فیزیکدانان در دهه 1980 از این تکنیک همجوشی دست کشیدند. اکنون کار می کند

انرژی همجوشی مانند یک هدف همیشه گریزان به نظر می رسد، اما با ایده های جدید و تجهیزات بهتر، دانشمندان به مهار قدرت ستارگان نزدیک تر شده اند. اما برخی از فیزیکدانان در حال آزمایش ترکیب متفاوتی هستند: تجهیزات بهتر برای یک ایده قدیمی.

فیزیکدانان اخیرا از نمایش آزمایشی موفقیت‌آمیز درایو جریان هلیکون در تأسیسات همجوشی ملی DIII-D خبر دادند. برای اولین بار در دهه 1980، درایو جریان هلیکون از نوع خاصی از امواج رادیویی با فرکانس بالا برای به حرکت درآوردن پلاسمای داغ یک راکتور همجوشی استفاده می کند و جریان الکتریکی داخلی را برای تثبیت واکنش تولید می کند. با این حال، تجهیزات در آن زمان به سادگی قادر به ارائه این نظریه نبودند، به همین دلیل بود که این ایده تا کنون کنار گذاشته شد.

اما به لطف پیشرفت های بزرگ در تجهیزات راکتور، دانشمندان برای اولین بار محرک جریان هلیکن را آزمایش کردند و با موفقیت نشان دادند.

فیزیکدانان باب پینسکر، جف لستز، و بارت ون کامپرنول از جنرال اتمیکس، نویسندگان اصلی مقاله توصیف کننده نتایج بودند که اخیرا در Physical Review Letters منتشر شده است.

اکثر تنظیمات فیوژن پیشرو از یک توکامک استفاده می کنند، یک دستگاه دونات شکل که از میدان های مغناطیسی برای محدود کردن پلاسما استفاده می کند. به گفته توضیحی از وزارت انرژی ایالات متحده، یک مجموعه از سیم پیچ های مغناطیسی یک میدان حلقوی در مسیر طولانی اطراف دونات ایجاد می کند، در حالی که یک آهنربای حامل جریان به نام سلونوئید میدان مغناطیسی دوم را در مسیر کوتاهی در اطراف دونات ایجاد می کند.

با این حال، همانطور که پینسکر به Gizmodo توضیح داد، طول عملیاتی توکامک در مدت زمان آن -طول پالس- «ذاتا محدود است» زیرا جریان پلاسما توسط یک آرایش ترانسفورماتور مانند هدایت می‌شود. در یک نقطه خاص، شیر برقی باید ریست شود و پلاسما باید خاموش شود. این به طور ذاتی اختلالاتی را در مدت زمانی که یک توکامک می تواند کار کند ایجاد می کند. به عنوان مثال، پینسکر گفت، طول پالس توکامک در DIII-D تنها به حدود 10 ثانیه محدود می شود. او افزود که راکتورهای بزرگتر می توانند این پالس ها را برای حدود 500 ثانیه (8 دقیقه) یا حتی 1000 ثانیه (17 دقیقه) حفظ کنند.

لستز گفت، با این حال، در نهایت، راکتورهای توکاماک که به این روش کار می‌کنند نمی‌توانند در یک «حالت ثابت» کار کنند، این همان چیزی است که اکثر مطالعات طراحی نشان می‌دهند که برای تجاری بودن آنها به آن‌ها نیاز است. در نتیجه، دانشمندان روش‌های «غیر القایی» را برای هدایت جریان توکامک با استفاده از امواج الکترومغناطیسی مختلف کشف کرده‌اند.

پینسکر توضیح داد: «بنابراین درایو جریان هلیکونی رویکرد متفاوتی برای انرژی همجوشی ایجاد نمی کند. «[ر]بلکه، این فناوری دیگری است که می‌توان برای بهبود این رویکرد در توکامک به کار برد.»

