في سعيهم المستمر لتطوير مجموعة من الأساليب لإدارة البلازما بحيث يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء في عملية تعرف باسم الاندماج، أظهر الباحثون في مختبر برينستون لفيزياء البلازما التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (PPPL) كيف أن اثنين من الكائنات القديمة ويمكن الجمع بين الأساليب لتوفير قدر أكبر من المرونة.
في حين أن الطريقتين - المعروفتين باسم محرك تيار السيكلوترون الإلكتروني (ECCD) وتطبيق الاضطرابات المغناطيسية الرنانة (RMP) - تمت دراستهما منذ فترة طويلة، فهذه هي المرة الأولى التي يقوم فيها الباحثون بمحاكاة كيفية استخدامهما معًا لإعطاء تحكم معزز في البلازما.
وقال كيمينج هو، عالم الفيزياء البحثي في PPPL والمؤلف الرئيسي لورقة جديدة نشرت في مجلة PPPL: "هذه فكرة جديدة نوعًا ما". الاندماج النووي حول العمل، والذي تم إثباته تجريبيًا أيضًا. "لا يزال يجري اكتشاف القدرات الكاملة، لكن بحثنا يقوم بعمل رائع في تعزيز فهمنا للفوائد المحتملة."
وفي نهاية المطاف، يأمل العلماء في استخدام الاندماج النووي لتوليد الكهرباء. أولاً، سيتعين عليهم التغلب على العديد من العقبات، بما في ذلك إتقان الطرق لتقليل رشقات الجسيمات من البلازما المعروفة باسم الأنماط الموضعية للحافة (ELMs).
"بشكل دوري، تطلق هذه الانفجارات القليل من الضغط لأنه كبير جدًا. قال هو، الذي يعمل لدى شركة PPPL في مرفق DIII-D National Fusion Facility، وهو مرفق مستخدم تابع لوزارة الطاقة تستضيفه شركة General Atomics: "إن هذه الانفجارات يمكن أن تكون خطيرة". DIII-D هو توكاماك، وهو جهاز يستخدم المجالات المغناطيسية لحصر بلازما الاندماج في شكل كعكة. يمكن لـ ELMs إنهاء التفاعل الاندماجي وحتى إتلاف التوكاماك، لذلك طور الباحثون العديد من الطرق لمحاولة تجنبها.
قال أليساندرو بورتولون، الفيزيائي البحثي الرئيسي في PPPL، والذي كان أحد المؤلفين المشاركين في البحث: "إن أفضل طريقة وجدناها لتجنبها هي من خلال تطبيق الاضطرابات المغناطيسية الرنانة، أو RMPs، التي تولد مجالات مغناطيسية إضافية".
تولد المجالات المغناطيسية جزرًا، وتقوم الموجات الدقيقة بتعديلها
المجالات المغناطيسية التي تطبقها رياح التوكاماك في البداية حول البلازما ذات الشكل الدائري، سواء على الطريق الطويل – حول الحافة الخارجية، أو على الطريق القصير – من الحافة الخارجية وعبر الثقب المركزي. تنتقل المجالات المغناطيسية الإضافية التي تم إنشاؤها بواسطة RMPs عبر البلازما، وتنسج داخل وخارج مثل غرزة المجاري. وتنتج هذه المجالات مجالات مغناطيسية بيضاوية أو دائرية في البلازما تسمى الجزر المغناطيسية.
"في العادة، تكون الجزر الموجودة في البلازما سيئة للغاية. إذا كانت الجزر كبيرة جدًا، فإن البلازما نفسها يمكن أن تحدث خللًا».
ومع ذلك، فقد عرف الباحثون بالفعل تجريبيًا أنه في ظل ظروف معينة، يمكن أن تكون الجزر مفيدة. الجزء الصعب هو إنشاء RMPs كبيرة بما يكفي لإنشاء الجزر. وهنا يأتي دور ECCD، وهو في الأساس حقن شعاع الموجات الميكروية. ووجد الباحثون أن إضافة ECCD إلى حافة البلازما يقلل من كمية التيار المطلوبة لتوليد RMPs اللازمة لصنع الجزر.
كما سمح حقن شعاع الميكروويف للباحثين بتحسين حجم الجزر لتحقيق أقصى قدر من استقرار حافة البلازما. مجازيًا، تعمل وحدات RMP كمفتاح إضاءة بسيط يقوم بتشغيل الجزر، بينما يعمل ECCD كمفتاح باهت إضافي يتيح للباحثين ضبط الجزر على الحجم المثالي لبلازما يمكن التحكم فيها.
وقال هو: "إن محاكاتنا تعمل على تحسين فهمنا للتفاعلات أثناء اللعب". "عندما تمت إضافة ECCD في نفس اتجاه التيار في البلازما، انخفض عرض الجزيرة، وزاد ضغط القاعدة. إن تطبيق ECCD في الاتجاه المعاكس أدى إلى نتائج معاكسة، مع زيادة عرض الجزيرة وانخفاض ضغط قاعدة التمثال أو تسهيل فتح الجزيرة.
ECCD على الحافة، بدلاً من القلب
البحث ملحوظ أيضًا لأنه تمت إضافة ECCD إلى حافة البلازما بدلاً من القلب، حيث يتم استخدامه عادةً.
قال هو: "عادة، يعتقد الناس أن تطبيق ECCD الموضعي على حافة البلازما أمر محفوف بالمخاطر لأن الموجات الدقيقة قد تلحق الضرر بالمكونات الموجودة في السفينة". "لقد أظهرنا أن هذا الأمر قابل للتنفيذ، وأظهرنا مرونة النهج. وقد يفتح هذا آفاقًا جديدة لتصميم الأجهزة المستقبلية.
من خلال خفض كمية التيار المطلوبة لتوليد RMPs، يمكن أن يؤدي عمل المحاكاة هذا في النهاية إلى خفض تكلفة إنتاج طاقة الاندماج في أجهزة الاندماج التجارية في المستقبل.