תיאור מטפורי של אמן של פלזמה היתוך במיקרוגל, עם טוסטר ברקע. קרדיט: קייל פאלמר / מחלקת התקשורת של PPPL
גילוף נתיב חדש קדימה עבור כלי היתוך קומפקטיים.
כמה מומחים מאמינים שעתיד ההיתוך בארה"ב עשוי להימצא בכלי היתוך כדוריים קומפקטיים. טוקאמק קטן יותר נתפס כפתרון פוטנציאלי חסכוני יותר לאנרגיית היתוך. האתגר טמון בהתאמת כל הרכיבים הדרושים לחלל מוגבל. מחקרים אחרונים מצביעים על כך שהסרת מרכיב מפתח אחד המשמש לחימום פְּלַסמָה יכול ליצור את השטח הנוסף הנדרש.
מדענים במעבדת הפיזיקה לפזמה של פרינסטון (PPPL) של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE), החברה הפרטית Tokamak Energy ואוניברסיטת קיושו ביפן הציעו תכנון למפעל פיילוט קומפקטי וכדורי היתוך המחמם את הפלזמה באמצעות גלי מיקרו בלבד. בדרך כלל, טוקאמקים כדוריים משתמשים גם בסליל מסיבי של חוטי נחושת הנקרא סולנואיד, הממוקם ליד מרכז הכלי, כדי לחמם את הפלזמה. לעתים קרובות נעשה שימוש גם בהזרקת קרן ניטרלית, הכוללת הפעלת אלומות של חלקיקים לא טעונים על הפלזמה. אבל בדומה למטבח זעיר קל יותר לעצב אם יש בו פחות מכשירי חשמל, זה יהיה פשוט וחסכוני יותר לייצר טוקאמק קומפקטי אם יש לו פחות מערכות חימום.
הגישה החדשה מבטלת את החימום האוהמי, שהוא אותו חימום שמתרחש בטוסטר והוא סטנדרטי בטוקאמקים. "פלזמת טוקאמק קומפקטית וכדורית נראית כמו תפוח בעל ליבה עם ליבה קטנה יחסית, כך שאין מקום לסליל חימום אוהם", אמר מסאיוקי אונו, פיזיקאי מחקר ראשי ב- PPPL והמחבר הראשי של המאמר המפרט את המחקר החדש. "אם לא נצטרך לכלול סליל חימום אוהם, כנראה שנוכל לתכנן מכונה שקל יותר וזולה יותר לבנייה."
זיהוי זווית האלומה האידיאלית ומצב החימום
גלי מיקרו הם סוג של קרינה אלקטרומגנטית שניתן להפיק באמצעות מכשיר המכונה ג'ירוטרון. הג'ירוטרונים היו יושבים בצד החיצוני של הטוקמק – באופן מטפורי, ממש מחוץ לעור התפוח – מכוונים לכיוון הליבה. כאשר הג'ירוטרונים פולטו גלים רבי עוצמה לתוך הפלזמה, הם היו יוצרים זרם על ידי הזזת חלקיקים בעלי מטען שלילי הידוע כאלקטרונים. תהליך זה, המכונה כונן זרם ציקלוטרון אלקטרוני (ECCD), גם מניע זרם ומחמם את הפלזמה. תהליך החימום אינו פשוט כמו רק הפעלת כמה ג'ירוטרונים. החוקרים צריכים לדגמן תרחישים שונים ולקבוע פרטים שונים, כמו הזווית הטובה ביותר לכוון את הג'ירוטרונים כך שגלי המיקרו יחדרו לפלסמה כראוי.
באמצעות קוד מחשב בשם TORAY יחד עם קוד שנקרא TRANSP, הצוות סרק את זוויות הכוונה וראה מה נותן את היעילות הגבוהה ביותר. המטרה היא להשתמש בכמה שפחות כוח כדי להניע את הזרם הדרוש. "כמו כן, אתה צריך לנסות להימנע מכל הכוח שאתה מכניס לפלזמה שיחזור החוצה", אמר ג'ק ברקרי, מחבר שותף בעיתון וסגן מנהל המחקר של הניסוי הלאומי לכדורי טורוס- שדרוג (NSTX-U). זה יכול לקרות כאשר גלי המיקרו משתקפים מהפלזמה או כאשר הם נכנסים לפלזמה אך יוצאים מבלי לשנות את הזרם או הטמפרטורה של הפלזמה. "היו הרבה סריקות של פרמטרים שונים כדי למצוא את הפתרון הטוב ביותר", אמר ברקרי.
