ستارلیتور
وندلشتاین 7-اکس
۱۷ دسامبر ۲۰۱۵
اکنون، آلمانی‌ها پس از ۱۹ سال طولانی، نهایتاً مونتاژ این واقعیت فنی واقعی که یک ستارلیتور است، را به پایان رساندند. در اوایل دسامبر، این دستگاه اولین پلاسما را تولید کرد، دهه‌ها قبل از دستگاه ایتر. البته افرادی که وب‌سایتم را بازدید می‌کنند، به من سوالات بسیاری درباره این دستگاه مطرح کردند.
برای اینکه این پروژه به واقعیت بپیوندد، ۱۹ سال و یک میلیون ساعت کار لازم بود. این دستگاه شامل ۲۰ سیم‌پیچ صاف و ۵۰ سیم‌پیچ غیر صاف است. چرا این تمایز؟ وقتی می‌خواهیم میدان مغناطیسی در این سیم‌پیچ‌ها ایجاد کنیم، باید جریان بسیار قوی را در آن‌ها عبور دهیم که می‌تواند به ۱۲ هزار آمپر برسد. اما وقتی جریان قوی در یک سیم‌پیچ عبور می‌کند، تحت نیروهای گریز از مرکز قرار می‌گیرد که باعث می‌شود سیم‌پیچ به شکل دایره‌ای درآید. در این حالت، این نیروها می‌توانند باعث شکست سیم‌پیچ شوند. چون هندسه چرخه ستارلیتور آلمانی بسیار پیچیده است، لازم بود سیم‌پیچ‌هایی با شکل‌های نه تنها دایره‌ای، بلکه منحنی و غیر صاف طراحی شوند:
چرا هندسه‌ای چنان پیچیده؟ اگر پنج ویدیویی که روی یوتیوب قرار داده‌ام را تماشا کنید، اصول اصلی تکامک‌ها در آن‌ها بیان شده است. این ایده از سوی آندری ساخاروف و آرتسیموویچ به وجود آمده است. اگر یک اتاق توروئیدال را با سیم‌پیچ‌های دایره‌ای، به صورت منظم مجهز کنیم، میدان مغناطیسی در نزدیکی محور دستگاه، جایی که سیم‌پیچ‌ها به هم نزدیک‌ترند، قوی‌تر خواهد بود. پلاسما به سمت مناطقی که میدان مغناطیسی کمتر است، تمایل دارد، بنابراین میدان مغناطیسی به سمت بیرون از اتاق پلاسما را فشار می‌دهد. تکامک یک راه‌حل اولیه است. با استفاده از یک سولنودی که در طول محور دستگاه قرار دارد و میدانی که به آرامی افزایش می‌یابد (که در ایتر به ۱۳ تسلا خواهد رسید)، که اتاق آزمایش را احاطه می‌کند، جریان القایی ایجاد می‌شود که به صورت دایره‌ای در پلاسما جریان می‌یابد. این جریان خودش یک میدان ایجاد می‌کند که به آن میدان پولوئیدال گفته می‌شود و با میدان ایجاد شده توسط سیم‌پیچ‌های اطراف اتاق ترکیب می‌شود. در نتیجه، خطوط میدان به شکل مارپیچی درمی‌آیند.
چون ذرات باردار تمایل دارند خودشان حول خطوط میدان مغناطیسی مارپیچی حرکت کنند، این خطوط را دنبال خواهند کرد. این کار به حفظ پلاسما در مرکز اتاق کمک می‌کند. راه‌حل دیگری که در دهه ۱۹۵۰ توسط آمریکایی لیمن اسپیتزر پیشنهاد شده بود، یک ستارلیتور بود. دستگاه وندلشتاین X-7 یک ستارلیتور است:
در رنگ زرد، اتاق دستگاه و در رنگ آبی، سیم‌پیچ‌های متعدد. در طراحی ستارلیتور آلمانی، محاسبات فراوانی روی کامپیوتر انجام شد تا شکل اتاق و طراحی سیم‌پیچ‌ها بهینه شوند. این کار نیازمند کار فراوان و یک میلیون ساعت کار بود.
چرا ستارلیتور را به جای تکامک انتخاب کردند؟ در تکامک (و ایتر) مانع اصلی، احتمال وقوع اختلالات (disruptions) است. در داخل اتاق، جریان پلاسما (۱۵ میلیون آمپر در ایتر) می‌تواند به صورت مجازی به عنوان یک مار که دم خود را می‌بلعد تصور شود. به طور ساده، یک اختلال می‌تواند به شکل قطع شدن چرخش این جریان مقایسه شود. در این حالت، مار دم خود را رها می‌کند و به سمت دیوار می‌رود. در ایتر، این "دندان‌زنی" به ۱۱ میلیون آمپر تخمین زده شده است.
