Two-length spatial correlation function of turbulence in TCV

في قلب مفاعل الاندماج النووي، لا يستقر الغاز شديد السخونة المعروف باسم البلازما ساكناً؛ بل يضطرب ويتموج بعواصف غير مرئية، وهو مزيج فوضوي من الدوامات المتلاطمة والزيادات المفاجئة التي تنقل الحرارة والجسيمات بعيداً عن المركز. هذا الاضطراب هو العقبة الرئيسية التي تقف بين العلماء ومصدر طاقة نظيف وغير محدود. فإذا تسربت البلازما بسرعة كبيرة، تبرد التفاعلات وتتوقف. لعقود من الزمن، أدرك الباحثون أن حالات التسرب هذه تحدث بطريقتين متميزتين: الأولى هي خلط محلي بطيء، يشبه تحريك كوب من القهوة حيث تنتشر الحرارة تدريجياً من المركز الساخن إلى الحافة الأبرد. والثانية أكثر دراماتيكية: حدث مفاجئ متسلسل، حيث يؤدي اضطراب محلي إلى إطلاق سلسلة من الحركة التي تقذف بالطاقة عبر البلازما بأكملها، تماماً مثل قطعة دومينو واحدة تسقط لتطيح بصف طويل من القطع الأخرى. هذه الظاهرة الثانية، المعروفة باسم "الانهيار الجليدي" (avalanche)، يصعب رصدها أثناء حدوثها لأنها تحدث بسرعة وتمتد عبر مسافات شاسعة.

قام فريق من الباحثين في جهاز "توكاماك آ كونفيغوراثيون فاريابل" (TCV) في سويسرا الآن بإلقاء نظرة فاحصة على هذه العواصف غير المرئية، بحثاً عن العلامات الدالة على هذه الانهيارات الجليدية. وباستخدام نظام متخصص يشبه الرادار يسمى "تشتت باكسانتراك الخلفي لدوپلر" (Doppler backscattering)، أرسلوا حزمًا من الموجات الميكروية إلى البلازما لقياس مدى تقلب كثافة الغاز. ومن خلال تتبع كيفية ارتباط هذه التقلبات في نقطة ما بنقطة أخرى بعناية، رسموا خريطة لحجم الهياكل المضطربة. وتكشف أعمالهم أنه في ظروف معينة، لا يكون للاضطراب حجم واحد فقط، بل يظهر حجمين متميزين من السلوك في آن واحد. الأول هو حجم محلي صغير، يقدر بنحو ثلاثة إلى خمسة أضعاف عرض مسار لولب أيون واحد حول خط المجال المغناطيسي. والثاني أكبر بكثير، حيث يمتد من خمسة إلى خمسة عشر ضعف ذلك العرض. هذا الطبيعة المزدوجة تشير إلى أنه بينما تضطرب البلازما باستمرار في دوامات صغيرة، فإنها تتعرض أحياناً لهذه الأحداث الشبيهة بالانهيارات الجليدية التي تنقل الطاقة عبر مسافات كبيرة.

لفهم ما وجدوه، يجب أولاً فهم كيف بحثوا. استخدم الباحثون أداة تشخيصية تطلق حزمتين من الموجات الميكروية في البلازما من نفس الاتجاه ولكن بترددات مختلفة قليلاً. تظل إحدى الحزمتين ثابتة في بقعة معينة، لتعمل كمرجع، بينما تنتقل الأخرى بين مواقع قريبة مختلفة. ومن خلال مقارنة الإشارات من هاتين الحزمتين، استطاع الفريق حساب مدى ارتباط الاضطراب عبر المسافة. فإذا كان الاضطراب في نقطة ما يشبه تماماً الاضطراب على بعد بضعة سنتيمترات، فإن الارتباط يكون عالياً. ومع زيادة المسافة، ينخفض الارتباط عادةً. وفي كثير من قياساتهم، اتبع هذا الانخفاض منحنى واحداً سلساً، مما يشير إلى حجم موحد للهياكل المضطربة. ومع ذلك، في حوالي نصف الحالات، تغير شكل المنحنى؛ حيث يهبط بسرعة في البداية، بما يتوافق مع الدوامات الصغيرة، ثم يستقر ليصبح منحدرًا ثانياً أبطأ. هذا المنحدر الثاني أشار إلى وجود هياكل أكبر بكثير وأكثر امتداداً.

