תמונת סטילס זו מסימולציה חדשה מראה כיצד פלזמה מאזור הכן מחוברת דרך משטח הכליאה האחרון כביכול לאזור הפלזמה המפנה. האונות הארוכות והרזות משתנות בזמן ובמרחב. קרדיט סימולציה: Seung-Hoe Ku / Princeton Plasma Physics Laboratory במחשב הפסגה של DOE ב-Oak Ridge National Laboratory; קרדיט להדמיה: דייב פוגמיר וג'ונג יול צ'וי / Oak Ridge National Laboratory
חום פליטה מכורי היתוך בקנה מידה מסחרי עשוי להזיק פחות ממה שחשבו בעבר.
מחקר חדש מצביע על כך פְּלַסמָה חום היתוך מתפשט באופן שווה יותר בכורי טוקאמק, מה שמצביע על סיכון מופחת לנזק לרכיבים קריטיים, ובכך משפר את אורך החיים והיעילות של הכור.
לדברי חוקרים ממעבדת הפיזיקה הפלזמה של פרינסטון (PPPL) של משרד האנרגיה האמריקני (DOE), המעבדה הלאומית של Oak Ridge וארגון ITER (ITER), ייתכן שחום הפליטה האינטנסיבי שנוצר ממיזוג פלזמה בכור בקנה מידה מסחרי אינו פגיעה בפנים הכור כפי שהאמינו בעבר.
"תגלית זו משנה מהותית את האופן שבו אנו חושבים על הדרך שבה חום וחלקיקים נעים בין שני אזורים חשובים ביותר בקצה הפלזמה במהלך היתוך", אמר PPPL פיזיקאי המחקר הראשי צ'ונגסוק צ'אנג, שהוביל את צוות החוקרים מאחורי התגלית. מאמר חדש המפרט את עבודתם פורסם לאחרונה בכתב העת היתוך גרעיניבעקבות פרסומים קודמים בנושא.
כדי להשיג היתוך, הטמפרטורות בתוך טוקאמק – המכשיר בצורת סופגנייה שמחזיק את הפלזמה – חייבות לנסוק גבוה מ-150 מיליון מעלות צֶלסִיוּס. זה חם פי 10 ממרכז השמש. להכיל משהו חם זה מאתגר, למרות שהפלזמה מורחקת במידה רבה מהמשטחים הפנימיים באמצעות שדות מגנטיים. שדות אלה שומרים על מרבית הפלזמה מוגבלת באזור מרכזי המכונה הליבה, ויוצרים טבעת בצורת סופגנייה. עם זאת, חלקיקים וחום בורחים מהפלזמה הסגורה ופוגעים בחומר הפונה לפלסמה. ממצאים חדשים של חוקרי PPPL מצביעים על כך שחלקיקים הבורחים מפלסמת הליבה בתוך טוקאמק מתנגשים עם שטח גדול יותר של הטוקמק ממה שחשבו פעם, מה שמפחית מאוד את הסיכון לנזק.
מחקרים קודמים המבוססים על פיזיקה ונתונים ניסיוניים מטוקאמקים של ימינו העלו כי חום הפליטה יתמקד ברצועה צרה מאוד לאורך חלק מקיר הטוקמק המכונה לוחות המפנה. המוקדש להסרת חום פליטה וחלקיקים מהפלזמה הבוערת, המפנה הוא קריטי לביצועים של טוקאמק.
לטוקמק הניסיוני של ITER יהיה מפנה הפועל בטבעת סביב החלק התחתון של תא הטוקמק. בתמונה למעלה, המפנה מסומן בצהוב. קרדיט: ארגון ITER
"אם כל החום הזה יפגע באזור הצר הזה, אז החלק הזה של צלחת המפנה ייפגע מהר מאוד", אמר צ'אנג, שעובד במחלקת התיאוריה של PPPL. "יכול להיות שזה אומר פרקי זמן תכופים של השבתה. גם אם אתה רק מחליף את החלק הזה של המכונה, זה לא הולך להיות מהיר."
