گامی بزرگ به‌سوی انرژی بی‌پایان با رمزگشایی از قدرت ستارگان

محققان آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL) که زیرمجموعه وزارت انرژی ایالات متحده است، با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری در تلاش هستند تا عملکرد دستگاه‌های همجوشی هسته‌ای موسوم به استلراتور را بهبود بخشند.

به گزارش ساینس دیلی، در این دستگاه‌های حلقوی‌شکل، پلاسمایی با دمایی چندین برابر سطح خورشید به‌طور کنترل‌شده به حرکت درمی‌آید و شرایط لازم برای فرایند همجوشی هسته‌ای، مشابه آنچه در خورشید و ستارگان رخ می‌دهد، بازسازی می‌شود.

دانشمندان تحت حمایت دفتر علوم وزارت انرژی آمریکا در حال مطالعه همجوشی هسته‌ای با هدف توسعه این فناوری به‌عنوان یک منبع انرژی تجاری پایدار هستند. استلراتورها، به دلیل پایداری در نگه‌داشتن پلاسمای داغ، به‌عنوان یکی از گزینه‌های امیدوارکننده در این مسیر شناخته می‌شوند.

همجوشی هسته‌ای به‌عنوان یک منبع انرژی پاک و تقریباً نامحدود مطرح است که برخلاف سوخت‌های فسیلی، گاز‌های گلخانه‌ای تولید نمی‌کند و پسماند رادیواکتیو ماندگاری نیز ندارد. در این فرایند، هسته‌های اتمی سبک مانند هیدروژن تا حدی گرم می‌شوند که به حالت پلاسما، یعنی گاز فوق‌العاده داغ و باردار، تبدیل شوند. از آنجا که ستارگان از پلاسما ساخته شده‌اند، این ماده حدود ۹۹ درصد از جهان مرئی را تشکیل می‌دهد.

چالش کنترل پلاسما

مهم‌ترین 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 دستگاه‌هایی بسازند که توانایی نگه‌داشتن و مدیریت این گاز فوق‌العاده 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 شناخته‌شده‌تر برای confinement مغناطیسی، توکامک و استلراتور هستند که از میدان‌های مغناطیسی قوی برای محصور کردن پلاسما در ساختاری دونات‌مانند استفاده می‌کنند.

تفاوت اصلی این دو در نحوه تولید میدان مغناطیسی است. توکامک‌ها دارای سه مجموعه اصلی از سیم‌پیچ‌های مغناطیسی هستند که یکی از آنها جریان الکتریکی را در مرکز پلاسما ایجاد می‌کند. این جریان، یک میدان مغناطیسی تقویت‌کننده تولید کرده و باعث بهبود confinement پلاسما می‌شود. در مقابل، استلراتور‌ها از مجموعه‌ای پیچیده از سیم‌پیچ‌های مغناطیسی خارجی استفاده می‌کنند که بدون نیاز به جریان مرکزی، میدان‌های مغناطیسی پیچیده‌ای ایجاد می‌کنند.

استلراتور‌ها مزایای مهمی نسبت به توکامک‌ها دارند؛ از جمله مصرف انرژی کمتر، انعطاف‌پذیری بیشتر در طراحی و احتمال پایین‌تر بروز اختلالات پلاسما که می‌تواند به دیواره‌های دستگاه آسیب بزند. اما چالش اصلی این فناوری، عدم توانایی کافی در نگه‌داشتن حرارت پلاسما است.

استلراتور‌ها به‌ویژه در مهار ذرات پرانرژی که برای تداوم واکنش همجوشی حیاتی هستند، ضعف دارند. همچنین، خروج این ذرات می‌تواند به دیواره‌های دستگاه آسیب بزند. این در حالی است که تقارن محوری توکامک‌ها باعث confinement بهتر این ذرات می‌شود.

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 کرده‌اند. آنها دریافتند که برخی پیکربندی‌های خاص میدان مغناطیسی می‌توانند رفتار ذرات را به گونه‌ای تغییر دهند که به confinement پلاسما کمک کند.

محاسبه دقیق حرکت هر ذره در میدان مغناطیسی نیازمند توان پردازشی بسیار بالایی است و عملاً امکان‌پذیر نیست. اما این تیم پژوهشی، به‌جای محاسبه مستقیم، یک تابع تقریبی طراحی کرد که سرعت فرار ذرات از میدان مغناطیسی را تخمین می‌زند. این تابع رابطه مستقیمی با میزان کارایی confinement دارد و محققان توانستند از آن برای طراحی پیکربندی‌های جدید پلاسما که میزان از دست رفتن ذرات پرانرژی را کاهش می‌دهند، استفاده کنند.

اگرچه روش‌های مشابهی پیش‌تر نیز به‌کار رفته بود، اما این اولین‌بار است که چنین رویکردی برای استلراتور‌های خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پروژه از کد‌های توسعه‌یافته در آزمایشگاه ملی اوک ریج و PPPL بهره گرفته است.

هرچند این مدل‌ها هنوز به‌عنوان طراحی‌های نهایی برای یک دستگاه خاص مطرح نیستند، اما مسیر تحقیقاتی روشنی را برای آینده استلراتور‌ها ترسیم می‌کنند.

ادامه این پژوهش‌ها می‌تواند زمینه را برای استفاده تجاری از استلراتور‌ها به‌عنوان یک گزینه عملی برای تولید انرژی همجوشی هموار کند.

انتهای پیام/