علت: ناپایداری MHD. بدتر از آن: این تغییر شکل میدان مغناطیسی با گرادیان‌هایی همراه است که به عنوان مناطقی عمل می‌کنند که ذرات باردار (به ویژه الکترون‌ها) را شتاب می‌دهند. این ذرات به سرعت‌های نسبیتی نزدیک به سرعت نور می‌رسند و انرژی بسیار زیادی کسب می‌کنند. از یک سرعت خاص به بعد، آن‌ها تقریباً دیگر با یون‌ها تعامل نمی‌کنند. به این ذرات، الکترون‌های جدا شده گفته می‌شود. اما به دلیل "اثر آبشاری"، این الکترون‌ها دیگر الکترون‌ها را شتاب می‌دهند. این اثر ضرب‌دری بسیار قوی در ایتر وجود دارد.
در یک ستارلیتور، چنین پدیده‌هایی وجود ندارند. این به این معنا نیست که ناپایداری‌های دیگری نمی‌توانند ظاهر شوند. تنها آزمایش‌ها پاسخ به این سوال را خواهند داد. از نیم قرن گذشته، دستگاه‌های پلاسما بیش از حد شگفتی‌های بدی داشته‌اند که نشان می‌دهد پیشرفت به صورت تدریجی ضروری است.
دستگاه آلمانی سیستم مغناطیسی دارد که در آن شدت میدان به ۳ تسلا می‌رسد. سیستم گرمایش با موج‌های میکرویی برای کارکرد ۱۰ تا ۵۰ ثانیه طراحی شده است. یک سیستم تزریق نوترونی به انرژی ۸ مگاوات می‌رسد. با این دستگاه، محققان امیدوارند که پلاسما را در اتاق با چگالی ۳×۱۰²⁰ هسته در متر مکعب به دمای ۶۰ تا ۱۲۰ میلیون درجه برسانند.
ستارلیتور آلمانی قادر به ایجاد پلاسما فیوژن «خودمختار» نخواهد بود، جایی که انرژی ناشی از فیوژن کافی باشد تا دمای پلاسما را در سطح کافی حفظ کند. با این دستگاه‌ها، هدف این است که «آتش هسته‌ای» را روشن کنیم. می‌توان این کار را به یک تلاش برای روشن کردن «چوب کمی مرطوب» با قطعات چوبی یا یک «شعله‌زن» ماشینی مقایسه کرد. هرچه چوب مرطوب سوخته شود، فرآیند اکسیژن‌زایی ادامه می‌یابد. وقتی قطعات چوب خشک یا شعله‌زن مصرف شدند، دو حالت ممکن است: یا گرما ناشی از سوختن چوب مرطوب کافی باشد تا آتش به صورت خودکار حفظ شود، یا این انرژی ناکافی باشد و آتش خاموش شود و شما مجبور شوید دوباره با یک شعله‌زن جدید عمل کنید.
هیچ دستگاه پلاسما در جهان تاکنون نتوانسته است چنین شرایطی را ایجاد کند. بهترین دستگاه: جت، مقدار ضریب Q = انرژی ورودی / انرژی تولید شده را به ۰٫۶ برساند. هدف ایتر بود که ضریب بیشتر از یک به دست آید. در این مسیر، هیچ اطلاعاتی درباره رفتار پلاسما فیوژن خودمختار ناگهانی نداریم. همانطور که در هر موضوع مربوط به این موضوعات، پیش‌بینی‌های نظری بسیار دشوار است.
ستارلیتور آلمانی هزینه‌ای داشت که با پیچیدگی آن متناسب بود. فکر می‌کنم هزینه‌ها به یک میلیارد یورو رسیده باشد. اما این یک پروژه بود که به بلوغ رسیده است. دستگاه ساخته شده، دستگاه‌های مغناطیسی آن فعال هستند و در اوایل دسامبر، محققان اولین پلاسما خود را به دست آوردند. مراحل بعدی شامل افزایش تأمین انرژی خواهد بود که مانند تکامک‌ها با استفاده از موج‌های میکرویی و تزریق نوترونی انجام می‌شود. این تکنیک‌ها کنترل شده‌اند. اولین سوال این است: «آیا این دستگاه از نظر ماندگاری پلاسما، انتظارات را برآورده می‌کند؟» به نظر می‌رسد که پاسخ مثبتی در ابتدا به دست آمده است.
آیا ستارلیتور راه‌حلی برای تولید انرژی از طریق فیوژن است؟ هنوز زود است که بگوییم. اما هزینه آن ۱۶ برابر کمتر از ایتر است. این دستگاه از این پروژه فرعونی بسیار پیشتر است: کار می‌کند و محققان نمی‌توانند از آسیب فوری ناشی از اختلالات نگران باشند، که در مورد ایتر این امر صدق نمی‌کند.
