توکامک EAST چین محدودیت چگالی پلاسما را در هم شکست و چشم‌انداز انرژی همجوشی را بهبود بخشید

وعده همجوشی هسته‌ای، جهانی است که توسط همان واکنشی که سوخت ستارگان را تأمین می‌کند، نیرو می‌گیرد—یک منبع انرژی پاک و تقریباً نامحدود که گازهای گلخانه‌ای تولید نمی‌کند و حداقل ضایعات را به جا می‌گذارد. اگر با موفقیت مهار شود، اساساً اقتصاد جهانی انرژی و استراتژی اقلیمی را بازنویسی خواهد کرد و یک منبع انرژی پایه را فراهم می‌کند که به آب و هوا یا سوخت‌های فسیلی وابسته نیست.

اما برای دهه‌ها، مسیر همجوشی تجاری توسط یک مانع فیزیکی خسته‌کننده مسدود شده است. اگر مهندسان پلاسمای فوق‌داغ یک راکتور را بیش از حد متراکم کنند، به شدت ناپایدار می‌شود، واکنش را متوقف می‌کند و به طور بالقوه به دستگاه آسیب می‌رساند. اکنون، این مانع شکسته شده است. محققانی که توکامک ابررسانای پیشرفته آزمایشی چین (EAST) را در هفئی اداره می‌کنند، با موفقیت پلاسما را با چگالی‌هایی تا ۶۵ درصد بالاتر از حداکثر نظری، که به عنوان حد گرین‌والد شناخته می‌شود، حفظ کرده‌اند.[1][2][3]

این دستاورد که در مطالعه‌ای منتشر شده در Science Advances و پیش‌چاپ شده در arXiv شرح داده شده است، اولین باری است که یک توکامک به طور قابل اعتماد وارد «رژیم بدون چگالی» شده است بدون اینکه اختلالات شدیدی را که معمولاً آزمایش‌ها را متوقف می‌کنند، ایجاد کند. برای درک مکانیسم این پیشرفت، بهتر است نگاهی به نحوه عملکرد واقعی یک توکامک بیندازیم.

این راکتورهای عظیم، دونات‌شکل، از میدان‌های مغناطیسی فوق‌العاده قدرتمند برای محصور کردن یک حلقه چرخشی پلاسما استفاده می‌کنند و آن را تا دماهایی بیش از ۱۰۰ میلیون درجه سانتیگراد گرم می‌کنند—چندین برابر داغ‌تر از هسته خورشید. هدف نهایی این است که اتم‌های هیدروژن را مجبور به برخورد و همجوشی کنیم و مقادیر عظیمی انرژی آزاد شود.[2][3][4]

از آنجایی که قدرت همجوشی تقریباً متناسب با مربع چگالی پلاسما است، متراکم کردن ذرات بیشتر در مسیر مغناطیسی، مستقیم‌ترین و مؤثرترین راه برای افزایش خروجی انرژی یک راکتور است. با این حال، از سال ۱۹۸۸، مهندسان همجوشی با این فرض کار کرده‌اند که حد گرین‌والد—یک سقف مشاهده‌شده تجربی بر چگالی پلاسما—یک قانون فیزیکی سخت است که نمی‌توان با خیال راحت از آن عبور کرد.

هنگامی که اپراتورها تلاش می‌کنند از این آستانه فراتر روند، پلاسما شروع به تابش بیش از حد انرژی به دیواره‌های داخلی راکتور می‌کند و لبه‌های بیرونی حلقه پلاسما به سرعت سرد می‌شوند.[1][4]

این سرمایش ناگهانی، محصورسازی مغناطیسی را که ماده فوق‌داغ را نگه می‌دارد، تضعیف می‌کند و به پلاسما اجازه می‌دهد از قفس نامرئی خود فرار کرده و به سرعت فرو بپاشد. به دلیل این پدیده، توکامک‌های مدرن معمولاً به صورت محافظه‌کارانه عمل می‌کنند، به طوری که چگالی پلاسما به شدت بین ۸۰ تا ۱۰۰ درصد حد گرین‌والد حفظ می‌شود تا از خاموشی‌های فاجعه‌بار و آسیب به اجزای داخلی حساس راکتور جلوگیری شود.

