رقابت همجوشی هسته‌ای: استلاراتورهای «انعطاف‌پذیر» می‌توانند به ایالات متحده برتری نسبت به چین دهند
تیمی متشکل از ۲۴ فیزیکدان از مؤسسات برتر تحقیقاتی پلاسما در ایالات متحده یک سند سفید منتشر کرده‌اند و پیشنهاد کرده‌اند که اگر ایالات متحده می‌خواهد در فناوری همجوشی هسته‌ای پیشرو بماند، باید یک مرکز استلاراتور «انعطاف‌پذیر» بسازد که می‌تواند به توسعه نیروگاه همجوشی در آینده منجر شود.
در حال حاضر، هیچ تأسیساتی در کشور وجود ندارد که پژوهشگران بتوانند نظریه‌ها و مفاهیم مرتبط با نیروگاه‌های آزمایشی همجوشی را مورد آزمایش قرار دهند.
نویسندگان مطالعه (سند سفید) گفتند: «به همین دلیل، ما یک مرکز استلاراتور متوسط و انعطاف‌پذیر جدید برای مطالعات محصور سازی و دیورتر پیشنهاد می‌کنیم که این پیشرفت‌های نظری را تأیید کند و مبنای فیزیکی مورد نیاز صنعت همجوشی را ارائه دهد.»
پیشنهادات این مطالعه برای ایالات متحده اهمیت زیادی دارد، به‌ویژه با توجه به اینکه چین و روسیه فعالانه در حال پیشبرد فناوری‌های همجوشی هسته‌ای خود هستند.
توکاماک‌ها در برابر استلاراتورها
تحقیقات همجوشی هسته‌ای با استفاده از دو نوع دستگاه انجام می‌شود: توکاماک‌ها و استلاراتورها. این دستگاه‌ها می‌توانند پلاسما داغ را محبوس کرده و شرایط مورد نیاز برای واکنش‌های همجوشی هسته‌ای را ایجاد کنند.
دانشمندان این واکنش‌ها را مطالعه می‌کنند تا بهتر درک کنند که همجوشی هسته‌ای چیست و چه شرایطی لازم است تا یک نیروگاه همجوشی کار کند.
اگرچه هر دو دستگاه توکاماک و استلاراتور از میدان‌های مغناطیسی برای محصور سازی و دستکاری پلاسما استفاده می‌کنند، اما این دو دستگاه یکسان نیستند. توکاماک‌ها دستگاه‌هایی به شکل دونات بزرگ هستند که از میدان مغناطیسی توری استفاده می‌کنند. آن‌ها در تنظیم دمای پلاسما عملکرد بسیار خوبی دارند.
از سوی دیگر، استلاراتورها طراحی پیچیده‌ای دارند که شامل مجموعه‌ای از کویل‌های پیچیده‌ای است که به شکل پیچ در اطراف محفظه توری می‌پیچند. آن‌ها از میدان‌های مغناطیسی پیچ به منظور محصور سازی پلاسما استفاده می‌کنند.
در مقایسه با توکاماک‌ها، استلاراتورها به دلیل هندسه پیچیده‌شان ساخت و تراز دقیق آن‌ها دشوارتر است. با این حال، آن‌ها پایداری بیشتری دارند زیرا برخلاف توکاماک‌ها، برای تولید میدان مغناطیسی به جریان پلاسما قابل‌توجهی نیاز ندارند.
چرا وقتی توکاماک‌ها وجود دارند، استلاراتور بسازیم؟
نویسنده اصلی سند سفید، فلیکس پارا دیاز پیشنهاد می‌کند که استلاراتورها و توکاماک‌ها «نزدیک‌ترین اقوام هم هستند و بسیاری از جنبه‌های مشترک را دارند. کشفیات فیزیکی که به یکی از آن‌ها سود می‌رساند، عموماً برای دیگری نیز جالب است.»
ایالات متحده دارای بسیاری از توکاماک‌های بسیار کارآمد مانند DII-D و NSTX-U است، اما برای حمایت از پیشرفت‌هایی که این دستگاه‌ها انجام داده‌اند، این کشور همچنین نیاز به استلاراتور انعطاف‌پذیری دارد که بتواند بر تنظیمات آزمایشی مختلف تنظیم شود.
نویسندگان این مطالعه افزودند: «ما باید یک برنامه استلاراتور قانع‌کننده‌ای به موازات برنامه توکاماک راه‌اندازی کنیم. از آنجا که اگر پیش‌بینی‌های نظری تأیید شوند و تکنیک‌ها و استراتژی‌های بهینه‌سازی نوآورانه به‌خوبی کار کنند، استلاراتور به عنوان مسیر بهتری برای یک رآکتور اثبات خواهد شد.»
همچنین آن‌ها رویکرد دو مرحله‌ای برای توسعه مرکز استلاراتور انعطاف‌پذیر پیشنهاد می‌کنند. مرحله اول که «کاوش» نامیده می‌شود، بر یافتن پیکربندی مغناطیسی که منجر به کمترین تلاطم و بهینه‌ترین محصور سازی می‌شود تمرکز خواهد کرد.
در مرحله دوم یا مرحله «بهره‌برداری»، سیستم‌های مدیریت برق و حرارت به روز می‌شوند. این تغییرات بر اساس یافته‌های مرحله اول انجام خواهد شد.
نویسندگان این مطالعه افزودند: «اگر این پیشرفت‌ها تحقق یابند، به طراحی‌های استلاراتور هزینه‌موثر با محصور سازی مشابه توکاماک‌ها منجر خواهد شد اما بدون چالش‌های اساسی مانند اختلالات و رانش جریان.»
یک مرکز استلاراتور انعطاف‌پذیر چیزی نیست که بتوان آن را یک شبه تاسیس کرد. به گفته پژوهشگران، این پروژه حداقل شش تا نه سال زمان می‌برد تا تکمیل و عملیاتی شود.
با این حال، زمانی که فعال شود، چنین مرکزی «به برنامه ملی تحقیقاتی همجوشی ما امکان خواهد داد تا تخصص را در دانشگاه‌ها، آزمایشگاه‌های ملی و صنعت خصوصی استفاده کند، انعطاف‌پذیری برای پیگیری برنامه تحقیقاتی گسترده و دسترسی آزمایشی ایمن را فراهم کند.»
این مطالعه در arXiv منتشر شده است.
