اندماج بالقصور الذاتي للبطانة الممغنطة

الاندماج بالقصور الذاتي للبطانة المغناطيسية ( MagLIF ) هو تجربة طاقة اندماج مستمرة يتم إجراؤها على منشأة الطاقة النبضية Z (آلة Z) في مختبرات ساندي الوطنية في الولايات المتحدة. إنه مثال واحد على نهج الاندماج بالقصور الذاتي الأوسع ، والذي يحاول ضغط البلازما المسخنة مسبقًا . الهدف هو إنتاج ظروف الاندماج دون مستوى الضغط المطلوب في نهج الاندماج بالقصور الذاتي (ICF)، حيث تصل الكثافة المطلوبة إلى حوالي 100 مرة من كثافة الرصاص.

يمكن أيضًا استخدام مصطلح MagLIF على نطاق أوسع للإشارة إلى الآلات التي تستخدم نفس مبدأ التشغيل الموجود في آلة Z. ويشمل ذلك منصة الاختبار الأساسية (PTS) في ميانيانغ، الصين. ^[1]

وصف

MagLIF هي طريقة لتوليد الطاقة عن طريق الضغط المغناطيسي على أسطوانة من وقود الاندماج (مثل الديوتيريوم). أولاً، يتم تطبيق مجال مغناطيسي محوري يتراوح بين 10 و20 تسلا على الوقود. ثم، يسلط ليزر متعدد الكيلوجول الضوء عبر الوقود، مما يؤدي إلى تسخينه مسبقًا إلى بضعة ملايين من الدرجات المئوية وتحويله إلى بلازما . أخيرًا، يتم دفع نبضة تيار كهربائي مدتها 100 نانوثانية محوريًا عبر البطانة المعدنية المحيطة بالوقود. يحفز التيار مجالًا مغناطيسيًا مكثفًا على شكل حرف Z يسحق البطانة والوقود.

يعمل الضغط على الوقود، فيسخنه إلى عشرات الملايين من الدرجات المئوية. عادة ما تكون الإلكترونات الموجودة في البلازما حرة في الهروب، والأيونات بدرجة أقل، تحمل الطاقة وتبرد البلازما. كما يعمل الضغط على تضخيم المجال المغناطيسي المحوري إلى آلاف التسلا، مما يوفر احتواءً مغناطيسيًا للبلازما المنفجرة ويحبس الوقود وحرارته. من الناحية المثالية، تصل البلازما إلى درجة حرارة وكثافة عالية بما يكفي للخضوع لحرق الاندماج ، وإطلاق الطاقة. ^[2]

تتمتع مادة MagLIF بخصائص كل من اندماج الاحتجاز بالقصور الذاتي (بسبب استخدام الليزر والضغط النبضي) واندماج الاحتجاز المغناطيسي (بسبب استخدام مجال مغناطيسي قوي لمنع التوصيل الحراري واحتواء البلازما)، مما يجعلها مثالاً على الاندماج المغناطيسي بالقصور الذاتي .

وفي نتائج نشرت في عام 2012، أظهرت محاكاة حاسوبية باستخدام كود LASNEX أن منشأة بقوة 70 ميغا أمبير من شأنها أن توفر عائدا من الطاقة يبلغ 1000 مرة من الطاقة المبذولة، وأن منشأة بقوة 60 ميغا أمبير من شأنها أن تنتج عائدا يبلغ 100 مرة من الطاقة المبذولة.

منشأة الطاقة النبضية Z

تستكشف مختبرات ساندي الوطنية حاليًا إمكانية استخدام هذه الطريقة لتوليد الطاقة من خلال الاستفادة من آلة Z. آلة Z قادرة على إنتاج 27 ميغا أمبير وقد تكون قادرة على إنتاج طاقة أكثر بقليل من نقطة التعادل مع المساعدة في التحقق من صحة المحاكاة الحاسوبية. ^[3] أجرت آلة Z تجارب MagLIF في نوفمبر 2013 بهدف إجراء تجارب التعادل باستخدام وقود D-T في عام 2018. ^[4]

خططت مختبرات ساندي للمضي قدمًا في تجارب الاشتعال بعد التأكد من ما يلي: ^[5]

إن البطانة لن تنكسر بسرعة كبيرة تحت تأثير الطاقة الشديدة. وقد تم تأكيد ذلك على ما يبدو من خلال التجارب الأخيرة. كانت هذه العقبة هي أكبر مصدر قلق فيما يتعلق بـ MagLIF بعد اقتراحها الأولي.
إن عملية التسخين المسبق بالليزر قادرة على تسخين الوقود بشكل صحيح - وهو ما سيتم تأكيده من خلال التجارب التي تبدأ في ديسمبر 2012.
إن المجالات المغناطيسية التي تولدها زوج من الملفات أعلى وأسفل غرفة الاندماج النووي يمكن أن تعمل على احتجاز وقود الاندماج المسخن مسبقاً والأهم من ذلك أنها تمنع التوصيل الحراري دون التسبب في انحناء الهدف قبل الأوان - وهو ما سيتم تأكيده من خلال التجارب التي تبدأ في ديسمبر/كانون الأول 2012.

وبعد هذه التجارب، بدأ اختبار متكامل في نوفمبر/تشرين الثاني 2013. وأسفر الاختبار عن إنتاج نحو 10 ¹⁰ نيوترونات عالية الطاقة.

