دانشمندان معمای ۷۰ ساله همجوشی را حل کردند و راه را برای انرژی پاک هموار کردند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دانشمندان تکنیک جدید و قدرتمندی را برای غلبه بر یک مانع بزرگ در انرژی همجوشی هسته‌ای توسعه داده‌اند: توانایی مهار دقیق ذرات پرانرژی در راکتور‌های همجوشی.

با استفاده از نظریه تقارن به جای روش‌های مرسوم کندتر و کم‌اعتبارتر، محققان میانبری ایجاد کرده‌اند که امکان طراحی سیستم‌های مغناطیسی ضد نشت را ۱۰ برابر سریع‌تر فراهم می‌کند.

دستیابی به انرژی همجوشی به واقعیت نزدیک‌تر می‌شود

رویای انرژی همجوشی فراوان، مقرون به صرفه و پاک، به تازگی رونق زیادی گرفته است. تیمی از دانشمندان دانشگاه تگزاس در آستین، آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و گروه انرژی نوع یک به موفقیت بزرگی دست یافته‌اند که می‌تواند مسیر دستیابی به انرژی همجوشی عملی را تسریع کند.

یکی از بزرگترین موانع در انرژی همجوشی، کشف چگونگی به دام انداختن ذرات پرانرژی درون راکتور‌های همجوشی بوده است. این ذرات که ذرات آلفا نامیده می‌شوند، تمایل به نشت دارند و باعث می‌شوند پلاسما نتواند به اندازه کافی داغ و متراکم بماند تا واکنش همجوشی ادامه یابد. مهندسان از میدان‌های مغناطیسی قدرتمند برای مهار پلاسما استفاده می‌کنند، اما یافتن و رفع شکاف‌ها در این میدان‌ها به قدرت محاسباتی و زمان بسیار زیادی نیاز دارد.

یک راهکار ده برابر سریع‌تر برای استلاریتور‌ها

اکنون، همانطور که در Physical Review Letters منتشر شده است، این تیم یک میانبر کشف کرده است. روش جدید آنها به مهندسان کمک می‌کند تا سیستم‌های محصورسازی مغناطیسی، به ویژه برای نوعی راکتور به نام استلاراتور، را ۱۰ برابر سریع‌تر از روش استاندارد و بدون کاهش دقت طراحی کنند. این یک جهش بزرگ رو به جلو برای تحقیقات همجوشی است.

جاش بوربی، استادیار فیزیک در دانشگاه تگزاس و نویسنده اول مقاله، گفت: «هیجان‌انگیزترین چیز این است که ما در حال حل چیزی هستیم که تقریباً ۷۰ سال یک مشکل حل نشده بوده است. این یک تغییر الگو در نحوه طراحی این راکتور‌ها است.»

پیچیدگی طراحی بطری مغناطیسی

یک استلاراتور از سیم‌پیچ‌های خارجی حامل جریان‌های الکتریکی استفاده می‌کند که میدان‌های مغناطیسی ایجاد می‌کنند تا پلاسما و ذرات پرانرژی را محصور کنند. این سیستم محصورسازی اغلب به عنوان «بطری مغناطیسی» توصیف می‌شود.

راهی برای شناسایی محل سوراخ‌ها در بطری مغناطیسی با استفاده از قوانین حرکت نیوتن وجود دارد که بسیار دقیق است، اما زمان محاسباتی بسیار زیادی را می‌طلبد. بدتر از آن، برای طراحی یک استلاراتور، دانشمندان ممکن است نیاز به شبیه‌سازی صد‌ها یا هزاران طرح کمی متفاوت، تغییر چیدمان سیم‌پیچ‌های مغناطیسی و تکرار برای حذف سوراخ‌ها داشته باشند - فرآیندی که علاوه بر آن به حجم محاسباتی بسیار بالایی نیاز دارد.

نظریه تقارن: رویکردی متحول‌کننده

بنابراین، برای صرفه‌جویی در زمان و هزینه، دانشمندان و مهندسان معمولاً از روش ساده‌تری برای تخمین محل حفره‌ها استفاده می‌کنند که از رویکردی به نام نظریه اختلال استفاده می‌کند. اما این روش دقت بسیار کمتری دارد و همین امر توسعه استلاریتور‌ها را کند کرده است. روش جدید به نظریه تقارن متکی است که روش متفاوتی برای درک سیستم است.

بوربی گفت: «در حال حاضر هیچ راه عملی برای یافتن پاسخ نظری به سوال محدودیت ذرات آلفا بدون نتایج ما وجود ندارد. اعمال مستقیم قوانین نیوتن بسیار پرهزینه است. روش‌های اختلال خطا‌های فاحشی را مرتکب می‌شوند. نظریه ما اولین نظریه‌ای است که از این مشکلات دوری می‌کند.»

فراتر از استلاریتورها: کمک به طراحی توکامک‌ها 

این روش جدید همچنین می‌تواند به یک مشکل مشابه، اما متفاوت در یکی دیگر از طراحی‌های محبوب راکتور همجوشی مغناطیسی به نام توکامک کمک کند. در آن طراحی، مشکلی با الکترون‌های فراری وجود دارد - الکترون‌های پرانرژی که می‌توانند سوراخی در دیواره‌های اطراف ایجاد کنند. این روش جدید می‌تواند به شناسایی سوراخ‌هایی در میدان مغناطیسی که ممکن است این الکترون‌ها از آنجا نشت کنند، کمک کند.

مرجع: «مدل مرکز هدایت غیراختلالی برای پلاسما‌های مغناطیسی» نوشته‌ی جی. دبلیو. بوربی، آی.‌ای. مالدونادو،‌ام. روث، دی.‌ای. مسنجر و ال. کارباجال، ۳۰ آوریل ۲۰۲۵، Physical Review Letters.

DOI: ۱۰.۱۱۰۳/PhysRevLett.۱۳۴.۱۷۵۱۰۱

نویسندگان همکار بربی از دانشگاه تگزاس، مکس روث، محقق پسادکترا و ایوان مالدونادو، دانشجوی کارشناسی ارشد هستند. دیگر نویسندگان عبارتند از دن مسنجر، دانشجوی پسادکترا در لوس آلاموس، و لئوپولدو کارباخال، دانشمند محاسباتی و دانشمند داده در گروه انرژی نوع یک، شرکتی که قصد ساخت استلاریتور برای تولید برق را دارد.

این کار با حمایت وزارت انرژی ایالات متحده انجام شد.