تیم EAST، به رهبری فیزیکدانان آکادمی علوم چین و دانشگاه علم و فناوری هواژونگ، فرض کردند که این حد یک قانون بنیادی طبیعت نیست، بلکه یک مشکل قابل کنترل در تعامل پلاسما با دیواره است.[1][2][3][4]

آنها آزمایشی را بر اساس یک مدل نظری از خودسازماندهی مرزی طراحی کردند، با هدف هدایت عمدی نحوه رفتار پلاسما هنگام راه‌اندازی راکتور. با تنظیم دقیق فشار گاز سوخت اولیه و اعمال یک انفجار هدفمند از امواج مایکروویو—تکنیکی که به عنوان گرمایش تشدید سیکلوترون الکترونی شناخته می‌شود—آنها فرکانسی را که الکترون‌ها در پلاسما انرژی جذب می‌کردند، تغییر دادند. این کنترل دقیق یک مرز پلاسمای خنک‌تر ایجاد کرد که به طور چشمگیری تعداد ناخالصی‌های تنگستن جدا شده از دیواره‌های راکتور و مخلوط شده در سوخت چرخشی را کاهش داد.[1][2][3][4]

با وجود ناخالصی‌های فلزات سنگین کمتر که گرما را از هسته دور می‌کنند، مرز پلاسما حتی با افزایش چگالی به طور قابل توجهی پایدار باقی ماند. تیم تحقیقاتی با موفقیت چگالی الکترون میانگین خطی را بین ۱٫۳ تا ۱٫۶۵ برابر حد گرین‌والد حفظ کرد و بسیار فراتر از محدوده عملیاتی معمول توکامک رفت.

داده‌ها تأیید کردند که پلاسما وارد یک حالت عملیاتی جدید و پایدار شده است، و ثابت کردند که می‌توان از سقف چگالی دیرینه با خیال راحت عبور کرد، اگر تعاملات اولیه بین پلاسما و دیواره راکتور با دقت مدیریت شود.[1][2][3][4]

در حالی که این نتایج یک جهش بزرگ رو به جلو برای این حوزه است، فیزیکدانان هشدار می‌دهند که این بدان معنا نیست که پلاسمای محصور شده مغناطیسی اکنون می‌تواند با چگالی نامحدود کار کند. داده‌ها صراحتاً پایداری را تنها در این پنجره ضریب خاص ۱٫۳ تا ۱٫۶۵ ثابت می‌کنند و هنوز مشخص نیست که اگر محققان تلاش کنند چگالی را حتی بالاتر ببرند، چه ناپایداری‌های جدید و پیش‌بینی نشده‌ای ممکن است ایجاد شود.

علاوه بر این، آزمایش‌های EAST تحت شرایط راه‌اندازی بسیار خاص و با استفاده از محیط دیواره تمام فلزی انجام شد. «رژیم بدون چگالی» تازه کشف شده باید هنوز در مدت زمان‌های بسیار طولانی‌تر و در راکتورهای نسل بعدی بزرگ‌تر آزمایش شود تا مقیاس‌پذیری آن ثابت شود.[1][3]

با وجود این، یافته‌های EAST اساساً مفروضات ریاضی زیربنای مهندسی همجوشی را تغییر می‌دهد. برای دهه‌ها، مهندسان اندازه ماشین‌ها را تعیین کرده و حاشیه‌های ایمنی را بر اساس حد گرین‌والد تنظیم کرده‌اند. اگر نیروگاه‌های آینده بتوانند به طور قابل اعتماد در این چگالی‌های بالاتر کار کنند، می‌توانند به طور قابل توجهی انرژی بیشتری نسبت به مدل‌های قبلی برای حجم معینی از پلاسما تولید کنند.

این افزایش کارایی می‌تواند امکان طراحی راکتورهای تجاری کوچک‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر را فراهم کند، هزینه‌های سرمایه‌ای هنگفت مرتبط با ساخت زیرساخت‌های همجوشی را کاهش دهد و به طور بالقوه سال‌ها از جدول زمانی قرار دادن انرژی همجوشی در شبکه بکاهد.[1][2][3][4]