وفقًا لعمليات المحاكاة والتحليل الحديثة ، فإن منشأة الاندماج الرئيسية في مختبر برينستون لفيزياء البلازما التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) (PPPL) كنموذج لمصنع تجريبي للجيل القادم من الاندماج يكون جذابًا اقتصاديًا. قد تكون المحطة التجريبية هي الخطوة التالية في الولايات المتحدة نحو جمع قوة الاندماج التي تشغل الشمس والنجوم على الأرض كمصدر آمن ونظيف للطاقة لإنتاج الطاقة.
دفع مجتمع الاندماج في الولايات المتحدة مؤخرًا لبذل جهد عاجل لتطوير وبناء محطة تجريبية فعالة من حيث التكلفة قادرة على توليد الكهرباء في أربعينيات القرن العشرين. إن الرائد PPPL ، ترقية تجربة Torus الكروية الوطنية (NSTX-U) ، والتي يتم إصلاحها حاليًا ، لها ميزات فريدة تجعل تصميمها مناسبًا لهذا الدور. قال والتر جوتنفيلدر ، الفيزيائي الرئيسي والمؤلف الرئيسي لدراسة تفصّل الاكتشافات الجديدة المنشورة في المجلة: "يتعلق الأمر كله بمحاولة توقع ما إذا كان هذا الطريق مناسبًا لمصنع تجريبي فعال من حيث التكلفة وما بعده". الاندماج النووي.
ينتج الاندماج طاقة هائلة عن طريق الجمع بين العناصر الخفيفة مثل الهيدروجين في شكل بلازما، الحالة الساخنة المشحونة للمادة المكونة من إلكترونات حرة ونواة ذرية ، أو أيونات. تشكل البلازما 99 في المائة من الكون المرئي وتغذي تفاعلات الاندماج التي تنتج الحرارة والضوء اللذين يخلقان الحياة على الأرض ويحافظان عليها.
الفيزيائي والتر جوتنفيلدر مع شخصيات من الورقة التي ألفها مع باحثي PPPL بما في ذلك أعضاء فريق NSTX-U و 23 مؤسسة تعاونية في جميع أنحاء العالم. مصدر الصورة: Elle Starkman / PPPL Office of Communications ؛ ملصقة بواسطة كيران سودارسانان
تنتج NSTX-U ذات الشكل الكروي بلازما عالية الضغط مطلوبة لتفاعلات الاندماج في تكوين مضغوط نسبيًا وفعال من حيث التكلفة. تم تحسين قدرات التشغيل للمنشأة بشكل كبير على سابقتها التي تمت ترقيتها مسبقًا. قال Guttenfelder: "الدافع الأساسي لـ NSTX-U هو الدفع إلى قوى أعلى ، ومجالات مغناطيسية أعلى تدعم البلازما ذات درجة الحرارة العالية لمعرفة ما إذا كانت الاتجاهات الإيجابية التي لوحظت سابقًا ستستمر".
تتوقع النظرية والتحليل والنمذجة الحديثة من فريق البحث NSTX-U أنه يجب إظهار العديد من هذه الاتجاهات في تجارب NSTX-U الجديدة. تتضمن ظروف التشغيل المتوقعة لـ NSTX-U ما يلي:
- بدء البلازما. تم تطوير النمذجة لتحسين بدء البلازما بكفاءة وتكثيفها ، وتم تطبيقها لمساعدة منشأة توكاماك الكروية في المملكة المتحدة على إنتاج أول بلازما لها.
- فهم حافة البلازما. نماذج جديدة تحاكي الديناميكيات بين حافة البلازما وجدار توكاماك التي يمكن أن تحدد ما إذا كان لب البلازما سيصل إلى درجات حرارة 150 مليون درجة اللازمة لإنتاج تفاعلات الاندماج.
- تطبيق الذكاء الاصطناعي. طور التعلم الآلي للذكاء الاصطناعي مسارًا سريعًا لتحسين ظروف البلازما والتحكم فيها والتي تتطابق بشكل وثيق مع أهداف الاختبار المتوقعة.
