علماء الفيزياء البلازمية يستخدمون العيوب المغناطيسية لتعزيز تفاعل الاندماج

أطلق فريق العمل بمختبر فيزياء البلازما بجامعة برينستون (PPPL) فكرة تعبر عن فن الكينتسوجي الياباني، حيث يقوم الفنان بأخذ شظايا محطمة من وعاء ويجمعها معًا بالذهب ليخلق منتجًا نهائيًا أجمل من الأصلي.

صورة بواسطة: مختبر فيزياء البلازما بجامعة برينستون. انقر هنا للمزيد من الصور.

تلهم هذه الفكرة نهجًا جديدًا لإدارة البلازما، الحالة الفائقة الحرارة للمادة، لاستخدامها كمصدر للطاقة عن طريق ابتكار مصاهر.

يقوم العلماء بـ استغلال العيوب في حقول المغناطيس التي تحتجز التفاعل من أجل تحسين وتعزيز البلازما بمنهج موجز في ورقة بحثية جديدة نُشرت في مجلة Nature Communications.

وأوضح جوزيف سنايبس، نائب رئيس قسم علم التجربة بجهاز توكاماك في مختبر فيزياء البلازما بجامعة برينستون وأحد مؤلفي الورقة، قائلًا: "يسمح لك هذا النهج بالحفاظ على بلازما عالية الأداء، متحكمًا في عدم الاستقرار في نواة البلازما وحافتها في نفس الوقت. هذا التحكم المتزامن مهم للغاية وصعب التحقيق. هذا هو ما يميز عملنا."

قاد الفيزيائي في مختبر فيزياء البلازما بجامعة برينستون، سونغ-موو يانغ، فريق البحث الذي يمتد عبر مؤسسات مختلفة في الولايات المتحدة وكوريا الجنوبية. ويقول يانغ إن هذه هي المرة الأولى التي يثبت فيها أي فريق بحثي نهجًا منهجيًا لتخصيص عيوب حقول المغناطيس لجعل البلازما صالحة للاستخدام كمصدر للطاقة.

وأضاف يانغ: "طريقتنا الجديدة تحدد الإصلاحات الأمثل لحقول أخطاء المغناطيس، معززة استقرار البلازما. هذه الطريقة ثبت أنها تعزز استقرار البلازما تحت شروط مختلفة، على سبيل المثال، كنظرائها عندما كانت البلازما تحت شروط الاحتجاز المغناطيسي العالي والمنخفض."

الأخطاء التي صعب تصحيحها

تُسبب عيوب المغناطس عادةً عيوبًا صغيرة في لفائف المغناطيس في الجهاز الذي يحتجز البلازما، والذي يُسمى توكاماك.

وحتى الآن، كانت حقول الأخطاء تُعتبر مزعجة لأنها حتى لو كانت صغيرة جدًا، يمكن أن تتسبب في تعطيل البلازما مما يوقف تفاعلات الاندماج ويمكن أن تلحق أضرارًا بجدران الوعاء المستخدم في اندماج البلازما. ونتيجة لذلك، قضى الباحثون في مجال الاندماج وقتًا كبيرًا وجهدًا في العثور على طرق لتصحيح حقول الأخطاء بكل دقة.

ويقول يانغ: "من الصعب جدًا التخلص من الحقول الأخطاء الحالية، لذلك بدلاً من إصلاح هذه الشوائب في اللفائف، يمكننا تطبيق حقول مغناطيسية إضافية حول الوعاء المستخدم في اندماج البلازما في عملية تُعرف باسم تصحيح حقول الأخطاء."

وفي الماضي، كان هذا النهج سيضر أيضًا بنواة البلازما، مما يجعل البلازما غير صالحة لإنتاج طاقة الاندماج. وهذه المرة، تمكن الباحثون من القضاء على عدم الاستقرار عند حافة البلازما والحفاظ على استقرار النواة. البحث هو مثال رئيسي على كيفية تقديم الباحثون في مختبر فيزياء البلازما بجامعة برينستون للتقنيات الحديثة للاندماج وما سيكون مطلوبًا لجلب طاقة الاندماج إلى الشبكة الكهربائية في المستقبل.