این خطر به شدت این پروژه را مختل می‌کند. اگر به طراحی ایتر نگاه کنیم، هر جایگزینی قطعه می‌تواند مشکلی غیرقابل حل باشد. قطعاتی که هدف اصلی اختلالات هستند، عناصر «دیورتور» هستند.
.
تصویر اول اندازه قطعه را در مقایسه با کل دستگاه نشان می‌دهد. یک ویدیو وجود دارد که به چه آکروباتیک‌هایی فنیان باید بپردازند تا قطعات را نصب کنند. جایگزینی آن‌ها نیز مشکل‌بر است. ببینید:
https://www.youtube.com/watch?v=pt70mO2nQac
در همین حال، خطر اختلال با افزایش قدرتی که می‌خواهیم از پلاسما بگیریم، افزایش می‌یابد.
ستارلیتور آلمانی یک ابزار تحقیقاتی است که هیچ ادعایی به عنوان پیش‌نمونه‌ای یک ژنراتور انرژی فیوژن ندارد. از این منظر، یک پروژه جالب است که در یک منطق منطقی قرار دارد. پروژه ایتر از ابتدا فرعونی بود. مشکلات فنی و علمی که ممکن بود با آن مواجه شویم، بسیار کمتر از آنچه که پیش‌بینی شده بود، تخمین زده شد.
در فرانسه، ما ستارلیتوری نداریم، حتی اگر این دستگاه‌ها آزمایشگاهی باشند. شخصاً پیشنهاد کرده‌ام که یک پیکربندی «گره سه‌برگ» را آزمایش کنیم که نشان‌دهنده چرخش مارپیچی خطوط میدان مغناطیسی است و در عین حال امکان ایجاد آن را با استفاده از سیم‌پیچ‌های دایره‌ای فراهم می‌کند.
اما این اتاق حول یک «هسته» ساخته شده است که معادله آن به صورت زیر است:
x = Cos t + 2 Cos 2t
y = sin t - 2 sin 2t
z = 2 sin 3t
در یک برش قائم دایره‌ای، نقطه میدان حداکثری در هر دور ۲۷۰ درجه می‌چرخد، که ممکن است کافی باشد تا یکنواختی پلاسما تضمین شود. اینکه سیم‌پیچ‌ها دایره‌ای باشند، امکان افزایش میدان به ۱۰ تسلا را فراهم می‌کند (میدان نامی در اتاق ایتر ۱۱٫۸ تسلا است).
اما تمام تلاش‌ها برای ایجاد حتی یک مدل کوچک ۵۰ سانتی‌متری در یک آزمایشگاه تخصصی، بی‌نتیجه ماند. جالب این است که بخشی از سازمان CNRS که تحقیقات پلاسما گرم را مدیریت می‌کند، نوشته است که این مطالعات به دو محور ممکن محدود می‌شوند:
-
ایتر
-
مگاژول
به عنوان نشانه، نتایج به دست آمده توسط برادر بزرگ مگاژول، NIF (مرکز تحریک ملی آمریکا)، بسیار ناامیدکننده بود. امید به مطالعه فیوژن لیزری با استفاده از دستگاه مگاژول نیز یک رویا است. دستگاه آمریکایی ۱۹۲ لیزر دارد که از شیشه دوپ شده با نئودیمیوم استفاده می‌کند، در حالی که دستگاه فرانسوی ۱۷۶ لیزر خواهد داشت. با وجود شکست NIF، پروژه فرانسوی به پایان خواهد رسید.
در همین مسیر، چرا این شکست؟
از میانه دهه ۱۹۷۰، به دلیل یک پروژه تحقیقاتی فوق‌العاده محرمانه به نام سنتوریون هالایت، آمریکایی‌ها می‌دانستند که برای فشرده‌سازی یک کروی از دوتریوم-تریتیوم به نقطه‌ای که در داخل آن فیوژن ایجاد شود، نیاز به ۱۰ تا ۲۰ مگاژول انرژی است. اما NIF تنها می‌توانست ۰٫۱۸ مگاژول را روی این قطره متمرکز کند، یعنی انرژی ۵۵ برابر کمتر. با این حال، لیزرها ۱٫۸ مگاژول انرژی تولید می‌کردند. اما در سیستم هولرهم («فر»)، ۸۰ تا ۹۰ درصد این انرژی صرف گرم کردن طلا که فر را تشکیل می‌داد، می‌شد.
فر کوچک از طلا که هدف را در بر می‌گیرد
نقطه‌ای از انرژی که واقعاً روی