צוות המחקר גם קבע איזה מצב של ECCD יעבוד הכי טוב עבור כל שלב בתהליך החימום. ישנם שני מצבים: מצב רגיל, המכונה מצב O, ומצב יוצא דופן, המכונה מצב X. החוקרים רואים במצב X את ההתאמה הטובה ביותר להגברת הטמפרטורה והזרם של הפלזמה, בעוד שמצב O הוא הבחירה הטובה ביותר לאחר ההגברה, כאשר פשוט צריך לשמור על טמפרטורת הפלזמה והזרם.
"מצב O טוב לפלזמה בטמפרטורה גבוהה ובצפיפות גבוהה. אבל גילינו שיעילות מצב O הופכת ירודה מאוד בטמפרטורות נמוכות יותר, אז אתה צריך משהו אחר כדי לטפל במשטר הטמפרטורות הנמוכות", אמר אונו.
בהתחשב בהשפעה של זיהומים
המחברים, כולל החוקר הפוסט-דוקטורט קג'אל שאה, חקרו גם כיצד הכוח יקרין מהפלזמה. קרינה כזו יכולה להיות משמעותית בפלזמה גדולה כמו זו הדרושה להיתוך מסחרי. לואיס דלגדו-אפריסיו, ראש המחלקה לפרויקטים מתקדמים במעבדה ומחבר שותף במאמר, מציין כי יהיה חשוב במיוחד למזער את מספר הזיהומים מיסודות בעלי מספר אטומי גבוה, הידוע גם כ-Z מספר, בטבלה המחזורית. אלו הם היסודות עם חלקיקים רבים בעלי מטען חיובי, הידועים בשם פרוטונים. ככל שליסוד יש יותר פרוטונים, מספר ה-Z שלו גבוה יותר והוא יכול לתרום יותר לאיבוד חום. לטונגסטן ולמוליבדן, למשל, יש מספרי Z, כך שהשימוש בהם בתוך טוקאמק כדורי קומפקטי יצטרך להישקל בקפידה תוך עין להפעלת הכור בדרכים שיפחיתו את העברת הטומאה לתוך הפלזמה.
בעוד שהשדות המגנטיים החזקים מגבילים במידה רבה את הפלזמה בתוך טוקאמק בצורה מסוימת, לפעמים פלזמה יכולה להתקרב לקירות הפנימיים של הטוקמק. "כשזה קורה, אטומים מהקירות יכולים להתנתק ולהיכנס לפלזמה, לקרר אותה", אמר דלגדו-אפריסיו. "אפילו כמות קטנה יחסית של יסוד עם מספר Z גבוה יכולה לגרום לטמפרטורה של הפלזמה להתקרר באופן משמעותי." לכן, חשוב במיוחד להרחיק זיהומים מהפלזמה – ככל האפשר – במיוחד בזמן שהטמפרטורה עדיין עולה.
שותפויות פרטיות-ציבוריות: עתיד ההיתוך
הדמיות החימום הן חלק מפרויקט עיצוב המכונה הכור המתקדם של Tokamak Spherical Tokamak או STAR. הפרויקט הוא יוזמה אסטרטגית לפיתוח תוכניות לתחנת כוח פיילוט. ברקרי אמר כי הפרויקט מספק לחוקרי PPPL הזדמנות ליישם את המומחיות שלהם בפיזיקה, הנדסה ועבודה עם קודי המחשב להדמיות היתוך תוך עבודה בשיתוף עם חברות פרטיות על התוכניות שלהם לתחנות כוח היתוך עם עיצוב טוקאמק כדורי.
ולדימיר שבצ'נקו, מחבר שותף בעיתון ויועץ טכני בכיר ב-Tokamak Energy, אמר כי הוא מתכנן לבצע ניסויים בסוף השנה הבאה בכלי ההיתוך של החברה, ST40, כדי להשוות לתוצאות הסימולציה שהוצגו במאמר. "למערכות חימום אחרות יש בעיות מאוד מאוד רציניות", אמר שבצ'נקו. "אני רואה בזה את העתיד של מערכות החימום של Tokamak."
שבצ'נקו חושב שהפרויקט מרוויח מהשותפות הציבורית-פרטית בין PPPL ו-Tokamak Energy, אחת החברות שנבחרו לתוכנית פיתוח היתוך מבוסס אבני דרך של DOE. "לPPPL יש הרבה מומחים מנוסים בתחומים שונים הקשורים לפיזיקת פלזמה וטכנולוגיות טוקאמק. התרומה שלהם במונחים של דוגמנות וייעוץ היא בעלת ערך רב עבור חברה פרטית כמו Tokamak Energy", אמר.
חוקרי PPPL אחרים בפרויקט זה כוללים את Nicola Bertelli, Syun'ichi Shiraiwa, Jon Menard ו-Álvaro Sánchez Villar. מחקר זה הושלם עם מימון מה-DOE תחת חוזה מספר DE-AC02-09CH11466.
