شاهد انفجار البلازما بالألوان الكاملة داخل مفاعل اندماجي بسرعة 16000 إطارًا في الثانية

عندما يتم تشغيل التوكاماك، يحدث شيء سحري في حدود بطنه المقوى. تزدهر البلازما المتولدة من الهيدروجين الثقيل باللون الوردي اللامع، وتتلوى وتتلوى حول الحجرة على شكل كعكة دائرية. ثم، تتساقط حبيبات صغيرة من الليثيوم في الدوامة، متلألئة مثل الغبار القرمزي قبل أن تنفجر في شرائط من الضوء الأخضر والأصفر النابض بالحياة. وبفضل كاميرا ملونة عالية السرعة، يمكننا مشاهدة هذه العملية أثناء تسخين البلازما في الداخل. آلة ST40 من شركة Tokamak Energy ، تخلق بعض الظروف التي ستستخدمها التوكاماك المستقبلية لتحطيم النوى الذرية معًا لتوليد طاقة الاندماج التي يمكن أن تغذي العالم يومًا ما. ولكن روعة المنظر ليست فقط هي الأعجوبة. أمام اندماج البلازما طريق طويل قبل أن يصبح جاهزًا للتطبيق العملي – ومراقبة مسار الليثيوم المشتعل يمكن أن يساعد الفيزيائيين في التغلب على إحدى العقبات الرئيسية التي تواجهها التكنولوجيا: كيف لتنفيس الحرارة الهائلة المتسربة من بلازما الاندماج بشكل آمن. إطار الحدود = “0” سماح = “مقياس التسارع؛ التشغيل التلقائي؛ الكتابة في الحافظة؛ الوسائط المشفرة؛ جيروسكوب؛ صورة داخل صورة؛ web-share” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin”allowfullscreen> يحتاج التوكاماك إلى حصر البلازما في درجات حرارة ملايين الدرجات لإجبار النوى الذرية على التماسك. لكن هذا الحبس ليس سهلا – وبعض الطاقة الهائلة التي تدور حولها تفلت حتما من البلازما المحصورة. يجب أن تذهب إلى مكان ما، لذلك تم تصميم التوكاماك لتوجيه أكبر قدر ممكن من تلك الحرارة المتسربة نحو مكونات تسمى المحولات. في الوقت الحالي، تجارب التوكاماك قصيرة نسبيًا. ومع ذلك، في محطة توليد الطاقة الاندماجية المستقبلية، يجب أن تتحمل هذه المكونات الأحمال الحرارية لفترات طويلة دون أن تتفكك بسرعة. يعد الحمل الحراري للمحول مشكلة مهمة لدرجة أنه أحد العوامل الرئيسية التي تشكل تصميم محطات توليد الطاقة الكروية المستقبلية في توكاماك، حيث قام الباحثون بقياس تدفقات حرارية تصل إلى 150 ميجاوات لكل متر مربع. إحدى المشكلات التي يستخدم الباحثون ST40 للتحقيق فيها – بما في ذلك ما إذا كان يمكن إقناع البلازما نفسها بتقديم المساعدة. بالطبع، تم تجهيز التوكاماك بكاميرات عالية السرعة وعالية الدقة تقريبًا طوال فترة وجود التوكاماك، كما أن التصوير الملون عالي السرعة ليس جديدًا تمامًا: فقد تم نشر كاميرا ملونة على توكاماك T-11M الروسي في عام 2014، كما هو موضح في ورقة بحثية عام 2016. التصوير الملون عالي السرعة لتفاعل البلازما. مع محدد الليثيوم في T-11M توكاماك الروسي، الخطوط الساطعة هي قطرات الليثيوم التي يتم إخراجها من المحدد أثناء عدم الاستقرار، وتنتقل بسرعة حوالي 100 متر في الثانية (Lazarev et al., Fusion Eng. Des., 2016) ومع ذلك، لاحظت تلك الورقة تجعدًا كبيرًا، على الرغم من أنها كانت تتتبع الليثيوم أيضًا عند حدود البلازما، إلا أن الكاميرا كانت تعمل بسرعة 1000 إطار في الثانية – وهي ليست بالسرعة الكافية. لمتابعة تطور خيوط الليثيوم مع مرور الوقت، كما قالوا، ستكون هناك حاجة إلى سرعات تزيد عن 10000 إطار في الثانية. تسجل الكاميرا المثبتة على الجزء الداخلي من ST40 بسرعة 16000 إطار في الثانية. هذا ما تبحث عنه. في العادة، يمكن للشوائب الموجودة في البلازما المتدفقة داخل مفاعل الاندماج أن تخلق مشاكل كبيرة، مما يتسبب في إشعاع الحرارة بعيدًا بسرعة أكبر، مما يبرد البلازما ويمكن أن يتداخل مع الظروف اللازمة. الاندماج. ولكن إذا حدث هذا التبريد في المكان المناسب على حافة البلازما، فقد يكون ذلك في الواقع ميزة – فقد يقلل من الحرارة التي تفجر المحولات، بينما يظل الجزء الداخلي من طارة البلازما ساخنًا بدرجة كافية للحفاظ على ظروف الاندماج. هذه هي