به گفته پینسکر، ایده پشت این روش ها این است که انرژی فرکانس رادیویی را به چنبره وارد کند تا انواع خاصی از امواج را در پلاسما تحریک کند. اینها سپس با الکترون‌های پلاسما تشدید می‌شوند، که الکترون‌ها را به امتداد هل می‌دهد و جریانی تولید می‌کند. این در چندین توکوماک نشان داده شده است. لستز افزود، با این حال، رویکرد مورد استفاده در آن آزمایش ممکن است در نفوذ بیشتر به داخل پلاسما کوتاه باشد.

دانشمندان این نظریه را مطرح کردند که نوع متفاوتی از امواج رادیویی در محدوده فرکانسی یکسان - یک هلیکون - می تواند این نگرانی ها را برطرف کند. به گفته پینسکر - که تز دکترای او بر این پروپوزال متمرکز بود - سه دلیل اصلی وجود داشت که در دهه 80 همه چیز درست نشد. اول، پلاسماهای موجود در توکاماک‌ها در آن زمان «به اندازه کافی شبیه رآکتور» برای جذب مناسب امواج هلیکون بودند. دوم، فناوری پرتاب امواج به اندازه کافی کارآمد نبود. در نهایت، تکنیک های تشخیصی به اندازه کافی پیشرفته نبودند تا دانشمندان بتوانند جریان های غیر القایی در پلاسما را بررسی کنند.

پینسکر در مصاحبه ای با انجمن هسته ای آمریکا (ANS) گفت: «همه کسانی که در دهه 80 آن را امتحان کردند، به نوعی امیدوار به معجزه بودند. "ما امیدوار بودیم که آن بخش از مدل اشتباه باشد. [...] مشکل همیشه این بود که ما راکتوری در اطراف نداشتیم تا آن را آزمایش کنیم."

اما در چند دهه بعد، این رشته شاهد تغییرات شگرفی بود. در اوایل سال 2014، پینسکر و همکارانش آماده شدند تا نظریه قدیمی را احیا کنند و دور جدیدی از آزمایشات در تابستان 2024 آغاز شد. DIII-D یک آنتن تخصصی به نام «خط شانه» داشت که می‌توانست امواج هلیکونی را به سمت پلاسما پرتاب کند که آنقدر داغ است که آنها را جذب کند. علاوه بر این، پیشرفت در تکنیک‌های اندازه‌گیری به این معنی است که تیم می‌تواند نگاه دقیق‌تری به نحوه انجام آزمایش‌های خود داشته باشد.

خلاصه این بار نتیجه داد. پینسکر به ANS گزارش داد که تیم به وضوح می تواند گرمایش پلاسما را که در نتیجه جذب موج هلیکون است، شناسایی کند. اما قبل از اینکه بیش از حد هیجان زده شوند، محققان در تایید ارزیابی های آماری دقت بیشتری کردند. پینسکر به ANS اضافه کرد و یادآوری کرد که چگونه آنها «واقعا افراط کردند تا مطمئن شوند که نمی‌توانیم ما را متهم به چیدن گیلاس و نشان دادن یک شات تصادفی کنیم که تأثیر زیادی داشت».

پینسکر گفت: نتایج چشمگیر به نظر می رسد، اما هنوز راه طولانی در پیش است. لستز به Gizmodo گفت DIII-D همچنین یک مرکز آزمایشی است و نمی‌تواند «شرایط راکتور مانند» را تکرار کند، که درایو جریان هلیکون بیشترین نوید را برای آن دارد.

پینسکر افزود: «مانند هر آزمایش خوب، می‌توانم بگویم که نتایج ما راه‌های زیادی را برای کار بیشتر پیشنهاد می‌کند و تعدادی سؤال بعدی را مطرح می‌کند.» من فکر می‌کنم که ساده‌ترین راه برای بهبود قابل‌توجه نتایج، افزایش قابل ملاحظه‌ای مقدار قدرتی است که می‌توانیم با امواج هلیکون در پلاسما جفت کنیم.»

به طور خلاصه - مانند اکثر تحقیقات فیوژن - فقط زمان مشخص خواهد کرد. اما یافته های جدید اثبات می کند که با گذشت زمان، علم راهی پیدا می کند. و به نظر من این یک ایده امیدوارکننده است.