Πυρηνική σύντηξη: Αποκαλύπτεται το μυστήριο της ταραχώδους συμπεριφοράς του πλάσματος

Η διαχείριση του πλάσματος σε έναν αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης, όπως είναι ο tokamak, παραμένει ένα από τα πλέον περίπλοκα τεχνολογικά ζητήματα της εποχής μας. Η συγκράτηση ύλης που έχει θερμανθεί σε θερμοκρασίες εκατομμυρίων βαθμών απαιτεί την εφαρμογή ισχυρών μαγνητικών πεδίων και, το κυριότερο, βαθιά κατανόηση της δυναμικής της. Ωστόσο, εδώ και καιρό, επιστήμονες και μηχανικοί βρίσκονται αντιμέτωποι με ένα σταθερό πρόβλημα που δεν έχει ακόμα επιλυθεί πλήρως: το λεγόμενο "shortfall problem".

Το συγκεκριμένο πρόβλημα αφορά τη διαφορά ανάμεσα σε ό,τι προβλέπουν οι υπολογιστικές προσομοιώσεις και σε αυτό που παρατηρείται στην πράξη. Συγκεκριμένα, οι προσομοιώσεις αποτυγχάνουν να αναπαράγουν με ακρίβεια το εύρος της ταραχώδους ζώνης που σχηματίζεται στην περιφέρεια του πλάσματος μέσα στον αντιδραστήρα. Αυτή η περιοχή είναι καίριας σημασίας, καθώς ρυθμίζει τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ του θερμού πυρήνα και των τοιχωμάτων του αντιδραστήρα. Επομένως, η ακριβής πρόβλεψή της είναι ζωτικής σημασίας για την προστασία των εσωτερικών εξαρτημάτων και για την ασφάλεια και αποδοτικότητα του συστήματος.

Μια νέα μελέτη από το University of California, San Diego, έρχεται τώρα να προσφέρει μια πειστική εξήγηση για αυτό το επιστημονικό κενό. Οι φυσικοί Mingyun Cao και Patrick Diamond ανέπτυξαν ένα θεωρητικό μοντέλο που στρέφει την προσοχή σε δομές που έως τώρα δεν είχαν τύχει ιδιαίτερης προσοχής: τις λεγόμενες "voids". Μέχρι σήμερα, η επιστημονική έρευνα είχε επικεντρωθεί κυρίως στα "blobs", δηλαδή σε νηματοειδείς δομές υψηλής πυκνότητας που κινούνται προς τα έξω, προς τα τοιχώματα του αντιδραστήρα. Οι "voids", αντίθετα, είναι περιοχές χαμηλής πυκνότητας που κινούνται προς το εσωτερικό, προς τον θερμό πυρήνα του πλάσματος, και η επίδρασή τους είχε παραμείνει ανεξερεύνητη.

Το νέο μοντέλο αντιμετωπίζει αυτές τις "voids" όχι ως ακανόνιστες διαταραχές, αλλά ως συνεκτικές οντότητες. σχεδόν σαν σωματίδια. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς των ερευνητών, καθώς μια τέτοια "κοιλότητα" διεισδύει από την ψυχρότερη περιφέρεια προς το φλογερό κέντρο του πλάσματος, διαπερνά απότομες κλίσεις θερμοκρασίας και πυκνότητας. Καθώς συμβαίνει αυτό, δημιουργούνται κυματισμοί ολίσθησης (drift waves), οι οποίοι μεταφέρουν ενέργεια και προκαλούν πρόσθετη τοπική αναταραχή, ένα φαινόμενο που δεν είχε προβλεφθεί από τα υπάρχοντα μοντέλα.

Αυτή η νέα θεωρητική προσέγγιση μπορεί να προσφέρει την απάντηση στο επίμονο "shortfall problem". Αν οι προβλέψεις του μοντέλου επιβεβαιωθούν πειραματικά, τότε ανοίγει ο δρόμος για πιο αξιόπιστες προσομοιώσεις, βελτιωμένες στρατηγικές ελέγχου του πλάσματος και πιο ασφαλή και αποτελεσματικά σχέδια για τους αντιδραστήρες σύντηξης του μέλλοντος.

Η πρόοδος αυτή δεν αφορά απλώς μια τεχνική λεπτομέρεια. Η κατανόηση των μικροσκοπικών δομών και ρευμάτων που διαμορφώνουν τη συμπεριφορά του πλάσματος έχει καθοριστική σημασία για το μεγάλο στοίχημα της πυρηνικής σύντηξης: την ανάπτυξη μιας καθαρής, ανεξάντλητης και ασφαλούς μορφής ενέργειας που θα μπορούσε να αλλάξει το ενεργειακό μέλλον του πλανήτη.

[via]