הבעיה לא עצרה את פעולתם של טוקאמקים קיימים שאינם חזקים כמו אלה שידרשו לכור היתוך בקנה מידה מסחרי. עם זאת, בעשורים האחרונים, קיים חשש משמעותי שמכשיר בקנה מידה מסחרי ייצור פלזמות צפופות וחמות כל כך עד שהצלחות המסיעות עלולות להינזק. תוכנית אחת שהוצעה כללה הוספת זיהומים לשולי הפלזמה כדי להקרין את האנרגיה של הפלזמה הבורחת, הפחתת עוצמת החום הפוגע בחומר המפנה, אך צ'אנג אמר שתוכנית זו עדיין מאתגרת.
הדמיית נתיב המילוט
צ'אנג החליט לחקור כיצד החלקיקים בורחים והיכן ינחתו החלקיקים על מכשיר כמו ITER, מתקן ההיתוך הרב-לאומי בהרכבה בצרפת. לשם כך, הקבוצה שלו יצרה הדמיית פלזמה באמצעות קוד מחשב המכונה X-Point Included Gyrokinetic Code (XGC). קוד זה הוא אחד מכמה שפותחו ומתוחזקים על ידי PPPL המשמשים למחקר היתוך פלזמה.
ההדמיה הראתה כיצד חלקיקי פלזמה נעו על פני משטח השדה המגנטי, שנועד להיות הגבול המפריד בין הפלזמה המוגבלת מהפלזמה הבלתי מוגבלת, כולל הפלזמה באזור המפנה. משטח השדה המגנטי הזה – שנוצר על ידי מגנטים חיצוניים – נקרא משטח הכליאה האחרון. לפני כמה עשורים, צ'אנג ועמיתיו לעבודה גילו שחלקיקים טעונים הידועים בשם יונים חוצים את המחסום הזה ופוגעים בלוחות המפנים. מאוחר יותר הם גילו שהיונים הבורחים הללו גרמו לעומס החום להיות ממוקד באזור צר מאוד של לוחות המפנה.
לפני מספר שנים, צ'אנג ועמיתיו מצאו כי מערבולת הפלזמה יכולה לאפשר לחלקיקים בעלי מטען שלילי הנקראים אלקטרונים לחצות את משטח הכליאה האחרון ולהרחיב את עומס החום פי 10 על לוחות המפנה ב-ITER. עם זאת, ההדמיה עדיין הניחה שמשטח הכליאה האחרון לא מופרע על ידי מערבולת הפלזמה.
"במאמר החדש, אנו מראים שמשטח הכליאה האחרון מופרע מאוד על ידי מערבולת הפלזמה במהלך היתוך, גם כאשר אין הפרעות הנגרמות על ידי סלילים חיצוניים או אי יציבות פלזמה פתאומית", אמר צ'אנג. "משטח כליאה אחרון טוב לא קיים בגלל הפרעת המשטח המגנטי המטורף והסוער הנקרא סבכים הומוקליניים."
למעשה, צ'אנג אמר שהסימולציה הראתה כי אלקטרונים מחברים את קצה הפלזמה הראשית לפלזמות המסיעות. הנתיב של האלקטרונים, כשהם עוקבים אחר הנתיב של הסבכים ההומקליניים הללו, מרחיב את אזור פגיעת החום ב-30% יותר מהערכת הרוחב הקודמת המבוססת על מערבולות בלבד. "משמעות הדבר היא שסביר עוד פחות שמשטח המפנה ייפגע מחום הפליטה בשילוב עם קירור קרינתי של האלקטרונים על ידי הזרקת טומאה בפלזמת המפנה. המחקר גם מראה שהסבכים ההומוקליניים הסוערים יכולים להפחית את הסבירות לאי יציבות פתאומית בקצה הפלזמה, מכיוון שהם מחלישים את הכוח המניע שלהם".
"אין לסמוך על משטח הכליאה האחרון בטוקאמק", אמר צ'אנג. "אבל למרבה האירוניה, זה עשוי להעלות את ביצועי ההיתוך על ידי הפחתת הסיכוי לפגיעה במשטח המפנה בפעולה במצב יציב וביטול התפרצות החולפת של אנרגיית פלזמה למשטח המפנה מאי-יציבות הפלזמה הפתאומית, שהם שניים מהחששות המגבילים ביותר את הביצועים. בכורי טוקאמק מסחריים עתידיים".
מחקר זה קיבל מימון ממדעי האנרגיה היתוך של DOE ומחקר מחשוב מדעי מתקדם למרכז השותפות SciDAC לסימולציית פלזמה בנאמנות גבוהה במסגרת החוזה DE-AC02-09CH11466.
