Các nhà nghiên cứu do Chang Liu của PPPL dẫn đầu đã tiết lộ một phương pháp đầy hứa hẹn nhằm giảm thiểu các electron chạy trốn gây hại được tạo ra do sự gián đoạn trong các thiết bị nhiệt hạch tokamak. Chìa khóa của phương pháp này là khai thác một loại sóng plasma độc đáo mang tên nhà vật lý thiên văn Hannes Alfvén, người đoạt giải Nobel năm 1970.
( a ) Tần số (đường màu xanh), tốc độ tăng trưởng (đường màu đỏ) và giảm chấn do va chạm (đường màu xanh lá cây) của CAE chiếm ưu thế từ mô phỏng tuyến tính sử dụng năng lượng RE khác nhau ( p 0 ) . Hai đường đứt nét đánh dấu các hàm tuyến tính và bậc hai của năng lượng RE. Cấu trúc chế độ ( δB ∥ ) của hai mã riêng, tương ứng với tần số 0,50 MHz và 0,93 MHz, được hiển thị trong (b) và (c). Tín dụng: Thư đánh giá vật lý (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.085102
Sóng Alfvén từ lâu đã được biết đến với khả năng nới lỏng sự giam giữ các hạt năng lượng cao trong lò phản ứng tokamak, cho phép một số thoát ra ngoài và làm giảm hiệu suất của các thiết bị hình bánh rán. Tuy nhiên, những phát hiện mới của Chang Liu và các nhà nghiên cứu tại General Atomics, Đại học Columbia và PPPL đã phát hiện ra những kết quả có lợi trong trường hợp các electron chạy trốn.
Vòng tròn đáng chú ý
Các nhà khoa học phát hiện ra rằng sự lỏng lẻo như vậy có thể khuếch tán hoặc phân tán các electron năng lượng cao trước khi chúng có thể phát triển thành tuyết lở làm hư hỏng các bộ phận tokamak. Quá trình này được xác định là có tính vòng tròn đáng chú ý: Các đường chạy trốn tạo ra sự bất ổn làm phát sinh các sóng Alfvén ngăn cản hình thành trận tuyết lở.
Liu, một nhà nghiên cứu tại PPPL và là tác giả chính của bài báo trình bày chi tiết về kết quả trên tạp chí Physical Review Letters, cho biết: “Những khám phá này cung cấp lời giải thích toàn diện cho việc quan sát trực tiếp sóng Alfvén trong các thí nghiệm gián đoạn ” . “Những phát hiện này thiết lập một mối liên hệ rõ ràng giữa các chế độ này và việc tạo ra các electron chạy trốn.”
Các nhà nghiên cứu đã đưa ra một lý thuyết về tính tuần hoàn đáng chú ý của những tương tác này. Các kết quả này rất phù hợp với những thất bại trong các thí nghiệm tại Cơ sở Hợp nhất Quốc gia DIII-D, một tokamak DOE mà General Atomics vận hành cho Văn phòng Khoa học. Các thử nghiệm lý thuyết này cũng tỏ ra khả quan trên siêu máy tính Summit tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge.
Felix Parra Diaz, người đứng đầu Khoa Lý thuyết tại PPPL, cho biết: “Công trình của Chang Liu cho thấy kích thước quần thể electron chạy trốn có thể được kiểm soát bởi sự mất ổn định do chính các electron chạy trốn gây ra”. “Nghiên cứu của ông rất thú vị vì nó có thể dẫn đến các thiết kế tokamak có khả năng giảm thiểu thiệt hại của electron chạy trốn một cách tự nhiên thông qua sự mất ổn định vốn có.”
Làm nguội bằng nhiệt
Sự gián đoạn bắt đầu bằng việc giảm mạnh nhiệt độ hàng triệu độ cần thiết cho các phản ứng nhiệt hạch. Những giọt này, được gọi là "dập tắt nhiệt", giải phóng các trận tuyết lở tương tự như lở đất do động đất gây ra. Liu nói: “Kiểm soát sự gián đoạn là một thách thức tối quan trọng đối với sự thành công của tokamaks”.
Phản ứng nhiệt hạch kết hợp các nguyên tố nhẹ ở dạng plasma—trạng thái nóng, tích điện của vật chất bao gồm các electron tự do và hạt nhân nguyên tử gọi là ion—để giải phóng năng lượng to lớn cung cấp năng lượng cho mặt trời và các ngôi sao. Do đó, việc giảm thiểu nguy cơ gián đoạn và các electron chạy trốn sẽ mang lại lợi ích đặc biệt cho các cơ sở tokamak được thiết kế để tái tạo quy trình.
Do đó, việc giảm thiểu nguy cơ gián đoạn và các electron chạy trốn sẽ mang lại lợi ích đặc biệt cho các cơ sở tokamak được thiết kế để tái tạo quy trình.
Cách tiếp cận mới có thể có ý nghĩa đối với sự phát triển của ITER, tokamak quốc tế đang được xây dựng ở Pháp nhằm chứng minh tính thực tiễn của năng lượng nhiệt hạch và có thể đánh dấu một bước quan trọng trong việc phát triển các nhà máy điện nhiệt hạch.
Liu cho biết: “Phát hiện của chúng tôi tạo tiền đề cho việc tạo ra các chiến lược mới nhằm giảm thiểu các electron chạy trốn”. Hiện đang trong giai đoạn lập kế hoạch, các chiến dịch thử nghiệm trong đó cả ba trung tâm nghiên cứu đều nhằm mục đích phát triển hơn nữa những phát hiện nổi bật.
