راز قدیمی راکتور‌های همجوشی فاش شد

دانشمندان با شبیه‌سازی‌های جدید توانسته‌اند یکی از معما‌های قدیمی در عملکرد راکتور‌های همجوشی را توضیح دهند؛ این که چرا ذرات پلاسما در بخش خروجی راکتور به‌طور نامتقارن توزیع می‌شوند. نتایج این پژوهش در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.

در راکتور‌های همجوشی نوع توکامک پلاسما (یعنی گازی بسیار داغ از ذرات باردار) با استفاده از میدان‌های مغناطیسی در ساختاری حلقه‌ای شبیه دونات نگه داشته می‌شود تا هسته‌های اتمی بتوانند با هم ترکیب شده و انرژی آزاد کنند. با این حال حتی در بهترین شرایط نیز بخشی از این پلاسما از محفظه اصلی نشت می‌کند. ذرات نشت‌کرده در امتداد خطوط میدان مغناطیسی حرکت کرده و به بخشی به نام دیورتور می‌رسند؛ ناحیه‌ای مهندسی‌شده که نقش خروجی یا اگزوز راکتور را ایفا می‌کند.

به گزارش sciencedaily، در این بخش ذرات به صفحات فلزی برخورد می‌کنند، بخشی از انرژی خود را از دست می‌دهند و گاهی به صورت اتم‌های خنثی به پلاسما بازمی‌گردند؛ فرآیندی که حتی می‌تواند به سوخت‌رسانی دوباره واکنش همجوشی کمک کند. با این حال آزمایش‌های متعدد در توکامک‌ها نشان داده‌اند که توزیع این ذرات یکنواخت نیست و تعداد بیشتری از آنها به هدف داخلی دیورتور برخورد می‌کنند تا بخش بیرونی.

این عدم تقارن اهمیت زیادی دارد، زیرا محل برخورد ذرات تعیین می‌کند که گرما در کجا متمرکز شود، مواد چه‌قدر سریع فرسوده شوند و سیستم‌های خنک‌کننده در راکتور‌های آینده تا چه اندازه باید قدرتمند باشند. برای سال‌ها توضیح رایج این پدیده به رانش عرضی ذرات نسبت داده می‌شد؛ یعنی حرکت جانبی ذرات در عرض خطوط میدان مغناطیسی.

با وجود منطقی بودن این توضیح یک مشکل جدی وجود داشت: شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای که تنها این رانش‌ها را در نظر می‌گرفتند قادر نبودند همان الگوی شدیدی را که در آزمایش‌ها مشاهده می‌شد بازتولید کنند. همین موضوع باعث می‌شد پیش‌بینی عملکرد نسل بعدی راکتور‌ها دشوار باشد.

پژوهش جدید نشان می‌دهد عامل مهم دیگری در این میان نقش دارد: چرخش پلاسما در هسته توکامک. محققان با استفاده از کد شبیه‌سازی SOLPS-ITER بررسی کردند که ذرات تحت شرایط مختلف چگونه حرکت می‌کنند. نتایج نشان داد زمانی که چرخش هسته پلاسما در کنار رانش‌های عرضی در مدل وارد می‌شود، شبیه‌سازی‌ها با داده‌های آزمایشگاهی همخوانی پیدا می‌کنند.

به گفته Eric Emdee پژوهشگر آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون در وزارت انرژی آمریکا جریان حرکت ذرات در پلاسما دو بخش دارد: حرکت عرضی در میان خطوط میدان مغناطیسی و حرکت موازی در امتداد این خطوط. بررسی جدید نشان می‌دهد جریان موازی که از چرخش پلاسما در هسته ناشی می‌شود، نقشی به همان اندازه مهم در ایجاد این عدم تقارن دارد.

برای آزمودن این فرضیه پژوهشگران شرایط پلاسما را در توکامک DIII-D در ایالت کالیفرنیا شبیه‌سازی کردند. آنها چهار سناریوی مختلف را بررسی کردند و اثرات رانش عرضی و چرخش پلاسما را به‌طور جداگانه و ترکیبی تحلیل کردند. نتایج نشان داد تا زمانی که سرعت واقعی چرخش هسته پلاسما (حدود ۸۸.۴ کیلومتر بر ثانیه) در مدل وارد نشود شبیه‌سازی‌ها با داده‌های تجربی مطابقت ندارند.

زمانی که هر دو عامل در نظر گرفته شد توزیع پیش‌بینی‌شده ذرات با مشاهدات آزمایشگاهی همخوانی پیدا کرد و مشخص شد اثر ترکیبی آنها بسیار قوی‌تر از هر کدام به‌تنهایی است. این یافته‌ها نشان می‌دهد طراحی راکتور‌های همجوشی آینده باید تاثیر چرخش هسته پلاسما بر رفتار ذرات در لبه پلاسما را در نظر بگیرد؛ موضوعی که می‌تواند به طراحی دیورتور‌هایی مقاوم‌تر و کارآمدتر برای شرایط عملیاتی واقعی کمک کند.

انتهای پیام/