اعتبارًا من نوفمبر 2013، كان لدى المنشأة في مختبرات ساندي القدرات التالية: ^[4]^[6]

مجال مغناطيسي بقوة 10 تسلا
ليزر 2 كيلوجول
16 ميجا أمبير
وقود D–D

في عام 2014، أسفر الاختبار عن ما يصل إلى2 × 10 ¹² نيوترون D–D في ظل الظروف التالية: ^[7]

مجال مغناطيسي بقوة 10 تسلا
ليزر 2.5 كيلوجول
19 ميجا أمبير
وقود D–D

كان من المتوقع إجراء تجارب تهدف إلى تحقيق التعادل في الطاقة باستخدام وقود DT في عام 2018. ^[8]
لتحقيق التعادل العلمي، يخضع المرفق لترقية مدتها 5 سنوات من أجل:

30 تسلا
ليزر 8 كيلوجول
27 ميجا أمبير
التعامل مع الوقود D-T ^[4]

في عام 2019، بعد مواجهة مشاكل كبيرة تتعلق بخلط الرقائق المتفجرة بالوقود وعدم الاستقرار الحلزوني للبلازما، ^[9] أسفرت الاختبارات عن ما يصل إلى 3.2 × 10 ¹² نيوترون في ظل الظروف التالية: ^[10]

ليزر 1.2 كيلوجول
18 ميجا أمبير

في عام 2020، "تضاعفت درجة حرارة الأيونات المحترقة المتوسطة إلى 3.1 كيلو إلكترون فولت وزاد العائد الأساسي لنيوترون الديوتيريوم-الديوتيريوم بأكثر من مرتبة من حيث الحجم1.1 × 10 ¹³ (2 كيلوجول مكافئ الديوتيريوم والتريتيوم) من خلال زيادة متزامنة في المجال المغناطيسي المطبق (من 10.4 إلى 15.9 تسلا)، وطاقة التسخين المسبق لليزر (من 0.46 إلى 1.2 كيلوجول)، وربط التيار (من 16 إلى 20 ميغا أمبير)." ^[11]

انظر أيضا

مراجع

^ هايلونج، تشاو؛ وآخرون (12 مايو 2020). "الاستكشاف الأولي لمفهوم MagLIF وتحليل الجدوى لمنشأة PTS". أشعة الليزر والجسيمات عالية الطاقة . 32 (6): 62002-62010. doi :10.11884/HPLPB202032.190352.
^ Yager-Elorriaga, DA; Gomez, MR; Ruiz, DE; Slutz, SA; Harvey-Thompson, AJ; Jennings, CA (2022). "نظرة عامة على الاندماج المغناطيسي بالقصور الذاتي على آلة Z في مختبرات ساندي الوطنية". الاندماج النووي . 62 (4): 042015. رمز Bibcode :2022NucFu..62d2015Y. doi :10.1088/1741-4326/ac2dbe.
^ سلوتز، ستيفن؛ روجر أ. فيسي (12 يناير 2012). "الاندماج بالقصور الذاتي المغناطيسي عالي الكسب". رسائل المراجعة الفيزيائية . 108 (2): 025003. رمز Bibcode : 2012PhRvL.108b5003S. doi : 10.1103/PhysRevLett.108.025003 . PMID 22324693.
^ abc Gibbs WW (2014). "طريقة التهديد الثلاثي تشعل الأمل في الاندماج". مجلة نيتشر . 505 (7481): 9-10. رمز Bibcode :2014Natur.505....9G. doi : 10.1038/505009a . PMID 24380935.
^ "تجارب التشغيل التجريبي تؤكد جانبًا رئيسيًا من مفهوم الاندماج النووي: "التعادل العلمي" أو أفضل هو الهدف القريب الأمد" . تم الاسترجاع في 24 سبتمبر 2012 .
^ رايان، ماكبرايد. "تجارب على LIF المغناطيسي وخصائص المواد الديناميكية الأسطوانية على Z". معهد كريل . تم الاسترجاع في 20 نوفمبر 2013 .
^ Gomez, MR; et al. "Experimental Verification of the Magnetized Liner Inertial Fusion (MagLIF) Concept". معهد كريل . تم الاسترجاع في 23 مايو 2015 .
^ كونيو، مي؛ وآخرون (2012). "الانفجارات المغناطيسية الدافعة للاندماج بالاحتجاز بالقصور الذاتي في مختبرات ساندي الوطنية". معاملات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات في علوم البلازما . 40 (12): 3222-3245. رمز Bibcode : 2012ITPS...40.3222C. doi : 10.1109/TPS.2012.2223488 .
^ Seyler, CE; Martin, MR; Hamlin, ND (2018). "عدم الاستقرار الحلزوني في MagLIF بسبب ضغط التدفق المحوري بواسطة البلازما منخفضة الكثافة". فيزياء البلازما . 25 (6). فيزياء البلازما 25، 062711 (2018): 062711. رمز Bibcode :2018PhPl...25f2711S. doi :10.1063/1.5028365. OSTI 1456307.
^ جوميز، إم آر؛ وآخرون (2019). "تقييم ظروف الركود وتحديد الاتجاهات في الاندماج بالقصور الذاتي للبطانة المغناطيسية". معاملات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات في علوم البلازما . 47 (5). معاملات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات في علوم البلازما المجلد. 47/5: 2081-2101. رمز المرجع : 2019ITPS...47.2081G. doi : 10.1109/TPS.2019.2893517 . OSTI 1529761.
^ جوميز، إم آر؛ وآخرون (2020). "قياس الأداء في تجارب الاندماج بالقصور الذاتي للبطانة المغناطيسية". مجلة مراجعة الفيزياء . 125 (15). الجمعية الفيزيائية الأمريكية: 155002. رمز Bibcode : 2020PhRvL.125o5002G. doi : 10.1103/PhysRevLett.125.155002 . PMID 33095639.