی در این دستگاه های حلقوی شکل پلاسمایی با دمایی چندین برابر سطح خورشید به طور کنترل شده به حرکت درمی آید و شرایط لازم برای فرایند همجوشی هسته ای مشابه آنچه در خورشید و ستارگان رخ می دهد بازسازی می شود.

دانشمندان تحت حمایت دفتر علوم وزارت انرژی آمریکا در حال مطالعه همجوشی هسته ای با هدف توسعه این فناوری به عنوان یک منبع انرژی تجاری پایدار هستند. استلراتورها به دلیل پایداری در نگه داشتن پلاسمای داغ به عنوان یکی از گزینه های امیدوارکننده در این مسیر شناخته می شوند.

همجوشی هسته ای به عنوان یک منبع انرژی پاک و تقریباً نامحدود مطرح است که برخلاف سوخت های فسیلی گاز های گلخانه ای تولید نمی کند و پسماند رادیواکتیو ماندگاری نیز ندارد. در این فرایند هسته های اتمی سبک مانند هیدروژن تا حدی گرم می شوند که به حالت پلاسما یعنی گاز فوق العاده داغ و باردار تبدیل شوند. از آنجا که ستارگان از پلاسما ساخته شده اند این ماده حدود ۹۹ درصد از جهان مرئی را تشکیل می دهد.

چالش کنترل پلاسما

مهم ترین مانع در مسیر تولید انرژی همجوشی مهار و کنترل پلاسما است. برای دستیابی به یک واکنش همجوشی پایدار که انرژی بیشتری نسبت به میزان مصرفی تولید کند دانشمندان باید دستگاه هایی بسازند که توانایی نگه داشتن و مدیریت این گاز فوق العاده داغ را داشته باشند.

مقایسه دو فناوری پیشرو: توکامک و استلراتور

برای مهار پلاسما دو روش رایج وجود دارد: confinement مغناطیسی و confinement اینرسی. در این میان دو طراحی شناخته شده تر برای confinement مغناطیسی توکامک و استلراتور هستند که از میدان های مغناطیسی قوی برای محصور کردن پلاسما در ساختاری دونات مانند استفاده می کنند.

تفاوت اصلی این دو در نحوه تولید میدان مغناطیسی است. توکامک ها دارای سه مجموعه اصلی از سیم پیچ های مغناطیسی هستند که یکی از آنها جریان الکتریکی را در مرکز پلاسما ایجاد می کند. این جریان یک میدان مغناطیسی تقویت کننده تولید کرده و باعث بهبود confinement پلاسما می شود. در مقابل استلراتور ها از مجموعه ای پیچیده از سیم پیچ های مغناطیسی خارجی استفاده می کنند که بدون نیاز به جریان مرکزی میدان های مغناطیسی پیچیده ای ایجاد می کنند.

استلراتور ها مزایای مهمی نسبت به توکامک ها دارند؛ از جمله مصرف انرژی کمتر انعطاف پذیری بیشتر در طراحی و احتمال پایین تر بروز اختلالات پلاسما که می تواند به دیواره های دستگاه آسیب بزند. اما چالش اصلی این فناوری عدم توانایی کافی در نگه داشتن حرارت پلاسما است.

استلراتور ها به ویژه در مهار ذرات پرانرژی که برای تداوم واکنش همجوشی حیاتی هستند ضعف دارند. همچنین خروج این ذرات می تواند به دیواره های دستگاه آسیب بزند. این در حالی است که تقارن محوری توکامک ها باعث confinement بهتر این ذرات می شود.

پیشرفت جدید در بهبود confinement پلاسما

اخیراً پژوهشگران PPPL به همراه دانشمندانی از دانشگاه آبرن مؤسسه فیزیک پلاسمای ماکس پلانک آلمان و دانشگاه ویسکانسین-مدیسن روشی جدید برای رفع این مشکل ارائه کرده اند. آنها دریافتند که برخی پیکربندی های خاص میدان مغناطیسی می توانند رفتار ذرات را به گونه ای تغییر دهند که به confinement پلاسما کمک کند.

محاسبه دقیق حرکت هر ذره در میدان مغناطیسی نیازمند توان پردازشی بسیار بالایی است و عملاً امکان پذیر نیست. اما این تیم پژوهشی به جای محاسبه مستقیم یک تابع تقریبی طراحی کرد که سرعت فرار ذرات از میدان مغناطیسی را تخمین می زند. این تابع رابطه مستقیمی با میزان کارایی confinement دارد و محققان توانستند از آن برای طراحی پیکربندی های جدید پلاسما که میزان از دست رفتن ذرات پرانرژی را کاهش می دهند استفاده کنند.

اگرچه روش های مشابهی پیش تر نیز به کار رفته بود اما این اولین بار است که چنین رویکردی برای استلراتور های خاصی مورد استفاده قرار می گیرد. این پروژه از کد های توسعه یافته در آزمایشگاه ملی اوک ریج و PPPL بهره گرفته است.

هرچند این مدل ها هنوز به عنوان طراحی های نهایی برای یک دستگاه خاص مطرح نیستند اما مسیر تحقیقاتی روشنی را برای آینده استلراتور ها ترسیم می کنند.

ادامه این پژوهش ها می تواند زمینه را برای استفاده تجاری از استلراتور ها به عنوان یک گزینه عملی برای تولید انرژی همجوشی هموار کند.

انتهای پیام/