חוקרי מעבדת הפיזיקה לפזמה של פרינסטון שילבו באופן חדשני כונן זרם ציקלוטרון אלקטרוני והפרעות מגנטיות תהודה כדי לשפר את בקרת הפלזמה בתהליכי היתוך, פוטנציאלית להפחית את עלויות אנרגיית ההיתוך ולהתגבר על אתגרים הקשורים במצבים הממוקמים בקצה. קרדיט: twoday.co.il.com
חוקרים מדמים בהצלחה שיטת שילוב חדשנית לניהול היתוך פְּלַסמָה.
בחיפושם המתמשך לפתח מגוון שיטות לניהול פלזמה כך שניתן יהיה להשתמש בה לייצור חשמל בתהליך המכונה היתוך, חוקרים במעבדת הפיזיקה הפלזמה של פרינסטון (PPPL) של משרד האנרגיה האמריקני (DOE) הראו כיצד שניים ישנים ניתן לשלב שיטות כדי לספק גמישות רבה יותר.
בעוד ששתי השיטות – הידועות ככונן זרם ציקלוטרון אלקטרוני (ECCD) והפעלת הפרעות מגנטיות תהודה (RMP) – נחקרו זה מכבר, זו הפעם הראשונה שחוקרים מדמים כיצד ניתן להשתמש בהן יחד כדי לתת שליטה משופרת בפלזמה.
"זה סוג של רעיון חדש", אמר צ'ימינג הו, פיזיקאי מחקר בצוות PPPL ומחבר ראשי של מאמר חדש שפורסם בכתב העת היתוך גרעיני על העבודה, שגם הוכחה בניסוי. "היכולות המלאות עדיין נמצאות בפיתוח, אבל המאמר שלנו עושה עבודה נהדרת לקדם את ההבנה שלנו לגבי היתרונות הפוטנציאליים."
בסופו של דבר, מדענים מקווים להשתמש בהיתוך כדי לייצר חשמל. ראשית, הם יצטרכו להתגבר על מספר מכשולים, כולל שכלול שיטות למזעור התפרצויות של חלקיקים מהפלזמה, הידועים כ-Edge-localized modes (ELMs).
"לעיתים, ההתפרצויות האלה משחררות מעט לחץ כי זה יותר מדי. אבל ההתפרצויות האלה עלולות להיות מסוכנות", אמר הו, שעובד עבור PPPL במתקן ההיתוך הלאומי DIII-D, מתקן משתמש של DOE המתארח על ידי General Atomics. DIII-D הוא טוקאמק, מכשיר המשתמש בשדות מגנטיים כדי להגביל פלזמה היתוך בצורת סופגניה. ELMs יכולים לסיים תגובת היתוך ואף לפגוע בטוקאמק, ולכן חוקרים פיתחו דרכים רבות לנסות להימנע מהם.
"הדרך הטובה ביותר שמצאנו להימנע מהם היא על ידי הפעלת הפרעות מגנטיות תהודה, או RMPs, שיוצרות שדות מגנטיים נוספים", אמר פיזיקאי המחקר הראשי של PPPL אלסנדרו בורטלון, שהיה אחד ממחברי המאמר.
ייצוג אמנותי של איים מגנטיים. קרדיט: קייל פאלמר / מחלקת התקשורת של PPPL
שדות מגנטיים יוצרים איים, מיקרוגלים מתאימים אותם
השדות המגנטיים המופעלים בתחילה על ידי הטוקאמק מתפתלים סביב הפלזמה בצורת טורוס, הן בדרך הארוכה – מסביב לקצה החיצוני, והן בדרך הקצרה – מהקצה החיצוני ודרך החור המרכזי. השדות המגנטיים הנוספים שנוצרו על ידי ה-RMP עוברים דרך הפלזמה, נארגים פנימה והחוצה כמו תפר של ביוב. שדות אלו מייצרים שדות מגנטיים סגלגלים או מעגליים בפלזמה הנקראים איים מגנטיים.
