چگونه رژیم پلاسما با چگالی آزاد در توکاماک «ایست» چین، قوانین انرژی همجوشی تجاری را بازنویسی می‌کند

وعده انرژی همجوشی همیشه توسط یک سقف ریاضی سرسخت محدود شده است. برای تقریباً چهل سال، فیزیکدانانی که رآکتورهای توکاماک را طراحی می‌کردند، مجبور بودند به «حد گرینوالد» احترام بگذارند—یک مرز تجربی که دقیقاً تعیین می‌کرد یک پلاسمای فوق‌گرم شده قبل از اینکه به طور خشونت‌آمیزی ناپایدار شود، چقدر می‌تواند متراکم شود.[1][2]

این محدودیت، گلوگاه اساسی اقتصاد همجوشی است. از آنجایی که توان خروجی یک رآکتور همجوشی با مجذور چگالی پلاسمای آن مقیاس‌بندی می‌شود، محدود کردن چگالی به معنای محدود کردن توان است. برای به دست آوردن انرژی بیشتر، مهندسان در طول تاریخ مجبور بوده‌اند ماشین‌های بزرگ‌تر و گران‌تری بسازند.[3]

این الگو اکنون در حال تغییر است. در مقاله‌ای که در مجله «ساینس ادونسز» منتشر شد، محققانی که توکاماک ابررسانای پیشرفته تجربی (EAST) چین را اداره می‌کنند، نشان دادند که با موفقیت یک پلاسمای همجوشی را به یک «رژیم بدون محدودیت چگالی» سوق داده‌اند.[1][2]

تیم EAST با کنترل دقیق شرایط راه‌اندازی اولیه، پلاسمای پایداری را در چگالی‌هایی بین ۱.۳ و ۱.۶۵ برابر حد گرینوالد حفظ کردند. این دستاورد ثابت می‌کند که مانع چهار دهه‌ای، یک قانون تغییرناپذیر فیزیک نیست، بلکه یک محدودیت مهندسی است که می‌توان آن را دور زد.[1]

برای درک قابلیت واقعی که در اینجا نشان داده شده است، باید فراتر از زبان بازاریابی «خورشید مصنوعی» که اغلب به EAST نسبت داده می‌شود، نگاه کرد. این رآکتور توان خالص تولید نمی‌کند؛ بلکه یک بستر آزمایشی است که برای حل مشکلات فیزیکی خاصی طراحی شده که حبس مغناطیسی را به چالش می‌کشند.[2][3]

در داخل محفظه خلاء دونات‌شکل یک توکاماک، ایزوتوپ‌های هیدروژن تا دمای بیش از ۱۰۰ میلیون درجه سانتی‌گراد گرم می‌شوند. در این شرایط شدید، گاز به پلاسما تبدیل می‌شود. کویل‌های مغناطیسی قدرتمند دور محفظه پیچیده شده‌اند و یک قفس نامرئی ایجاد می‌کنند که از تماس پلاسمای فوق‌گرم شده با دیواره‌های فیزیکی جلوگیری می‌کند.[2]

فشرده کردن ذرات بیشتر در آن قفس مغناطیسی در گذشته خطرناک بوده است. هنگامی که چگالی پلاسما به حد گرینوالد نزدیک می‌شود، لبه پلاسما به سرعت شروع به سرد شدن می‌کند. این سرد شدن یک آبشار از ناپایداری‌های مغناطیسی را آغاز می‌کند و در نهایت باعث می‌شود پلاسما در یک اختلال مخرب به دیواره‌های رآکتور برخورد کند.[1]

برای دهه‌ها، طراحی‌های رآکتورها—از جمله پروژه عظیم ITER که در حال حاضر در فرانسه در حال ساخت است—به طور خاص برای کار ایمن در زیر این آستانه اندازه‌گیری شده‌اند. فرض بر این بود که چگالی‌های بالاتر به سادگی ممنوع هستند.[2][3]

