پیشرفت چشمگیر چین در پروژه «خورشید مصنوعی»: شکستن محدودیت چگالی پلاسما

پژوهشگران چینی در یک گام بلند علمی، موفق به غلبه بر یکی از مهم‌ترین چالش‌های دیرینه در مسیر دستیابی به انرژی همجوشی هسته‌ای شده‌اند. تیم تحقیقاتی پروژه «خورشید مصنوعی» یا همان دستگاه توکامک ابررسانای پیشرفته آزمایشی (EAST)، اعلام کرده است که توانسته‌اند راکتور خود را فراتر از یک حد بحرانی چگالی پلاسما به کار گیرند؛ محدودیتی که برای دهه‌ها آزمایش‌های همجوشی هسته‌ای را به چالش کشیده بود. این دستاورد، افق‌های جدیدی را برای بهبود بهره‌وری و پایداری راکتورهای همجوشی در آینده می‌گشاید.

پروژه خورشید مصنوعی چین: گامی بلند در همجوشی هسته‌ای

پروژه EAST، که اغلب از آن به عنوان «خورشید مصنوعی چین» یاد می‌شود، یک توکامک پیشرفته است که در شهر هفئی مستقر شده است. این دستگاه با بهره‌گیری از آهنرباهای ابررسانا، پلاسمای با دمای فوق‌العاده بالا را محصور می‌کند. از نظر علمی، افزایش چگالی پلاسما به معنای افزایش تعداد واکنش‌های همجوشی است که می‌تواند انرژی بیشتری تولید کند. با این حال، مشکل اصلی اینجاست که در اغلب توکامک‌ها، افزایش بیش از حد چگالی منجر به بروز ناپایداری‌های شدید شده و در نهایت پلاسما با دیواره‌های داخلی راکتور تماس پیدا کرده و فرو می‌پاشد. این محدودیت فیزیکی به طور سنتی با عنوان حد گرینوالد شناخته می‌شود.

راز غلبه بر محدودیت چگالی پلاسما

تیم پژوهشی EAST بر این باور است که مسئله صرفاً به میزان چگالی پلاسما محدود نمی‌شود. بر اساس توضیحات پژوهشگران مؤسسه فیزیک پلاسما وابسته به آکادمی علوم چین، حد چگالی ارتباط تنگاتنگی با ورود ناخالصی‌ها به درون پلاسما دارد. به ویژه، ذرات فلزی که از دیواره‌های داخلی راکتور آزاد می‌شوند، نقش کلیدی در این پدیده ایفا می‌کنند. در این میان، عنصر تنگستن، که به طور گسترده در تجهیزات همجوشی مورد استفاده قرار می‌گیرد، به عنوان یکی از عوامل اصلی این مشکل شناسایی شده است.

مدل PWSO و راهکارهای نوین

برای درک بهتر این پدیده و کنترل مؤثر آن، پژوهشگران مدلی با عنوان «Boundary Plasma-Wall Interaction Self-Organization» (به‌اختصار PWSO) توسعه دادند. این نظریه سپس بر روی دستگاه EAST مورد آزمایش قرار گرفت. تیم تحقیقاتی با استفاده از:

• گرمایش تشدید سیکلوترونی الکترونی
• یک روش راه‌اندازی گاز از پیش باردار شده

توانستند تأثیر تنگستن در لبه پلاسما را به طور قابل توجهی کاهش دهند. این تغییرات کلیدی، مسیر را برای دستیابی به شرایط پایدار هموار کرد.

ناحیه آزاد چگالی پایدار

با کنترل دقیق‌تر سطح ناخالصی‌ها، پلاسما توانست وارد وضعیتی شود که پژوهشگران از آن به عنوان «ناحیه آزاد چگالی پایدار» یاد می‌کنند. در این حالت، سامانه بدون ایجاد آشفتگی و ناپایداری، فراتر از حد سنتی چگالی عمل می‌کند. نتایج تجربی به دست آمده، تطابق بسیار نزدیکی با پیش‌بینی‌های مدل PWSO نشان داد که اعتبار این رویکرد جدید را تأیید می‌کند.

آینده انرژی همجوشی

این یافته‌ها که در مجله معتبر Science Advances منتشر شده‌اند، راهنمایی‌های جدید و ارزشمندی برای طراحی راکتورهای همجوشی با چگالی بالا در آینده ارائه می‌دهند. هرچند تولید تجاری انرژی همجوشی همچنان یک هدف بلندمدت محسوب می‌شود، این پژوهش یکی از چالش‌های عملی مهمی را که تاکنون موجب کند شدن پیشرفت همجوشی با محصورسازی مغناطیسی شده بود، حل کرده است. این پیشرفت، گامی حیاتی در مسیر دستیابی به منبع انرژی پاک و تقریباً نامحدود آینده به شمار می‌رود.