الفكرة وراء نظام التشغيل التجريبي الذي يسمى مشعاع النقطة X ، أو XPR. البلازما محصورة بمجال مغناطيسي قوي. النقطة X هي منطقة في ذلك المجال المغناطيسي بالقرب من المحول، حيث يشكل المجال المغناطيسي بنية مميزة على شكل X. من خلال تشجيع الشوائب على إشعاع الطاقة بعيدًا حول هذه المنطقة، يأمل الفيزيائيون في تبريد البلازما قبل وصولها إلى المحول، مما يقلل من تأثير تلك المكونات دون تبريد النواة المنتجة للاندماج. الليثيوم هو أحد المواد التي قام الفيزيائيون بتجربتها لمعرفة كيفية التحكم في هذا التبريد. وهذا ما تفعله تلك الألوان المذهلة. وعلى عكس ما هو متوقع، فإن البلازما الملونة التي تلتقطها الكاميرا ليست الجزء الأكثر سخونة في ST40. النواة الساخنة للانصهار ساخنة جدًا بحيث لا يمكنها إنتاج الضوء المرئي الذي نراه؛ بدلًا من ذلك، تكشف الكاميرا ما يحدث في البلازما الباردة نسبيًا حول حافتها. يأتي التوهج الوردي من غاز الديوتيريوم الذي يتم تغذيته في التوكاماك، والذي ينبعث منه مزيج من الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء. عندما تدخل حبيبات الليثيوم الصغيرة بحجم الرمل لأول مرة إلى تلك المناطق الخارجية الباردة، تصبح ذرات الليثيوم المحايدة متحمسة وتتوهج باللون الأحمر القرمزي اللامع. ومع توغل الليثيوم بشكل أعمق في البلازما الأكثر سخونة وكثافة، تفقد ذراتها إلكترونًا وتصبح أيونات الليثيوم موجبة الشحنة. تنبعث أيونات Li⁺ هذه ضوءًا أصفر مخضرًا مميزًا. ولأنها الآن مشحونة كهربائيًا، تتبع أيونات الليثيوم المجال المغناطيسي، مما يحول تلك الخطوط الخضراء والصفراء الزاهية إلى أثر متوهج لخطوط المجال غير المرئية التي تحصر البلازما. سيكون من السهل نسبيًا الحصول على خريطة درجة حرارة التوكاماك حتى باللونين الأبيض والأسود. ما توفره الكاميرا الملونة للفيزيائيين هو وسيلة لتتبع الذرات والأيونات المختلفة تحت ظروف بلازما مختلفة، مما يكشف عن المكان الذي ينتقل فيه الليثيوم ومدى عمق اختراقه. إلى جانب التحليل الطيفي، الذي يحدد بدقة الأطوال الموجية للضوء المنبعث، تمنح اللقطات عالية السرعة الفيزيائيين طريقة أخرى لمعرفة ما إذا كانت الشوائب تشع طاقة حيث يريدونها. إذا لم تكن كذلك، يمكن للفيزيائيين تغيير الظروف والمحاولة مرة أخرى، وتعلم كيفية الحفاظ على التبريد. حيث يريدونها – المعرفة التي يمكن أن تشكل في نهاية المطاف كيفية تخلص مفاعلات الاندماج المستقبلية من حرارتها الهائلة. وهناك علامات مبكرة على أن نهج XPR يمكن أن ينجح. في النتائج الأولية من التجارب في ST40، أفاد الباحثون أنهم تمكنوا من إنتاج منطقة مشعة تتحرك عبر النقطة X وتبرد حافة البلازما بشكل كبير. عندما يحدث هذا، تظهر القياسات أن الحرارة التي تصل إلى المحول تنخفض. ويعتقد الباحثون أن الكثير من الإشعاع في تلك التجارب جاء من الكربون الذي تم إزالته من جدران التوكاماك، وليس من الليثيوم الذي تم إدخاله عمدًا. لكن التجارب التي تستخدم الليثيوم والنيون لخفض الحمل الحراري بشكل أكبر جارية الآن. وتشير النمذجة الحاسوبية إلى أن الليثيوم يمكن أن يكون مفيدًا بشكل خاص لأنه قد يكون من الممكن تركيزه حول المحول، حيث يكون تأثير التبريد مطلوبًا، دون السماح بما يكفي منه في المنبع لتدهور أداء قلب البلازما. وتخطط شركة توكاماك للطاقة لدفع الفكرة إلى أبعد من ذلك. تخضع ST40 حاليًا لترقية كبيرة لاستبدال درعها الكربوني بالموليبدينوم، وإدخال أنظمة لطلاء مكوناتها التي تواجه البلازما بالليثيوم، أضف تشخيصًا جديدًا لفحص ما يحدث عند حافة البلازما. بعد ذلك، ربما سنتمكن من رؤية المزيد من الألوان المذهلة المتلألئة من الفضاء – حاملة معها معلومات يمكن أن تساعدنا في تقريبنا من مستقبل الاندماج. تم تدقيق هذه المقالة بواسطة ريبيكا داير وتم تحريرها بواسطة ريبيكا داير. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا اكتشفت خطأ، يرجى إعلامنا بذلك.