در یک قدمی انرژی بی‌پایان/ پایان کابوس ذوب شدن راکتورهای هسته‌ای

تینا مزدکی_پژوهشگران مرکز ملی همجوشی DIII-D موفق شدند راهکاری برای یکی از بزرگترین چالش‌های مهندسی در مسیر دستیابی به انرژی همجوشی پیدا کنند: «تلفیق هسته و لبه» (Core-Edge Integration). این تیم روشی جدید برای رام کردن فوران‌های انرژی مخربی شناسایی کرده‌اند که پیش از این سلامت ساختاری نیروگاه‌های آینده را تهدید می‌کرد.

دانشمندان با کنترل دقیق چگالی بیرونی‌ترین لایه پلاسما، با موفقیت نشان دادند که می‌توان ناپایداری‌های بزرگ و آسیب‌رسان را سرکوب کرد، در حالی که همزمان عملکرد فوق‌العاده دمای هسته برای تولید انرژی حفظ می‌شود.

چالش همگام‌سازی هسته و لبه پلاسما

یک راکتور همجوشی برای تولید انرژی باید دمای هسته پلاسما را به میلیون‌ها درجه برساند. با این حال، این دمای فوق‌العاده محیطی ناپایدار ایجاد می‌کند که در آن پلاسما دچار پدیده‌ای به نام «مودهای موضعی لبه» (ELMs) می‌شود؛ انفجارهای ناگهانی و خشنی که مانند صاعقه‌های کوچک به دیواره‌های داخلی دستگاه برخورد می‌کنند.

برای اینکه یک نیروگاه تجاری بتواند در بلندمدت بدون ذوب شدن قطعات داخلی خود فعالیت کند، باید به حالت «تلفیق هسته و لبه» برسد؛ وضعیتی که در آن مرکز راکتور به اندازه کافی برای همجوشی داغ بماند، اما لبه‌های آن به قدری پایدار باشند که به «پوست» یا بدنه راکتور آسیبی نرسد.

راهکاری مبتنی بر فیزیک

اگرچه دانشمندان از دیرباز می‌دانستند که چگالی بالاتر در لبه پلاسما منجر به انفجارهای (ELM) کوچک‌تر می‌شود، اما فیزیک پشت این ماجرا یک معما بود. تیم DIII-D با استفاده از کد شبیه‌سازی پیشرفته ++BOUT، به رژیم خاصی دست یافتند که در آن چگالی بالا در لایه بیرونی (جایی که پلاسما با دیواره برخورد می‌کند)، ماهیت این ناپایداری‌ها را به طور بنیادی تغییر می‌دهد.

این مطالعه نشان داد که چگالی بالای لبه پلاسما، ناپایداری‌های بزرگ‌مقیاس را مهار کرده و در عوض، پالس‌های انرژی کوچک و بی‌خطری ایجاد می‌کند که تنها منجر به تلاطم‌های جزیی می‌شوند. نکته حیاتی اینجاست که برخلاف روش‌های قبلی که باعث نشت گرما و کاهش کارایی می‌شدند، این رویکرد جدید بازدهی بالای هسته را کاملاً حفظ می‌کند.

تأثیر بر راکتورهای نسل آینده

آزمایش‌های این تیم تأیید کرد که با شکل‌دهی به پروفایل چگالی پلاسما، می‌توان به طور پایدار در وضعیت «انفجارهای کوچک و قابل تحمل» باقی ماند. این دستاورد فراتر از یک پیشرفت تئوری، معیارهای تشخیصی کلیدی را برای کنترل لحظه‌ای (Real-time) در دستگاه‌های عظیمی مانند راکتور ایتر (ITER) فراهم کرده است.

محققان در بیانیه خود تأکید کردند: «این کار بینش‌های عملی برای طراحی نیروگاه‌های همجوشی آینده ارائه می‌دهد. تولید تجاری انرژی همجوشی به توانایی تولید پلاسمایی وابسته است که در لبه‌ها شار گرمایی کمی داشته باشد و در هسته، محصورشدگی بالایی را حفظ کند.»

با حل معمای تلفیق هسته و لبه، مرکز DIII-D عملاً علم همجوشی را از یک فیزیک آزمایشگاهی به سمت مهندسی کاربردی برای رسیدن به آینده‌ای با انرژی پاک و بدون کربن سوق داده است.

منبع: interestingengineering

۵۸۳۲۳