أوضح سانجكيون كيم، عالم أبحاث في مختبر فيزياء البلازما بجامعة برينستون وأحد مؤلفي الورقة: "هذه بالفعل طريقة فعالة لكسر تماثل النظام، حتى يمكن للبشر تدمير الاحتجاز عمدًا. إنه مثل عمل فتحة صغيرة جدًا في بالون حتى لا ينفجر." تمامًا كما يُفقد الهواء من فتحة صغيرة في البالون، فإن كمية صغيرة من البلازما تتسرب من حقل الخطأ، مما يساعد في الحفاظ على استقرارها العام.

إدارة نواة البلازما وحافة البلازما متزامنةً

أحد أصعب أجزاء إدارة تفاعل الاندماج هو جعل النواة وحافة البلازما تتصرفان في نفس الوقت. هناك مناطق مثالية لدرجة الحرارة وكثافة البلازما في كلا المنطقتين، وضرب تلك المستهدفة مع القضاء على عدم الاستقرار كان أمرًا صعبًا.

تظهر هذه الدراسة أن تعديل حقول الأخطاء يمكن أن يثبت بشكل متزامن استقرار النواة وحافة البلازما. من خلال التحكم بعناية في الحقول المغناطيسية الناتجة عن لفائف التوكاماك، يمكن للباحثين كبح عدم الاستقرار في الحواف، المعروفة أيضًا باسم "طرق التموضع المحلية على الحافة"، من دون أن يسببوا اضطرابات أو فقدان كبير للاحتجاز.

أشار قيمينغ هو، عالم في مختبر فيزياء البلازما بجامعة برينستون وأحد مؤلفي الورقة، قائلًا: "نحن نحاول حماية الجهاز."

مواصلة البحث خارج كاستار

تم إجراء البحث باستخدام توكاماك كاستار في كوريا الجنوبية، الذي يتميز بقدرته على ضبط تكوين حقوله الأخطاء المغناطيسية بمرونة كبيرة. هذه القدرة حاسمة لإجراء تجارب على تكوينات حقول الأخطاء المختلفة للعثور على الأكثر فعالية لاستقرار البلازما.

يقول الباحثون إن نهجهم يحمل آثارًا كبيرة في تصميم مصانع البلازما توكاماك المستقبلية، مما قد يجعلها أكثر كفاءة وموثوقية. وهم يعملون حاليًا على نسخة منظومة التحكم بالذكاء الاصطناعي لجعلها أكثر كفاءة.

ويقول سنايبس: "هذه النماذج معقدة إلى حد ما؛ تأخذ وقتًا لحسابها. ولكن عندما تريد أن تفعل شيئًا في نظام التحكم في الزمن الحقيقي، يمكنك أن تحتمل فقط بضعة ميلي ثانية للقيام بحساب. باستخدام الذكاء الاصطناعي، يمكنك تعليم النظام بأن يتوقع ما سيحدث وأن تستخدم تلك الذكاء الاصطناعي للتنبؤ مسبقًا بما سيكون من الضروري للتحكم في البلازما وكيفية تنفيذه في الزمن الحقيقي."

وبينما يسلط البحث الجديد الضوء على العمل الذي تم باستخدام لفائف المغناطيس الداخلية لتوكاماك كاستار، يقترح هو مواصلة البحث في المستقبل باستخدام لفائف مغناطيسية خارجية لوعاء الاندماج بسبب انتقال مجتمع الاندماج بعيدًا عن فكرة وضع مثل هذه اللفائف داخل الوعاء المختوم بالفراغ بسبب تدمير هذه المكونات المحتمل من حرارة البلازما القوية.

شارك في المشروع باحثون عن معهد الطاقة النووية في كوريا (KFE)، جامعة كولومبيا وجامعة سول الوطنية.

**

مع توفير تشكيلة كبيرة من الأجهزة التي تحاول الحفاظ على البلازما في مكانها لفترة كافية لدخول عملية الاندماج والبقاء على هذا النحو - كل معرفة يمكن اكتسابها تستحق الجهد. إن التحكم بالبلازما هو نشاط صعب للغاية. إن تحقيق مهارة كافية في تجنب البلازما لبدء عملية الاندماج والاستمرار فيها واستخراج الطاقة الصافية س