"בדרך כלל, איים בפלזמות הם ממש ממש גרועים. אם האיים גדולים מדי, הפלזמה עצמה עלולה לשבש."
עם זאת, החוקרים כבר ידעו בניסוי שבתנאים מסוימים, האיים יכולים להועיל. החלק הקשה הוא לייצר RMPs גדול מספיק כדי ליצור את האיים. זה המקום שבו ה-ECCD, שהוא בעצם הזרקת קרן מיקרוגל, נכנס לתמונה. החוקרים גילו שהוספת ECCD לקצה הפלזמה מורידה את כמות הזרם הנדרשת ליצירת ה-RMPs הדרושים ליצירת האיים.
התמונה משמאל מציגה את ההפרעות המגנטיות של טוקאמק והתלת-ממד שנוצרות על-ידי סלילים תלת-ממדיים, כאשר הגוונים הסגולים-כחולים מייצגים הפרעות באמפליטודה נמוכה יותר והאדום מייצג הפרעות באמפליטודה גבוהה יותר. התמונה מימין היא מבט מקרוב יותר המראה את המחצית העליונה של הטוקאמק והפלזמה. הסלילים משמשים ליצירת הפרעות השדה המגנטי המייצרות את האיים (כחול). סליל נוסף ניתן למצוא גם בתחתית המכונה. מערכת ההזרקה לגלי המיקרו ECCD מתוארת למעלה (אדום). ניתן להשתמש בהם כדי להתאים את רוחב האיים. קרדיט: Qiming Hu / PPPL
הזרקת קרן המיקרוגל גם אפשרה לחוקרים לשכלל את גודל האיים ליציבות קצה פלזמה מקסימלית. באופן מטפורי, RMPs פועלים כמו מתג אור פשוט שמדליק את האיים, בעוד שה-ECCD פועל כמו מתג עמעם נוסף המאפשר לחוקרים להתאים את האיים לגודל האידיאלי עבור פלזמה ניתנת לניהול.
"הסימולציה שלנו מחדדת את ההבנה שלנו לגבי האינטראקציות במשחק", אמר הו. "כאשר ה-ECCD התווסף באותו כיוון של הזרם בפלזמה, רוחב האי ירד, ולחץ הכן עלה. יישום ה-ECCD בכיוון ההפוך הניב תוצאות הפוכות, כאשר רוחב האי גדל ולחץ הכן יורד או מקל על פתיחת האי."
ECCD בקצה, במקום הליבה
המחקר בולט גם מכיוון ש-ECCD נוספה לקצה הפלזמה במקום הליבה, שם היא משמשת בדרך כלל.
"בדרך כלל, אנשים חושבים שיישום ECCD מקומי בקצה הפלזמה מסוכן מכיוון שגלי המיקרו עלולים לפגוע ברכיבים בתוך הכלי", אמר הו. "הראינו שזה בר ביצוע, והוכחנו את הגמישות של הגישה. זה עשוי לפתוח אפיקים חדשים לעיצוב מכשירים עתידיים."
על ידי הפחתת כמות הזרם הנדרשת ליצירת ה-RMPs, עבודת הדמייה זו יכולה להוביל בסופו של דבר להורדת העלות של ייצור אנרגיית היתוך בהתקני היתוך בקנה מידה מסחרי של העתיד.
עבודה זו מומנה על ידי ה-DOE תחת מספרי הפרס DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698, DE-SC0022270 ו-DE-AC52-07NA27344. המחבר Qingquan Yu נתמך חלקית על ידי פרויקט EUROfusion Enabling Research (CfP-FSD-AWP24-ENR). עבודתו בוצעה במסגרת קונסורציום EUROfusion, הממומן על ידי האיחוד האירופי באמצעות מענק Euratom Research and Training Program מספר 101052200.
