אמנות יפנית עתיקה מעוררת השראה לפריצת דרך בכור ההיתוך של הדור הבא

מדענים מנצלים את הפגמים בשדות מגנטיים כדי לשפר את ההיתוך פְּלַסמָה.

באמנות היפנית של Kintsugi, אמן לוקח את השברים השבורים של קערה ומחבר אותם בחזרה עם זהב כדי להפוך את המוצר הסופי ליפה יותר מהמקור.

הרעיון הזה מעורר גישה חדשה לניהול פלזמה, המצב הסופר-חם של החומר, לשימוש כמקור כוח. מדענים משתמשים בחוסר השלמות בשדות מגנטיים המגבילים תגובה כדי לשפר ולשפר את הפלזמה בגישה המתוארת במאמר חדש בכתב העת תקשורת טבע.

"גישה זו מאפשרת לך לשמור על פלזמה בעלת ביצועים גבוהים, לשלוט בחוסר יציבות בליבה ובקצה הפלזמה בו זמנית. שליטה בו-זמנית חשובה במיוחד וקשה לביצוע. זה מה שהופך את העבודה הזו למיוחדת", אמר ג'וזף סנייפס מהמעבדה לפיזיקת פלזמה בפרינסטון (DOE) של משרד האנרגיה האמריקני (PPPL). הוא סגן ראש המחלקה למדע ניסיוני של PPPL של PPPL והיה שותף למחבר המאמר.

הפיזיקאי PPPL Seong-Moo Yang הוביל את צוות המחקר, המשתרע על פני מוסדות שונים בארה"ב ובדרום קוריאה. יאנג אומר שזו הפעם הראשונה שצוות מחקר כלשהו מאשר גישה שיטתית להתאמת פגמי שדה מגנטי כדי להפוך את הפלזמה למתאימה לשימוש כמקור כוח. פגמי שדה מגנטי אלו ידועים כשדות שגיאה.

"השיטה החדשה שלנו מזהה תיקוני שדות אופטימליים, ומשפרת את יציבות הפלזמה", אמר יאנג. "שיטה זו הוכחה כמשפרת את יציבות הפלזמה בתנאי פלזמה שונים, למשל, כאשר הפלזמה הייתה בתנאים של כליאה מגנטית גבוהה ונמוכה."

https://youtu.be/sfZlCK_5dsQ?t=5397
יאנג מציג מחקר ב-DOE National Research SLAM.

שגיאות שקשה לתקן

שדות שגיאה נגרמים בדרך כלל על ידי פגמים זעירים בסלילים המגנטיים של המכשיר שמחזיק את הפלזמה, הנקרא טוקאמק. עד כה, שדות שגיאה נתפסו רק כמטרד מכיוון שאפילו שדה שגיאה קטן מאוד עלול לגרום לשיבוש פלזמה שעוצר תגובות היתוך ועלול לפגוע בדפנות של כלי היתוך. כתוצאה מכך, חוקרי היתוך השקיעו זמן רב ומאמץ רב במציאת דרכים לתיקון שדות שגיאה.

"די קשה לחסל שדות שגיאה קיימים, אז במקום לתקן את אי סדרי הסליל האלה, אנחנו יכולים להחיל שדות מגנטיים נוספים המקיפים את כלי ההיתוך בתהליך המכונה תיקון שדות שגיאה", אמר יאנג.

בעבר, גישה זו הייתה פוגעת גם בליבת הפלזמה, מה שהופך את הפלזמה לבלתי מתאימה לייצור כוח היתוך. הפעם, החוקרים הצליחו לחסל חוסר יציבות בקצה הפלזמה ולשמור על יציבות הליבה. המחקר הוא דוגמה מצוינת לאופן שבו חוקרי PPPL מגשרים על הפער בין טכנולוגיית ההיתוך של ימינו לבין מה שיידרש כדי להביא כוח היתוך לרשת החשמל.

"זו למעשה דרך יעילה מאוד לשבור את הסימטריה של המערכת, כך שבני אדם יכולים לדרדר בכוונה את הכליאה. זה כמו ליצור חור זעיר מאוד בבלון כדי שהוא לא יתפוצץ", אמר SangKeun Kim, מדען מחקר ב-PPPL ומחבר שותף במאמר. בדיוק כפי שאוויר היה דולף מתוך חור קטן בבלון, כמות זעירה של פלזמה דולפת החוצה משדה השגיאה, מה שעוזר לשמור על היציבות הכללית שלו.

