أعد تكوين الشمس على الأرض: كيف حل الفيزيائيون المشكلة الرئيسية للاندماج الحراري النووي

اتخذ الفيزيائيون في مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية خطوة مهمة نحو

 مسارات الاندماج النووي.لقد اكتشفوا مصدر الانهيار الحراري الذي يسبق فشل المفاعلات. ومن ثم فإن المسؤولين عن الأضرار التي لحقت بالمنشآت النووية الحرارية في توكاماك. سيحل هذا التطوير إحدى أخطر المشاكل على طريق الاندماج النووي الحراري.

لماذا من المهم جدا تحقيق الاندماج النووي؟

الاندماج النووي هو عملية فيزيائيةالقوى شمسنا. ويحدث ذلك عندما تُجبر الذرات معًا عند درجات حرارة وضغوط عالية جدًا، مما يؤدي إلى إطلاق كميات هائلة من الطاقة عن طريق الاندماج مع ذرات أثقل.

ويعمل العلماء في جميع أنحاء العالم علىالتقاط وتوجيه عملية الاندماج الذري على الأرض لتطوير مصدر طاقة نظيف وخالي من الكربون وربما لا ينضب. لقد قاموا بالفعل بعدة محاولات، ولكن لبضع ثوان فقط. أحد الأسباب هو الانهيار الحراري.

لماذا يحدث الانهيار الحراري وما هو؟

إحدى المشكلات التي لم يكن العلماء على دراية بها سابقًا في دراستهم للانهيار الحراري هي الشكل ثلاثي الأبعاد أو الطوبولوجيا لخطوط المجال غير المنتظمة الناتجة عن عدم الاستقرار المضطرب.

الصورة: Rsvilkoks، CC BY-SA 4.0، via Wikimedia Commons

لقد تسببت في إنشاء "التلال" الصغيرةو"الوديان"، حيث يتم الاحتفاظ ببعض الجزيئات بينما تتدحرج جزيئات أخرى إلى أسفل "التلال" وتؤثر على جدران الجسم. ويتسبب وجود هذه "التلال" في انهيار سريع لدرجة الحرارة، وهو ما يسمى بالتبريد الحراري.

وفي دراسة جديدة، تتبع العلماءالانهيار إلى اضطراب ثلاثي الأبعاد للمجالات المغناطيسية القوية. يتم استخدامها في المنشآت النووية الحرارية كبدائل للجاذبية القوية التي تعقد تفاعلات الاندماج في الأجرام السماوية، على سبيل المثال، في الشمس.

ومع ذلك، في التجارب المعملية هذه المجالاتاضطراب بسبب عدم استقرار البلازما. وفي حالة حدوث انتهاك خطير، تصبح خطوط المجال مضطربة تمامًا، "متشابكة مثل السباغيتي"، كما كتب العلماء. ولهذا السبب، فإن عددًا كبيرًا من الجزيئات "يلتصق" بجدار التوكاماك. يمكن أن تؤدي الحرارة الناتجة إلى إتلاف جدران منشأة الاندماج.

ماذا فعل العلماء؟

كجزء من دراسة جديدة، العلماءاكتشف كيفية إنشاء خريطة خاصة لفهم طوبولوجيا خطوط الكهرباء. هذا يسوي "التلال" المغناطيسية. وبدونها، سيتم احتجاز معظم الإلكترونات ولن تكون قادرة على التسبب في التبريد الحراري الذي لوحظ في التجارب.

وهكذا قام العلماء بمحاكاة الطوبولوجيا الحراريةالتبريد كهيكل معقد ثلاثي الأبعاد. ومن الجدير بالذكر أنهم تجنبوا التبسيط المفرط الذي غالبًا ما يضلل علماء الفيزياء. من الصعب جدًا فهم هذه الطوبولوجيا بسبب التفاعل المعقد بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية. استخدم باحثو PPPL رمز GTS الخاص بالمختبر لفهمها.

كيف يعمل؟

يمثل الكود نموذجًا لتأثير الاضطرابعدم الاستقرار في حركة الجسيمات. يوضح كيف أن المجال الكهربائي الذي تم إنشاؤه في التركيبات يرمي الجسيمات بين خطوط المجال المغناطيسي ثم يساهم في الحركة الناتجة للجسيمات المحاصرة. هذا ما يؤدي إلى التبريد الحراري.

لماذا هذا مهم؟

دراسة جديدة تشرح من حيثفيزياء ، كيف تفقد البلازما الطاقة تجاه الجدار في وجود خطوط المجال المغناطيسي. هذا مفيد جدًا لإيجاد طرق مبتكرة لتخفيف أو منع التبريد الحراري وانهيار البلازما في المستقبل.

قراءة المزيد:

اتضح ما يحدث للدماغ البشري بعد ساعة في الغابة

أصبح معروفًا أي الشاي يدمر البروتين في الدماغ

تبين أن الكائنات البحرية الغريبة في أعماق المحيط تشبه البشر

صورة الغلاف: فيلم Eye Steel