همجوشی هسته‌ای وارد فاز تازه‌ای شد!

استلاراتورها، از جمله گزینه‌های نویدبخش برای ساخت نیروگاه‌های همجوشی هسته‌ای در آینده هستند؛ نیروگاه‌هایی که می‌توانند با همجوشی هسته‌های سبک اتمی، انرژی تولید کنند.

به گزارش phys.org این فرآیند باید در محیطی پلاسما-مانند صورت گیرد؛ یعنی گاز یونیزه‌ای که تا دما‌های بالای ده‌ها میلیون درجه سلسیوس حرارت داده شده باشد.

دستگاه Wendelstein ۷-X که در مؤسسه فیزیک پلاسمای ماکس پلانک (IPP) در شهر گرافزوالد آلمان مستقر است، با پشتیبانی کنسرسیوم EUROfusion، بزرگ‌ترین و پیشرفته‌ترین استلاراتور در جهان محسوب می‌شود. هدف اصلی از طراحی این سامانه، نشان دادن قابلیت عملی استلاراتور‌ها برای دستیابی به شرایط مطلوب همجوشی است؛ مفهومی که می‌تواند مبنای طراحی نیروگاه‌های همجوشی در آینده قرار گیرد.

رکورد جهانی جدید در حاصل‌ضرب سه‌گانه با پالس‌های طولانی

در جریان کمپین آزمایشی OP ۲.۳ که در ۲۲ مه پایان یافت، تیم بین‌المللی W۷-X موفق شد به رکورد جهانی جدیدی در پارامتر حاصل‌ضرب سه‌گانه با پلاسما‌های طولانی‌مدت دست یابد: در روز پایانی، پلاسما به مدت ۴۳ ثانیه در شرایط بهینه حفظ شد که از عملکرد توکامک‌های ژاپنی و اروپایی در این زمینه پیشی گرفت.

در حالی که توکامک‌ها مانند JT۶۰U ژاپن (بازنشسته در سال ۲۰۰۸) و JET بریتانیا (بازنشسته در سال ۲۰۲۳) در پالس‌های کوتاه چندثانیه‌ای عملکرد بهتری دارند، در حوزه پالس‌های بلندمدت که برای کاربرد نیروگاهی حیاتی است، W۷-X اکنون پیشتاز شده است—با وجود آنکه JET سه برابر حجم پلاسما داشت.

توماس کلینگر، مدیر عملیات W۷-X می‌گوید: «این رکورد جدید، موفقیتی بزرگ برای تیم بین‌المللی است و نشان می‌دهد استلاراتور‌ها می‌توانند به سطح عملکرد توکامک‌ها برسند. این یک گام حیاتی در مسیر ساخت نیروگاه همجوشی است.»

نقش حیاتی تزریق‌گر گلوله‌ای پیشرفته ساخت آمریکا

دستیابی به این رکورد، نتیجه همکاری نزدیک تیم اروپایی W۷-X با آزمایشگاه ملی Oak Ridge آمریکا (ORNL) بود. این مرکز، سامانه پیشرفته‌ای برای تزریق گلوله‌های یخ‌زده هیدروژنی به پلاسما طراحی کرده است که امکان حفظ طولانی پلاسما از طریق «سوخت‌رسانی پیوسته» را فراهم می‌سازد.

در طول آزمایش، حدود ۹۰ گلوله یخ‌زده هیدروژن به اندازه هر کدام یک میلی‌متر، طی ۴۳ ثانیه به درون پلاسما تزریق شد، در حالی که هم‌زمان سیستم مایکروویو با توان بالا آن را گرم می‌کرد. این هماهنگی دقیق بین گرمایش و سوخت‌رسانی برای رسیدن به تعادل بهینه حیاتی بود.

برای نخستین‌بار، تزریق‌گر گلوله‌ای با نرخ پالس برنامه‌ریزی‌شده متغیر کار کرد؛ روشی که با دقت چشمگیر اجرا شد و به‌طور بالقوه می‌تواند زمان حفظ پلاسما را تا چند دقیقه افزایش دهد—موضوعی حیاتی برای آینده همجوشی.

در طول این آزمایش، دمای پلاسما به بیش از ۲۰ میلیون درجه سلسیوس و در اوج به ۳۰ میلیون درجه رسید. در یک مجموعه آزمایش دیگر، دمای یون‌ها حتی به ۴۰ میلیون درجه نیز افزایش یافت.

دستاورد‌های دیگر کمپین OP ۲.۳

۱. افزایش انرژی کل تبادل‌شده به ۱.۸ گیگاژول در طول پالس ۳۶۰ ثانیه‌ای (رکورد قبلی: ۱.۳ گیگاژول در فوریه ۲۰۲۳).

۲. نسبت فشار پلاسما به فشار مغناطیسی (β) برای اولین بار در تمام حجم پلاسما به ۳٪ رسید. در این آزمایش، شدت میدان مغناطیسی عمداً تا ۷۰٪ کاهش یافت تا فشار پلاسما افزایش یابد. برای رسیدن به شرایط نیروگاه، این نسبت باید به ۴ تا ۵ درصد برسد.

حاصل‌ضرب سه‌گانه چیست؟

حاصل‌ضرب سه‌گانه (n·T·𝜏)، یا معیار لاوسون، شاخص کلیدی برای دستیابی به همجوشی انرژی‌زا است.

برای آنکه راکتور همجوشی بتواند انرژی بیشتری از آنچه برای گرمایش مصرف می‌شود تولید کند، حاصل‌ضرب باید به حد آستانه زیر برسد:

> n·T·𝜏 ≥ ۳ × ۱۰²¹ (m⁻³·keV·s)

سه مؤلفه اصلی آن:

n: چگالی ذرات پلاسما

T: دمای یون‌های درگیر در واکنش

𝜏: زمان محصورسازی انرژی (یعنی مدت زمانی که پلاسما می‌تواند گرما را در خود نگه دارد بدون تزریق انرژی خارجی)

سیستم تزریق گلوله‌ای؛ شاهکار فناوری همجوشی

از سپتامبر ۲۰۲۴، تزریق‌گر گلوله‌ای ساخت ORNL به‌طور کامل وارد فاز عملیاتی شد. این سامانه، رشته‌ای از هیدروژن یخ‌زده با قطر ۳ میلی‌متر تولید می‌کند که به قطعات استوانه‌ای به طول ۳.۲ میلی‌متر تقسیم و با سرعت ۳۰۰ تا ۸۰۰ متر بر ثانیه به سمت پلاسما پرتاب می‌شوند.

روبرت ولف، رئیس بخش بهینه‌سازی و گرمایش استلاراتور در IPP می‌گوید: «این رکورد‌ها فقط عدد نیستند. آنها نمایانگر پیشرفت واقعی در اعتباربخشی به مفهوم استلاراتور هستند—و این تنها با همکاری بی‌نظیر بین‌المللی ممکن شد.»

انتهای پیام/