بهبود کارآیی گرمایش پلاسمای همجوشی هسته‌ای توسط دانشمندان آمریکایی با استفاده از صفحات فلزی
همجوشی هسته‌ای، واکنش قدرتمندی که به خورشید نیرو می‌دهد، پتانسیل ارائه انرژی پاک و فراوان بر روی زمین را نیز دارد.
به عنوان مثال، مقدار انرژی تولید شده توسط سوختن ۲۴۰۰ گالن نفت یا چند میلیون تن زغال‌سنگ می‌تواند با همجوشی تنها یک گرم دوتریوم-تریتیوم (نوعی سوخت همجوشی هسته‌ای) تولید شود، و آن هم بدون انتشار هیچ‌گونه گاز گلخانه‌ای.
به همین دلیل، دانشمندان در بسیاری از نقاط جهان تلاش می‌کنند تا واکنش‌های همجوشی را کاربردی کنند و مقیاس‌پذیر نمایند. با این حال، این کار به آن سادگی که به نظر می‌رسد نیست. برای یک واکنش همجوشی، لازم است که پلاسمایی تا صدها میلیون درجه سلسیوس گرم شود — این دما هفت تا هشت برابر بیشتر از دمای موجود در هسته خورشید است.
در ابتدا ممکن است گرم کردن پلاسما به چنین دماهای شدیدی غیرممکن به نظر برسد، اما مطالعه جدیدی از محققان در آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL) نشان می‌دهد که این کار با استفاده از یک صفحه فارادی قابل دستیابی است.
خلاصی از حالت‌های آهسته
یکی از روش‌ها که دانشمندان از آن برای گرم کردن پلاسما استفاده می‌کنند، گرم کردن موجی یا گرم کردن با فرکانس رادیویی (RF) نامیده می‌شود. این روش شامل استفاده از امواج الکترومغناطیسی برای افزایش دمای پلاسما است.
هنگامی که امواج با فرکانس بالا به سیستم تزریق می‌شوند، انرژی خود را به ذرات باردار داخل پلاسما منتقل می‌کنند، که باعث می‌شود آنها سریع‌تر حرکت کنند و بیشتر برخورد کنند، منجر به افزایش شدید در دمای پلاسما می‌شود.
این شبیه به عملکرد امواج در مایکروویو با مولکول‌های آب در غذا است. این امواج انرژی را به مولکول‌ها منتقل می‌کنند، که باعث لرزش سریع آنها می‌شود. این لرزش حرارت تولید می‌کند، که دمای غذا را بالا می‌برد.
اما این روش یک محدودیت دارد که مانع می‌شود پلاسما به دمای مورد نیاز برسد. گرم کردن RF همچنین باعث ایجاد امواج اضافی به غیر از آنهایی که پلاسما را گرم می‌کنند، می‌شود.
این امواج اضافی، به نام حالت‌های آهسته، موجب اتلاف انرژی و در نهایت کاهش دمای کلی پلاسم می‌شوند. نویسندگان مطالعه تعدادی شبیه‌سازی انجام دادند که تکنیکی را نشان می‌داد که قادر به غلبه بر حالت‌های آهسته بود.
“ما شبیه‌سازی‌های کامپیوتری انجام داده‌ایم که تکنیکی را تایید می‌کند که تولید امواج بی‌فایده، معروف به حالت‌های آهسته، را متوقف می‌کند و گرمای وارد شده به پلاسما و کارایی واکنش‌های همجوشی را افزایش می‌دهد.” تیم PPPL اشاره می‌کند .
صفحات فلزی خاص برای رسیدن به همجوشی
برای اولین بار، تیم PPPL تعدادی شبیه‌سازی دو‌بعدی برای پیدا کردن روشی برای کاهش حالت‌های آهسته انجام داد. در طول مطالعه خود، آنها کشف کردند که وقتی صفحات فارادی (که به قفس فارادی هم معروف است) در زوایای پنج درجه نسبت به آنتن‌هایی که امواج الکترومغناطیسی برای گرم کردن پلاسما تولید می‌کنند قرار می‌گیرند، حالت‌های آهسته تولید نمی‌شوند.
صفحه فارادی که از مواد رسانا، مانند فلز ساخته شده، به عنوان یک مانع حفاظتی که انتشار یا کاهش امواج الکترومغناطیسی را بلوکه می‌کند، عمل می‌کند.
شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که این صفحه اجازه می‌دهد امواج گرمایی با فرکانس پایین‌تر (به نام امواج هلیکن) از آنتن به پلاسما عبور کنند. با این حال، حالت‌های آهسته متوقف شدند.
مطالعات نشان دادند که هنگامی که صفحه فارادی در زاویه‌ای کمتر از پنج درجه از جهت‌گیری آنتن قرار دارد، صفحه در واقع حالت‌های آهسته را کوتاه می‌کند و آنها را به پایان می‌رساند پیش از آنکه به پلاسما نفوذ کنند.” نویسندگان مطالعه گفتند.
با این حال، هنگامی که زاویه صفحه بیشتر شد، فرکانس حالت آهسته نیز به شدت افزایش یافت. این مشاهده نشان داد که دمای پلاسما به جهت‌گیری صفحه فارادی بسیار حساس است.
محققان اکنون قصد دارند راه‌های دیگری برای محدود کردن حالت‌های آهسته کشف کنند. این تلاش‌ها رسیدن به دمای فوق‌العاده بالای مورد نیاز برای واکنش‌های همجوشی را آسان‌تر خواهد کرد.
این مطالعه در مجله Physics of Plasmas منتشر شده است.