كان الباحثون حريصين على التأكد من أن هذه النتائج حقيقية وليست ناتجة عن خلل في معداتهم. وقاموا بمقارنة نتائجهم مع أداة تشخيصية مختلفة تسمى "قياس الانعكاس قصير النبضات" (short-pulse reflectometry)، والتي تقيس الاضطراب بطريقة مختلفة. وقد اتفقت الطريقتان بشكل معقول فيما يتعلق بالهياكل الصغيرة، مما منح الفريق ثقة في بياناتهم. كما اختبروا البلازما تحت ظروف تسخين مختلفة، باستخدام الحزم المتعادلة وموجات دوران الإلكترونات (electron cyclotron waves) لتسخين الغاز. ووجدوا أن حجم الدوامات المحلية الصغيرة ظل ثابتاً إلى حد ما، حيث بقي عادةً بين ثلاثة إلى خمسة أضعاف عرض مدار الأيون، بغض النظر عن مقدار الطاقة المضافة. ومع ذلك، كانت الهياكل واسعة النطاق أكثر تباينًا؛ فقد كانت أكثر بروزاً بالقرب من حافة البلازما وأصبحت أكثر أهمية مع زيادة قدرة التسخين.

ظهر اكتشاف مثير للاهتمام بشكل خاص عندما نظر الباحثون في سرعة تدفق البلازما. ففي بعض الظروف، تطور البلازما منطقة ضيقة تتغير فيها سرعة التدفق بسرعة كبيرة، وهي ميزة تُعرف باسم "طبقة القص" (shear layer). وعندما مر الاضطراب عبر هذه المنطقة الضيقة وسريعة التغير، لاحظ الباحثون أن الهياكل الصغيرة والكبيرة تقلصت بشكل كبير. لقد تم تمديد الدوامات وتمزيقها بفعل القص، مما جعلها أصغر وأقل ارتباطاً. وكان هذا التأثير أكثر وضوحاً في البلازما التي يتم تسخينها بواسطة موجات دوران الإلكترونات، حيث كانت طبقة القص ضيقة وكثيفة. في المقابل، كانت البلازما التي يتم تسخينها بالحزم المتعادلة تمتلك طبقة قص أوسع، ولم تتقلص الهياكل هناك بنفس القوة. وهذا يشير إلى أن تدفق البلازما نفسه يعمل كمنظم، قادر على كبح حجم الاضطراب عندما تكون الظروف مناسبة.

ولتأكيد أن أنماط الطول المزدوجة هذه مرتبطة بالفعل بنقل الانهيار الجليدي، لجأ الفريق إلى المحاكاة الحاسوبية. فقد أجروا نماذج للبلازما يمكن أن تنتج إما اضطراباً محلياً مستقراً أو انهيارات جليدية مفاجئة ومتقطعة. وفي عمليات المحاكاة التي كان فيها النقل يهيمن عليه الانهيار الجليدي، طبق الباحثون نفس التحليل الذي استخدموه على البيانات الواقعية. وكانت النتائج مذهلة: أنتجت الانهيارات الجليدية المحاكات دالة ارتباط تحمل نفس توقيع المنحدر المزدوج الذي شوهد في تجارب TCV. طابق المنحدر الصغير حجم الدوامات المحلية، بينما طابق المنحدر الطويل والبطيء حجم أحداث الانهيار الجليدي. وهذا الاتفاق القوي بين القياسات الواقعية والمحاكاة يشير إلى أن الطول الثاني الملحوظ في تجارب TCV هو بالفعل بصمة أحداث النقل الشبيهة بالانهيارات الجليدية.

لا تدعي الدراسة أنها حلت لغز اضطراب البلازما، ولا تشير إلى أن هذه النتائج ستحل فوراً التحديات الهندسية لبناء مفاعل اندماج نووي. ويشير الباحثون إلى أن الهياكل واسعة النطاق التي قاسوها في التجربة أصغر من تلك التي شوهدت في بعض المحاكاة الأخرى، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن جهاز TCV أصغر حجماً من الأجهزة الأخرى، مما يحد من كيفية نمو الانهيار الجليدي قبل اصطدامه بالجدار. علاوة على ذلك، فإن الأداة التشخيصية التي استخدموها مضبوطة على نوع معين من الموجات، مما يعني أن القياسات تعكس شريحة محددة من طيف الاضطراب وليس الصورة الكاملة. ومع ذلك، فإن هذا العمل يوفر قطعة حاسمة من اللغز. فمن خلال تحديد بصمة واضحة وقابلة للقياس لنقل الانهيار الجليدي، قدم الفريق طريقة جديدة لمراقبة هذه الأحداث المراوغة أثناء حدوثها. وهذا يفتح الباب أمام التجارب المستقبلية لرؤية كيفية سلوك هذه الزيادات واسعة النطاق تحت ظروف مختلفة، مثل استخدام أنواع مختلفة من الوقود أو قبيل انتقال البلازما إلى حالة عالية الأداء. إن فهم هذه الآليات هو خطوة ضرورية نحو ترويض البلازما والحفاظ على الحرارة حيث تشتد الحاجة إليها.