ניהול הליבה והקצה של הפלזמה בו זמנית

אחד החלקים הקשים ביותר בניהול תגובת היתוך הוא לגרום הן לליבה והן לקצה הפלזמה להתנהג בו זמנית. ישנם אזורים אידיאליים עבור הטמפרטורה והצפיפות של הפלזמה בשני האזורים, והפגיעה במטרות הללו תוך ביטול אי היציבות היא קשה.

מחקר זה מדגים כי התאמת שדות השגיאה יכולה לייצב בו זמנית גם את הליבה וגם את קצה הפלזמה. על ידי שליטה קפדנית בשדות המגנטיים המיוצרים על ידי סלילי הטוקאמק, החוקרים יכולים לדכא אי יציבות של הקצוות, הידועים גם כמצבי קצה מקומיים (ELMs), מבלי לגרום להפרעות או לאובדן מהותי של כליאה.

"אנחנו מנסים להגן על המכשיר", אמר פיזיקאי המחקר של צוות PPPL צ'ימינג הו, מחבר המאמר.

הרחבת המחקר מעבר ל-KSTAR

המחקר נערך באמצעות KSTAR tokamak בדרום קוריאה, אשר בולט ביכולתו להתאים את תצורת שדה השגיאה המגנטי שלו בגמישות רבה. יכולת זו חיונית לניסויים בתצורות שונות של שדות שגיאות כדי למצוא את היעילות ביותר לייצוב הפלזמה.

החוקרים אומרים שלגישתם יש השלכות משמעותיות על התכנון של מפעלי פיילוט היתוך עתידיים של טוקאמק, מה שעלול להפוך אותם ליעילים ואמינים יותר. כרגע הם עובדים על גרסת בינה מלאכותית (AI) של מערכת הבקרה שלהם כדי להפוך אותה ליעילה יותר.

"המודלים האלה מורכבים למדי; לוקח להם קצת זמן לחשב. אבל כשאתה רוצה לעשות משהו במערכת בקרה בזמן אמת, אתה יכול להרשות לעצמך רק כמה אלפיות שניות לבצע חישוב", אמר סנייפס. "באמצעות AI, אתה בעצם יכול ללמד את המערכת למה לצפות ולהיות מסוגל להשתמש בבינה המלאכותית הזו כדי לחזות מראש מה יהיה נחוץ כדי לשלוט בפלזמה וכיצד ליישם אותה בזמן אמת."

בעוד המאמר החדש שלהם מדגיש עבודה שנעשתה באמצעות סלילים מגנטיים פנימיים של KSTAR, הו מציע שמחקר עתידי עם סלילים מגנטיים מחוץ לכלי ההיתוך יהיה בעל ערך מכיוון שקהילת ההיתוך מתרחקת מהרעיון של שיכון סלילים כאלה בתוך הכלי האטום בוואקום בגלל ההרס הפוטנציאלי של רכיבים כאלה מהחום הקיצוני של הפלזמה.

חוקרים ממכון קוריאה לאנרגיית היתוך (KFE), אוניברסיטת קולומביהוגם האוניברסיטה הלאומית של סיאול היו חלק בלתי נפרד מהפרויקט.

המחקר נתמך על ידי: משרד האנרגיה האמריקאי תחת חוזה מספר DE-AC02-09CH11466; משרד המדע והתקשוב במסגרת תוכנית KFE R&D "שיתוף פעולה ניסיוני ומחקר פלזמה היתוך (KFE-EN2401-15)"; מענק קרן המחקר הלאומי (NRF) מס' RS-2023-00281272 במימון משרד המדע, המידע והתקשורת הקוריאני וקרן הסטארט-אפ החדשה של הפקולטה מהאוניברסיטה הלאומית של סיאול; ה-NRF במסגרת מענקים מס' 2019R1F1A1057545 ומספר 2022R1F1A1073863; התוכנית הלאומית למחקר ופיתוח באמצעות ה-NRF במימון משרד המדע והתקשוב (NRF-2019R1A2C1010757).