پلاسمای همجوشی سطح‑راکتور: اولین اندازه‌گیری دقیق دینامیک پتانسیل

همجوشی هسته‌ای، که بر همان اصولی که خورشید را نیرو می‌دهد کار می‌کند، انتظار می‌رود به عنوان منبع انرژی پایدار برای آینده تبدیل شود. برای دستیابی به تولید انرژی همجوشی، لازم است پلاسمایی را در دماهای بیش از صد میلیون درجه با استفاده از میدان مغناطیسی مهار کرده و این وضعیت پرانرژی را به‌طور پایدار حفظ کرد.

یکی از عوامل اصلی در تحقق این هدف، پتانسیل الکتریکی داخل پلاسماست. این پتانسیل، حمل و نقل ذرات و انرژی درون پلازمای همجوشی را کنترل می‌کند و نقش حیاتی در ایجاد حالتی دارد که در آن انرژی به‌طور مؤثر مهار شده و از خروج آن جلوگیری می‌شود. بنابراین، اندازه‌گیری دقیق پتانسیل داخلی پلازمای همجوشی برای بهبود عملکرد راکتورهای همجوشی آینده ضروری است.

یک تکنیک تشخیصی بدون تماس به نام پرتو‌سنجی یون سنگین (HIBP) برای اندازه‌گیری مستقیم پتانسیل پلازمای همجوشی به‌کار می‌رود. در این روش، یون‌های طلا با بار منفی (Au⁻) شتاب داده شده و به داخل پلازمای همجوشی تزریق می‌شوند.

با تشخیص تغییر حالت بار آن‌ها در اثر تعامل با پلازمای همجوشی، می‌توان پتانسیل الکتریکی داخل پلازمای همجوشی را با حساسیت بالا استنتاج کرد. اما برای به‌دست آوردن سیگنال‌های دقیق، نیاز به پرتو یون قوی و پایدار است.

اگرچه پیشرفت‌های حاصل‌ شده در منبع یون‌های منفی باعث افزایش جریان پرتو قابل استفاده شده است، اما انتقال و تزریق مؤثر پرتوهای با جریان بالا به شتاب‌دهنده همچنان دشوار مانده است که این امر دقت تشخیص را محدود می‌کند.

نحوهٔ اندازه‌گیری پلازمای همجوشی توسط سیستم HIBP

در دستگاه حلزونی بزرگ (LHD)، سیستم HIBP برای اندازه‌گیری پتانسیل الکتریکی در پلاسم‌ها توسعه یافته است.

در این سیستم، پرتو یون طلا با بار منفی (Au⁻) به شتاب‌دهندهٔ تاندم تزریق می‌شود، به پرتو یون طلا با بار مثبت (Au⁺) تبدیل می‌گردد و سپس تا ۶ مگا الکترون‌ولت (MeV) در خروجی شتاب‌دهنده شتاب می‌گیرد و به داخل پلازمای همجوشی تزریق می‌شود.

پرتو که از طریق برخورد با پلازمای همجوشی به Au²⁺ تبدیل می‌شود، از میان پلازمای مغناطیسی عبور می‌کند و با اندازه‌گیری اختلاف انرژی بین پرتو Au⁺ ورودی و پرتو Au²⁺ پس از عبور از پلازمای همجوشی، می‌توان پتانسیل الکتریکی در نقطه‌ای که Au²⁺ تولید شده است را تعیین کرد.

برای به‌دست آوردن سیگنال پتانسیل واضح و دقیق، نیاز به جریان تزریق بالاتر به داخل پلازمای همجوشی است.

اگرچه جریان خروجی منبع یون Au⁻ با موفقیت افزایش یافت، جریان پرتو تزریقی به شتاب‌دهندهٔ تاندم به‌صورت مستقیم قابل افزایش نبود و این مسأله همچنان یک چالش مهم باقی ماند.

حل گلوگاه انتقال پرتو

برای شناسایی علت این محدودیت، یک تیم پژوهشی کارایی انتقال پرتو یون سنگین را در بخش انرژی‌پایین—از منبع یون منفی تا ورودی شتاب‌دهندهٔ تاندم—با استفاده از کد شبیه‌سازی انتقال پرتو یون IGUN تحلیل کرد. این کار در مجله Nuclear Fusion منتشر شده است.

شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که وقتی جریان پرتو Au⁻ کمتر از ۱۰ میکروآمپر (µA) باشد، پرتو می‌تواند از شکاف ورودی در طول تسریع عبور کند. اما در جریان‌های بالاتر، پرتو به‌دلیل اثر بارهای فضایی گسترش می‌یابد و منجر به از دست رفتن قابل‌توجه پرتو پیش از ورود به شتاب‌دهندهٔ تاندم می‌شود.

در مورد پرتوهای یون سنگین مانند طلا، این محدودیت ناشی از بارهای فضایی به‌ویژه واضح می‌شود حتی اگر جریان خروجی منبع یون منفی افزایش یابد.

برای بهبود کارایی انتقال پرتو، تیم پیشنهاد کرد که از شتاب‌دهندهٔ چندمرحله‌ای واقع بین منبع یون و شتاب‌دهندهٔ تاندم استفاده شود؛ نه تنها برای شتاب‌دهی بلکه به‌عنوان یک لنز الکتروستاتیک با بهینه‌سازی توزیع ولتاژهای آن.

شبیه‌سازی‌های عددی نشان دادند که با بهینه‌سازی تخصیص ولتاژ الکترودهای چندمرحله‌ای، می‌توان ناحیه‌ی انتقال بالا با بیش از ۹۵٪ را به‌دست آورد که کارایی انتقال پرتو را به‌طور قابل‌توجهی نسبت به پیکربندی ولتاژهای مرسوم ارتقا می‌دهد.

آزمایش‌های بعدی پلاسمایی اعتبار این رویکرد را تأیید کردند؛ به‌طوری که جریان پرتو Au⁻ تزریق شده به شتاب‌دهندهٔ تاندم دو تا سه برابر افزایش یافت.

گسترش تشخیص‌های پلازمای همجوشی و تأثیرات آینده

با افزایش جریان پرتو Au⁻، پرتو Au⁺ مرتبطی که به داخل پلازمای همجوشی تزریق می‌شود نیز افزایش یافت؛ در نتیجه دامنه قابل‌اندازه‌گیری پتانسیل پلازمای همجوشی در LHD تا چگالی الکترونی متوسط خطی ۱.۷۵×۱۰¹⁹ m⁻³ گسترش یافت.

وضوح سیگنال بهبود یافته امکان شناسایی تغییرات زمانی توزیع پتانسیل داخلی پلازمای همجوشی مرتبط با تغییرات وضعیت مهار پزم را فراهم کرد. در t = 4.0 ثانیه، پزم توسط گرمایش سیکلوترون الکترونی حفظ می‌شد؛ در t = 6.1 ثانیه، ۰.۱ ثانیه پس از خاموش شدن گرمایش؛ و در t = 7.0 ثانیه، توسط تزریق پرتوهای خنثی با انرژی ۱۸۰ keV.

نتایج کاهش سریع کلی پتانسیل پلاسما را بلافاصله پس از پایان گرم‌کردن الکترونی نشان داد، که پس از آن پروفیل پتانسیل به‌صورت تدریجی صاف شد. از آنجا که تغییرات پتانسیل پلاسما تأثیر شدیدی بر عملکرد مهار پلاسما دارد، این داده‌های تجربی برای بهبود مدل‌های پیش‌بینی رفتار پلاسما و استقرار چارچوب‌های جدید مهار در پژوهش‌های همجوشی ضروری هستند.

روشی که در این مطالعه توسعه یافته است، راه‌حل عملی و فشرده‌ای برای بهینه‌سازی انتقال پرتو یون سنگین ارائه می‌کند و می‌تواند به سایر سیستم‌های تشخیصی و کاربردهای شتاب‌دهنده که به پرتوهای با شدت بالا نیاز دارند، تعمیم یابد.

علاوه بر این، دستیابی به اندازه‌گیری‌های دقیق و قابل تکرار ساختار پتانسیل داخلی در پلازمای همجوشی مقیاس راکتور، به‌عنوان یک پایگاه داده اساسی برای پژوهش‌های آینده در زمینهٔ کنترل پلاسما و طراحی راکتور، اهمیت بسیار بالایی دارد.

اطلاعات بیشتر: M. Nishiura et al, Enhanced beam transport via space charge mitigation in a multistage accelerator for fusion plasma diagnostics, Nuclear Fusion (2025). DOI: 10.1088/1741-4326/ae0da1

ارائه‌شده توسط مؤسسات ملی علوم طبیعی