علمی، پژوهشی و فناوری

روشن شدن آینده انرژی همجوشی: قدرت شگفت انگیز بور برای محافظت از پلاسما

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری :تنگستن، ماده ارجح برای راکتورهای همجوشی توکامک، به دلیل کندوپاشی که پلاسما را خنک می‌کند ، چالش‌هایی را ایجاد می‌کند و باعث می‌شود که همجوشی حفظ شود.

محققان در PPPL پیشنهاد می‌کنند که پاشیدن پودر بور در توکامک‌ها می‌تواند با محافظت از دیواره‌ها و جلوگیری از ورود تنگستن به پلاسما از این امر جلوگیری کند. آزمایش‌های اخیر در سراسر توکاماک‌های جهانی و یک مدل کامپیوتری جدید از پتانسیل پودر بور در حفظ شرایط بهینه پلاسما برای همجوشی پشتیبانی می‌کنند.

چالش های تنگستن و فیوژن

محققان فیوژن به طور فزاینده‌ای از تنگستن به عنوان ماده ایده‌آل برای اجزایی که مستقیماً با پلاسمای داخل راکتورهای همجوشی روبرو هستند، مانند توکاماک‌ها و ستاره‌ها ، طرفداری می‌کنند . با این حال، تحت گرمای شدید پلاسمای همجوشی، اتم های تنگستن می توانند از دیواره های راکتور به داخل پلاسما پراکنده شوند. تنگستن بیش از حد پلاسما را به طور قابل توجهی خنک می کند، و باعث ایجاد چالش در حفظ واکنش های همجوشی می شود.

اکنون محققان آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون ( PPPL ) در وزارت انرژی ایالات متحده شواهد تجربی دارند که نشان می دهد وارد کردن پودر بور به توکامک می تواند این مشکل را برطرف کند. بور تا حدی از دیواره‌های راکتور در برابر پلاسما محافظت می‌کند و از آلودگی اتم‌های دیواره به آن جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، یک چارچوب مدل‌سازی کامپیوتری جدید که توسط محققان PPPL ایجاد شده است، نشان می‌دهد که پودر بور ممکن است فقط از یک نقطه استفاده شود. این یافته‌ها و رویکرد مدل‌سازی جدید اخیراً در شصت و ششمین نشست سالانه بخش فیزیک پلاسما انجمن فیزیک آمریکا در آتلانتا به نمایش گذاشته شد.

 این نقاشی از مقطعی از طریق ITER، لوله های راهنمای تزریق گلوله و طرحی از یک طرح مفهومی برای قطره چکان بور را نشان می دهد. اعتبار: آزمایشگاه ملی اوک ریج / PPPL

راه حل بور در عمل

جوزف اسنایپس، معاون علوم تجربی توکامک، در مورد سیستم تزریق بور جامد بر اساس آزمایشاتی که نشان دهنده کاهش کندوپاش تنگستن پس از تزریق بور جامد است، خوش بین است. این آزمایش ها در سه توکامک دیواره تنگستن در سراسر جهان انجام شد: یکی در آلمان، یکی در چین و دیگری در ایالات متحده.

او گفت: "بور به صورت پودر در پلاسمای توکامک پاشیده می شود، مانند نمکدان، که در لبه پلاسما یونیزه می شود و سپس روی دیواره های داخلی توکامک و ناحیه اگزوز رسوب می کند." هنگامی که با لایه نازکی از بور پوشانده شود، مانع از ورود تنگستن به پلاسما و تابش انرژی پلاسما می شود.

اسنایپس و همکارانش در حال کار بر روی سیستم تزریق بور با هدف نهایی استفاده بالقوه از آن در توکاماک در مقیاس راکتور سازمان ITER هستند . سیستم تزریق به خوبی برای این کار مناسب است، زیرا می تواند در حین کار دستگاه بور اضافه کند. همچنین می تواند میزان بور تزریقی را دقیقاً کنترل و محدود کند. لایه‌های بور رسوب‌شده عنصر رادیواکتیو تریتیوم را حفظ می‌کنند که باید در ITER tokamak به حداقل برسد تا با ایمنی هسته‌ای مطابقت داشته باشد. دانشمندان و مهندسان ITER و آزمایشگاه ملی Oak Ridge نیز در این پروژه همکاری کردند.

پیشرفت در مدل سازی تزریق بور

فلوریان افنبرگ، فیزیکدان تحقیقاتی کارکنان در PPPL، پروژه جداگانه ای را برای ایجاد یک چارچوب مدل سازی کامپیوتری برای سیستم تزریق بور در توکامک DIII-D رهبری کرد . این چارچوب نشان می‌دهد که پاشیدن پودر بور تنها از یک مکان ممکن است توزیع یکنواخت بور را در سراسر اجزای راکتور در نظر گرفته شده در حوزه شبیه‌سازی فراهم کند.
افنبرگ گفت: «ما روش جدیدی را برای درک چگونگی رفتار مواد بور تزریقی در پلاسمای همجوشی و نحوه تعامل آن با دیواره‌های راکتورهای همجوشی ایجاد کرده‌ایم تا آنها را در حالت خوب نگه داریم.

مراحل بعدی و ملاحظات ITER

رویکرد محققان سه مدل کامپیوتری مختلف را برای ایجاد یک چارچوب و گردش کار جدید ترکیب می‌کند. یک مدل رفتار پلاسما را شبیه‌سازی می‌کند، مدلی دیگر نشان می‌دهد که چگونه ذرات پودر بور در پلاسما حرکت می‌کنند و تبخیر می‌شوند، و مدل سوم نحوه تعامل ذرات بور با دیواره‌های توکامک را بررسی می‌کند، از جمله نحوه چسبندگی، فرسودگی و مخلوط شدن با مواد دیگر. افنبرگ گفت.

افنبرگ گفت: «این بینش‌ها برای بهینه‌سازی استراتژی‌های تزریق بور برای دستیابی به تهویه موثر و یکنواخت دیواره در ITER و دیگر راکتورهای همجوشی بسیار مهم هستند.

در حالی که چارچوب مدل‌سازی به DIII-D نگاه می‌کرد، یک توکامک که توسط General Atomics در سن دیگو اداره می‌شود، مرحله بعدی این تحقیق شامل مقیاس‌بندی چارچوب مدل‌سازی به ITER است. در حالی که دیوارهای DIII-D از کربن ساخته شده‌اند، ITER قصد دارد دیواره‌های تنگستن داشته باشد، بنابراین بررسی هر گونه تفاوت در نحوه محافظت بور از دیوارها مهم خواهد بود.

نشست: نشست سالانه انجمن فیزیک آمریکا بخش فیزیک پلاسما

محققان زیر نیز در کار توصیف شده توسط اسنایپس مشارکت داشتند: لری رابرت بایلور، الساندرو بورتولون، فلوریان افنبرگ، اریک گیلسون، آلبرتو لوارته، رابرت لونسفورد، راجش ماینگی، استیو مایتنر، فدریکو نسپولی، سو مارویاما، الکساندر ناگی، ژن سان، جف اولرایش و تام واترز بودجه این کار توسط سازمان ITER تامین شده است.