สร้างดวงอาทิตย์ขึ้นใหม่บนโลก: นักฟิสิกส์แก้ปัญหาหลักของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชั่นได้อย่างไร

นักฟิสิกส์จากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสมาพรินซ์ตัน (PPPL) กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาได้ดำเนินการก้าวสำคัญสู่

 เส้นทางสู่ นิวเคลียร์ฟิวชันพวกเขาค้นพบแหล่งที่มาของการล่มสลายเนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นก่อนความล้มเหลวของเครื่องปฏิกรณ์ ดังนั้นผู้ที่รับผิดชอบต่อความเสียหายต่อการติดตั้งเทอร์โมนิวเคลียร์บนโทคามัค การพัฒนานี้จะช่วยแก้ปัญหาที่ร้ายแรงที่สุดปัญหาหนึ่งบนเส้นทางสู่การหลอมนิวเคลียร์แสนสาหัส

เหตุใดการทำให้เกิดนิวเคลียร์ฟิวชันจึงมีความสำคัญมาก

นิวเคลียร์ฟิวชันนั้นเป็นกระบวนการทางกายภาพนั่นเองให้พลังแก่ดวงอาทิตย์ของเรา เกิดขึ้นเมื่ออะตอมถูกบังคับรวมกันที่อุณหภูมิและความดันสูงมาก ส่งผลให้พวกมันปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลโดยการหลอมรวมกับอะตอมที่หนักกว่า

นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกกำลังทำงานเพื่อจับและควบคุมกระบวนการอะตอมฟิวชันบนโลกเพื่อพัฒนาแหล่งพลังงานที่สะอาด ปราศจากคาร์บอน และอาจไม่หมดสิ้นไป พวกเขาได้พยายามหลายครั้งแล้ว แต่เพียงไม่กี่วินาทีเท่านั้น เหตุผลหนึ่งคือการล่มสลายเนื่องจากความร้อน

เหตุใดจึงเกิดการยุบตัวจากความร้อนและมันคืออะไร?

ปัญหาหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ไม่เคยทราบมาก่อนในการศึกษาเรื่องการยุบตัวจากความร้อนคือรูปร่างสามมิติหรือโทโพโลยีของเส้นสนามที่ไม่แน่นอนซึ่งเกิดจากความไม่เสถียรที่ปั่นป่วน

ภาพ: Rsvilkoks, CC BY-SA 4.0, ผ่าน Wikimedia Commons

เธอได้ก่อให้เกิด "เนินเขา" เล็กๆและ "หุบเขา" ซึ่งอนุภาคบางส่วนยังคงอยู่ในขณะที่อนุภาคบางส่วนกลิ้งลงมาตาม "เนินเขา" และกระทบกับผนังของวัตถุ การมีอยู่ของ "เนินเขา" เหล่านี้ทำให้อุณหภูมิพังทลายลงอย่างรวดเร็วซึ่งเรียกว่าการดับด้วยความร้อน

ในการศึกษาครั้งใหม่ นักวิทยาศาสตร์ได้ติดตามพังทลายลงไปสู่ความผิดปกติของสนามแม่เหล็กแรงสามมิติ พวกมันถูกใช้ในการติดตั้งนิวเคลียร์แสนสาหัสเพื่อทดแทนแรงโน้มถ่วงอันทรงพลัง ซึ่งกักเก็บปฏิกิริยาฟิวชันในเทห์ฟากฟ้า เช่น ในดวงอาทิตย์

อย่างไรก็ตามในการทดลองในห้องปฏิบัติการสาขาเหล่านี้ไม่เป็นระเบียบเนื่องจากความไม่เสถียรของพลาสมา ในกรณีที่มีการละเมิดอย่างร้ายแรง เส้นสนามจะยุ่งเหยิงโดยสิ้นเชิง “พันกันเหมือนสปาเก็ตตี้” นักวิทยาศาสตร์เขียน ด้วยเหตุนี้อนุภาคจำนวนมากจึง "เกาะติด" กับผนังของโทคามัก ความร้อนที่เกิดขึ้นอาจทำให้ผนังของโรงงานฟิวชันเสียหายได้

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำอะไร?

โดยเป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาวิจัยครั้งใหม่โดยนักวิทยาศาสตร์ค้นพบวิธีสร้างแผนที่พิเศษเพื่อทำความเข้าใจโทโพโลยีของสายไฟ สิ่งนี้จะยกระดับ "เนินเขา" แม่เหล็กออกไป หากไม่มีพวกมัน อิเล็กตรอนส่วนใหญ่จะติดอยู่และไม่สามารถทำให้เกิดการดับความร้อนที่พบในการทดลองได้

ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงจำลองโทโพโลยีของความร้อนระบายความร้อนเป็นโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกเขาหลีกเลี่ยงความเรียบง่ายที่มากเกินไปซึ่งมักทำให้นักฟิสิกส์เข้าใจผิด โทโพโลยีนี้เป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจอย่างฉาวโฉ่เนื่องจากมีปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก นักวิจัย PPPL ใช้โค้ด GTS ของ Lab เพื่อทำความเข้าใจ

มันทำงานยังไง?

รหัสจำลองผลกระทบของความปั่นป่วนความไม่เสถียรในการเคลื่อนที่ของอนุภาค มันแสดงให้เห็นว่าสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นในการติดตั้งนั้นพ่นอนุภาคระหว่างเส้นสนามแม่เหล็กและก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ติดอยู่ นี่คือสิ่งที่นำไปสู่การดับความร้อน

ทำไมสิ่งนี้จึงสำคัญ

การศึกษาใหม่อธิบายในแง่ของฟิสิกส์ วิธีที่พลาสมาสูญเสียพลังงานไปทางผนังเมื่อมีเส้นสนามแม่เหล็ก วิธีนี้มีประโยชน์มากในการหาวิธีใหม่ๆ ในการบรรเทาหรือป้องกันการดับจากความร้อนและการสลายตัวของพลาสม่าในอนาคต

อ่านเพิ่มเติม:

ปรากฎว่าเกิดอะไรขึ้นกับสมองของมนุษย์หลังจากอยู่ในป่าหนึ่งชั่วโมง

เป็นที่ทราบกันดีว่าชาชนิดใดทำลายโปรตีนในสมอง

สัตว์ทะเลประหลาดที่อยู่ลึกลงไปในมหาสมุทรกลายเป็นเหมือนมนุษย์

ภาพปก: ฟิล์มตาเหล็ก