این پیشرفت در EAST با استفاده از یک چارچوب نظری جدید به نام خودسازماندهی پلاسما-دیواره (PWSO) این فرض را به چالش می‌کشد. PWSO که توسط فیزیکدانان دانشگاه اکس-مارسی و آکادمی علوم چین پیشنهاد شده است، بیان می‌کند که محدودیت چگالی در واقع توسط ناخالصی‌هایی که از دیواره‌های رآکتور پاشیده می‌شوند و پلاسما را مسموم می‌کنند، ایجاد می‌شود.[1]

هنگامی که ذرات پرانرژی از قفس مغناطیسی فرار کرده و به کاشی‌های تنگستن پوشاننده رآکتور برخورد می‌کنند، اتم‌های فلز سنگین را جدا می‌کنند. این ناخالصی‌ها وارد پلاسما شده و گرما را از آن ساطع می‌کنند، لبه را سرد کرده و اختلال را آغاز می‌کنند.[1][3]

تیم EAST متوجه شد که اگر بتوانند از این پاشش اولیه جلوگیری کنند، ممکن است بتوانند به طور کامل محدودیت چگالی را دور بزنند. آنها با تغییر اساسی نحوه راه‌اندازی رآکتور به این هدف دست یافتند.[1]

به جای یک اشتعال استاندارد، محققان از تکنیکی به نام گرمایش تشدید سیکلوترون الکترونی (ECRH) همراه با فشار اولیه بالای گاز سوخت استفاده کردند. این ترکیب خاص، یک لایه محافظ و خنک‌تر از پلاسما را دقیقاً در مرز دیواره‌های تنگستن ایجاد کرد.[1]

این لایه مرزی به عنوان یک بافر عمل کرد و پاشش فیزیکی اتم‌های تنگستن را به شدت کاهش داد. بدون ورود ناخالصی‌های فلز سنگین، لبه پلاسما پایدار باقی ماند و به چگالی هسته اجازه داد تا به خوبی از حد گرینوالد فراتر رود.[1]

پیامدهای این امر برای همجوشی تجاری بسیار عمیق است، مشروط بر اینکه فیزیک در مقیاس بزرگ نیز صادق باشد. از آنجایی که توان همجوشی با مجذور چگالی مقیاس‌بندی می‌شود، کار در ۱.۶۵ برابر حد گرینوالد از نظر تئوری منجر به افزایش ۲.۷ برابری در توان خروجی حجمی می‌شود.[3]

در عمل، این بدان معناست که یک نیروگاه همجوشی تجاری آینده می‌تواند به طور قابل توجهی کوچک‌تر و ارزان‌تر ساخته شود، در حالی که دقیقاً همان مقدار برق را تولید می‌کند که یک رآکتور عظیم و محدود به گرینوالد تولید می‌کرد.[3]

با این حال، در مورد جدول زمانی، باید دوز سالمی از شک و تردید داشت. آزمایش‌های EAST ثابت کرد که می‌توان محدودیت چگالی را در یک حالت عملیاتی خاص شکست، اما مهندسان اکنون باید نشان دهند که این حالت با چگالی بالا می‌تواند همزمان با زمان‌های حبس انرژی بسیار بالا که برای تولید توان خالص مثبت مورد نیاز است، حفظ شود.[2][3]

علاوه بر این، مدیریت گرمای خروجی از پلاسمایی که ۲.۷ برابر قدرتمندتر است، به کلاس‌های کاملاً جدیدی از مواد مقاوم در برابر حرارت برای دایورتور رآکتور—جزئی که مواد زائد را از پلاسما استخراج می‌کند—نیاز دارد.[3]

با این وجود، مانع روانی شکسته شده است. حد گرینوالد دیگر یک سقف سخت نیست. با شتاب گرفتن رقابت جهانی برای تجاری‌سازی انرژی همجوشی، توانایی فشرده کردن سوخت بیشتر در آتش مغناطیسی، گامی حیاتی در جهت عملی کردن اقتصاد همجوشی است.[1][3]