رمزگشایی از معمای راکتورهای همجوشی: نقش حیاتی چرخش پلاسما

عملکرد راکتورهای همجوشی توکامک

در راکتورهای همجوشی از نوع توکامک، پلاسمای فوق‌العاده داغ (گازی متشکل از ذرات باردار) با استفاده از میدان‌های مغناطیسی قدرتمند در یک ساختار حلقوی شبیه به دونات محبوس می‌شود. هدف از این کار، فراهم آوردن شرایطی است که هسته‌های اتمی بتوانند با یکدیگر ترکیب شده و مقادیر عظیمی انرژی آزاد کنند. با این حال، حتی در بهینه‌ترین شرایط نیز، مقداری از این پلاسما از محفظه اصلی نشت می‌کند.

ذرات نشت‌کرده در امتداد خطوط میدان مغناطیسی حرکت کرده و به ناحیه‌ای به نام دیورتور می‌رسند. دیورتور یک بخش مهندسی‌شده است که وظیفه خروجی یا اگزوز راکتور را بر عهده دارد. در این بخش، ذرات به صفحات فلزی برخورد کرده، بخشی از انرژی خود را از دست می‌دهند و گاهی به صورت اتم‌های خنثی به پلاسما بازمی‌گردند که این فرآیند می‌تواند به سوخت‌رسانی مجدد واکنش همجوشی کمک کند.

معمای توزیع نامتقارن ذرات

با وجود اهمیت دیورتور، آزمایش‌های متعدد در توکامک‌ها نشان داده بود که توزیع این ذرات در دیورتور یکنواخت نیست؛ به طوری که تعداد بیشتری از آنها به هدف داخلی دیورتور برخورد می‌کنند تا بخش بیرونی. این عدم تقارن از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا مستقیماً بر موارد زیر تأثیر می‌گذارد:

• محل تمرکز گرما
• سرعت فرسایش مواد دیورتور
• قدرت مورد نیاز سیستم‌های خنک‌کننده در راکتورهای آینده

برای سال‌ها، توضیح رایج این پدیده به «رانش عرضی ذرات» نسبت داده می‌شد؛ یعنی حرکت جانبی ذرات در عرض خطوط میدان مغناطیسی. اما یک مشکل جدی وجود داشت: شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای که تنها این رانش‌ها را در نظر می‌گرفتند، قادر به بازتولید الگوی شدیدی که در آزمایش‌ها مشاهده می‌شد، نبودند. این عدم تطابق، پیش‌بینی عملکرد نسل بعدی راکتورها را با چالش مواجه می‌ساخت.

نقش کلیدی چرخش پلاسما در هسته

پژوهش جدید، عامل مهم دیگری را در این میان شناسایی کرده است: چرخش پلاسما در هسته توکامک. محققان با استفاده از کد شبیه‌سازی پیشرفته SOLPS-ITER، حرکت ذرات را تحت شرایط مختلف بررسی کردند. نتایج به وضوح نشان دادند که تنها زمانی که چرخش هسته پلاسما در کنار رانش‌های عرضی در مدل وارد می‌شود، شبیه‌سازی‌ها با داده‌های آزمایشگاهی همخوانی دقیق پیدا می‌کنند.

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

همخوانی شبیه‌سازی‌ها با واقعیت

زمانی که هر دو عامل – رانش عرضی و چرخش هسته پلاسما – در نظر گرفته شد، توزیع پیش‌بینی‌شده ذرات با مشاهدات آزمایشگاهی کاملاً همخوانی پیدا کرد و مشخص شد که اثر ترکیبی آنها بسیار قوی‌تر از هر کدام به تنهایی است. این یافته‌های بنیادی، پیامدهای مهمی برای طراحی راکتورهای همجوشی آینده دارد.

این پژوهش تأکید می‌کند که طراحان راکتورهای همجوشی باید تأثیر چرخش هسته پلاسما بر رفتار ذرات در لبه پلاسما را به طور جدی در نظر بگیرند. این دانش جدید می‌تواند به طراحی دیورتورهایی مقاوم‌تر و کارآمدتر کمک کند که قادر به تحمل شرایط عملیاتی واقعی و طولانی‌مدت باشند و گامی مهم در جهت دستیابی به انرژی همجوشی پایدار و پاک محسوب می‌شود.