Exceeding 1012 D-D flash neutrons in the 4.5-MA 1-MJ dense plasma focus FAETON-X
حقق مرفق FAETON-X، وهو نظام تركيز البلازما الكثيفة بقدرة 4.5 ميجا أمبير و1 ميجا جول من تطوير شركة Fuse Energy Technologies، رقماً قياسياً في معامل الجدارة بلغ 4.5 ميجا أمبير/ميجا جول وأنتج ذروة إنتاج نيوترونات D-D تبلغ حوالي 1.27×10¹² لكل إطلاق، مما يثبت كفاءة فائقة في الطاقة بين أجهزة الاندماج من فئة الميجا جول.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
نجم صغير في صندوق
تخيل محاولة إعادة إنشاء قوة الشمس هنا على الأرض. هذا هو حلم طاقة الاندماج: صدم الذرات الصغيرة ببعضها البعض بقوة تجعلها تندمج، مما يطلق كميات هائلة من الطاقة النظيفة. لكن الشمس تمتلك الجاذبية لتمسك بكل شيء معاً؛ نحن لا نملك ذلك. لذا، يستخدم العلماء آلات ضخمة لضغط الذرات باستخدام قوى مغناطيسية، مما يخلق كرة من الغاز شديد السخونة وشديد الكثافة تسمى "البلازما". إحدى أذكى الطرق للقيام بذلك هي استخدام جهاز يسمى "التركيز البلازمي الكثيف" (Dense Plasma Focus). فكر في الأمر كأنه آلة "بينبول" كونية حيث تعمل الكهرباء كالمضرب، لتقذف تياراً من الجسيمات المشحونة في لولب ضيق. وعندما تصطدم هذه الجسيمات ببعضها البعض في المركز، تُضغط بقوة شديدة لدرجة أنها تندمج، مطلقةً دفعات من النيوترونات (جسيمات صغيرة) والأشعة السينية.
لماذا نهتم بهذه الدفعات الصغيرة؟ حسناً، هي ليست مجرد وسيلة لتوليد الكهرباء (رغم أن هذا هو الهدف النهائي). في الوقت الحالي، تشبه هذه الآلات كشافات ضوئية فائقة القدرة يمكنها اختبار مدى قدرة المواد والإلكترونيات على الصمود أمام الإشعاع المكثف. وهذا أمر بالغ الأهمية لتصميم مركبات فضائية يمكنها النجاة في الفضاء العميق أو بناء إلكترونيات لن تتعطل أثناء العواصف الشمسية. التحدي الكبير كان دائماً هو الكفاءة: الحصول على أكبر "عائد مقابل التكلفة" من خلال استخدام أقل قدر ممكن من الكهرباء المخزنة لإنشاء أقوى وأحر عملية ضغط.
FAETON-X: عاصفة رعدية في زجاجة
في هذه الورقة البحثية، يقدم فريق من الباحثين من شركة "Fuse Energy Technologies" وعدة جامعات آلة جديدة تسمى FAETON-X (أو FX للاختصار). يصفونها بأنها الآلة الأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة والأعلى تياراً من نوعها في العالم. إذا سبق لك رؤية عاصفة رعدية، فأنت تعلم أن قوة الصاعقة تعتمد على مقدار الجهد الذي تحمله ومدى سرعة تسليم تلك الطاقة. أراد الباحثون بناء آلة يمكنها تقديم "صرخة" كهربائية هائلة في جزء ضئيل من الثانية، لضغط البلازما بشكل أضيق من أي وقت مضى.
بُنيت الآلة مثل بنك مكثفات ضخم (بمثابة بطارية فائقة الشحن) يحمل 1 ميجاجول من الطاقة. وهي تستخدم 20 مكثفاً لتخزين هذه الطاقة، والتي يتم إطلاقها دفعة واحدة. كان الهدف هو دفع تيار ذروة يصل إلى 4.5 ميجا أمبير (أي 4.5 مليون أمبير!) عبر البلازما. ولوضع ذلك في السياق، فإن الدائرة المنزلية النموذجية تحمل حوالي 15 إلى 20 أمبير. هذه الآلة تدفع ما يعادل كهرباء مئات الآلاف من المنازل عبر أنبوب في جزء من الثانية.
السر يكمن في الكفاءة. فقد قاس الباحثون "معيار الجدارة" وبلغ 4.5 MA/MJ. وهذا يعني أنه مقابل كل ميجاجول من الطاقة المخزنة، يحصلون على 4.5 مليون أمبير من التيار. هذا رقم قياسي للآلات بهذا الحجم، حيث يتفوق على المنشآت المماثلة التي تدير عادة ما بين 2.35 و3.25 MA/MJ. ولأن كمية النيوترونات التي تنتجها الآلة تتناسب مع القوة الرابعة للتيار (مما يعني أن أي زيادة صغيرة في التيار تؤدي إلى انفجار هائل في النيوترونات)، فإن هذه الزيادة في الكفاءة تعد نقطة تحول جذرية.