- تقنيات الرواية. تشير عمليات المحاكاة إلى العديد من التقنيات الجديدة لحماية مكونات NSTX-U الداخلية من انفجارات حرارة العادم من تفاعلات الاندماج. من بين هذه المفاهيم استخدام الليثيوم المبخر لتقليل تأثير تدفق الحرارة.
- أداء مستقر. وجدت الدراسات أن نافذة أداء NSTX-U يمكن أن تظل مستقرة في مواجهة عدم الاستقرار الذي قد يؤدي إلى تدهور العمليات.
- ما يجب تفاديه. يأتي الفهم المتزايد للظروف التي يجب تجنبها من التوافق الممتاز بين النطاق المتوقع للبلازما غير المستقرة وقاعدة بيانات تجريبية كبيرة.
لذلك تم إحراز تقدم كبير في فهم وإسقاط كيف يمكن لـ NSTX-U دفع تطوير طاقة الاندماج ، الاندماج النووي تقول الورقة. قال Guttenfelder ، "الخطوة التالية هي معرفة ما إذا كانت التجارب الجديدة تثبت صحة ما نتوقعه ، وتنقيح التنبؤات إذا لم يكن الأمر كذلك. ستعمل هذه الخطوات معًا على تمكين توقعات أكثر ثقة للأجهزة المستقبلية ".
المرجع: "نظرية NSTX-U ونتائج النمذجة والتحليل" بقلم W. Guttenfelder و DJ Battaglia و E. Belova و N. Bertelli و MD Boyer و CS Chang و A. Diallo و VN Duarte و F. Ebrahimi و ED Emdee و N . Ferraro، E. Fredrickson، NN Gorelenkov، W. Heidbrink، Z. Ilhan، SM Kaye، E.-H. Kim، A. Kleiner، F. Laggner، M.Lambert، JB Lestz، C. Liu، D. Liu، T. Looby، N. Mandell، R. Maingi، JR Myra، S. Munaretto، M. Podestà، T. رفيق ، ر. رامان ، إم رينكه ، واي رن ، جي رويز رويز ، إف سكوتي ، إس شيرايوا ، ف.سوخانوفسكي ، بي فيل ، زر وانغ ، دبليو وينر ، إيه إي وايت ، آر بي وايت ، بي جي كيو وودز ، J. Yang، SJ Zweben، S. Banerjee، R. Barchfeld، RE Bell، JW Berkery، A. Bhattacharjee، A. Bierwage، GP Canal، X. Chen، C. Clauser، N. Crocker، C. Domier، T إيفانز ، إم. فرانسيسكيز ، ك.جان ، إس.جيرهاردت ، آر جي جولدستون ، تي جراي ، إيه حكيم ، ج.هاميت ، إس.جاردين ، آر كايتا ، بي كويل ، إي كوليمن ، إس.إتش. . Ku، S. Kubota، BP LeBlanc، F. Levinton، JD Lore، N. Luhmann، R. Lunsford، R. Maqueda، JE Menard، JH Nichols، M. Ono، J.-K. Park، F. Poli، T. 30 ، الاندماج النووي.
DOI: 10.1088 / 1741-4326 / ac5448
يأتي الدعم لهذا البحث من مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة مع العديد من عمليات المحاكاة التي تم إنتاجها باستخدام موارد مركز الحوسبة العلمية لبحوث الطاقة الوطنية ، وهو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم تابع لوزارة الطاقة. يضم المؤلفون المشاركون في الورقة باحثين من PPPL و 23 مؤسسة تعاونية من جميع أنحاء العالم.
PPPL ، بتاريخ جامعة برينستونحرم Forrestal الجامعي في Plainsboro ، نيوجيرسي ، مكرس لخلق معرفة جديدة حول فيزياء البلازما - الغازات المشحونة فائقة السخونة - ولتطوير حلول عملية لإنشاء طاقة الاندماج.