النتائج: ومضة من النيوترونات
لم يكتفِ الفريق ببناء الآلة فحسب، بل قاموا بتشغيلها ومراقبة ما يحدث. أجروا 229 تجربة (طلقات) خلال حملة التكليف الخاصة بهم، حيث رفعوا القدرة تدريجياً بينما كانوا يتعلمون كيفية جعل الآلة تعمل بشكل أفضل. وجدوا أنه مع استمرار إطلاق الآلة، بدأت الأقطاب الكهربائية بداخلها في "التكيّف" (Conditioning)—أي أنها أصبحت نظيفة وناعمة بفعل الانفجارات المتكررة—مما ساعد البلازما على الانضغاط بشكل أضيق وإنتاج المزيد من النيوترونات.
وعلى الرغم من أن الآلة لم تكن "متكيفة" بالكامل بعد (مما يعني أن لديها مجالاً للتحسن)، إلا أنها حققت بالفعل أهداف التصميم الخاصة بها.
- الهدف: توقعوا الحصول على حوالي 5 × 10¹¹ نيوترون لكل طلقة.
- الواقع: حصلوا باستمرار على رقم قريب من ذلك، ولكن في أفضل طلقة لهم (الطلقة رقم 224)، سجلوا ذروة إنتاج بلغت (1.27 ± 0.27) × 10¹² نيوترون.
هذا أكثر من ضعف ما كانوا يأملون فيه! وقد حققوا ذلك باستخدام غاز الديوتيريوم بضغط قدره 10 تور. كما أنتجت الآلة "جهد ضغط ناتج عن الديناميكيات" بلغ ذروته عند 127 كيلو فولت قبل أن تتوقف البلازما عن الحركة وتتعرض للانضغاط. هذا الجهد العالي هو بالضبط ما توقع الفريق حدوثه، مما يؤكد أن فلسفة التصميم الخاصة بهم ناجحة.
ماذا تخبرنا البيانات
استخدم الباحثون مجموعة من الأدوات عالية التقنية لمراقبة الحدث، بما في ذلك كاميرات خاصة ترى الأشعة السينية، ومستشعرات تقيس سرعة حركة البلازما، وكواشف تعد النيوترونات. وقارنوا ما شاهدوه مع المحاكاة الحاسوبية (باستخدام ما يسمى بـ "كود لي" Lee code). وقد تطابقت البيانات الواقعية مع النماذج الحاسوبية بشكل جيد جداً، خاصة فيما يتعلق بحركة البلازما وكمية الطاقة المنقولة.
كان هناك اكتشاف مثير للاهتمام حول "غمد التيار" (Current Sheath)—وهي طبقة البلازما التي تُدفع نحو الداخل. في بداية عملية الضغط، كان الغمد منتشراً أو متفرقاً قليلاً، ولكن مع اقتربه من المركز، أصبح أكثر ضيقاً، مع مشاركة المزيد من التيار في عملية السحق النهائية. هذا السلوك هو ما فسر سبب ارتفاع إنتاج النيوترونات. كما أنتجت الآلة فوتونات (جسيمات ضوئية) تقع غالبيتها في نطاق 250 إلى 750 كيلو إلكترون فولت، وهو نوع محدد من الأشعة السينية عالية الطاقة.
ما الخطوة التالية؟
الورقة البحثية واضحة جداً بشأن ما يمكن وما لا يمكن لهذه الآلة فعله الآن. فهي مُحسّنة حالياً لاندماج D-D (ديوتيريوم-ديوتيريوم)، وهو ما اختبروه. ومع ذلك، فإن التصميم مهيأ أيضاً للتعامل مع اندماج D-T (ديوتيريوم-تريتيوم). ويحسب الفريق أنه إذا قاموا بتغيير وقود الـ D-T، فقد تتمكن الآلة من إنتاج حوالي 5 × 10¹³ نيوترون لكل طلقة. سيكون ذلك قفزة هائلة، مما يجعلها أداة قوية لاختبار مدى صمود الإلكترونيات والمواد أمام الإشعاع الشديد.
ذكروا أيضاً أنه يمكن تعديل الآلة لتعمل بضغوط أقل لإنشاء حزم سريعة من الجسيمات، والتي يمكن استخدامها لدراسة تفاعلات D-7Li. وهذا من شأنه أن ينتج نيوترونات أسرع بكثير (تصل إلى 14 ميجا إلكترون فولت)، وهي مفيدة لمحاكة البيئات الإشعاعية القاسية الموجودة في الفضاء أو المفاعلات النووية.
ويلاحظ المؤلفون بحذر أنه رغم كون النتائج مبهرة، إلا أن الآلة لا تزال في مرحلة "التكيّف". ويتوقعون أنه مع المزيد من الطلقات والضبط الدقيق لأشكال الأقطاب (لقد جربوا بالفعل رؤوس آنود وفجوات مختلفة)، فإن إنتاج النيوترونات سيرتفع أكثر، ليصل محتملاً إلى كفاءة 5 MA/MJ. وفي الوقت الحالي، تقف FAETON-X كإثبات لمفهوم أن آلة مدمجة وعالية الكفاءة يمكنها توليد "ومضة" من النيوترونات تضاهي منشآت أكبر وأقدم بكثير، مما يفتح الباب أمام اختبارات الإشعاع وأبحاث الاندماج دون الحاجة إلى محطة طاقة ضخمة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.