تغير الاصطدامات مدى سرعة تصفح الأيونات في موجات البلازما في تجارب الاندماج وما بعدها

مثلما توجد أمواج في المحيط، يمكن أن تحدث الأمواج أيضًا في غاز مشحون كهربائيًا يتكون من إلكترونات وأيونات يسمى البلازما. في المحيط، يركب الناس ألواحهم ويركبونها بنفس سرعة الأمواج. تسمح حالة المطابقة هذه، المعروفة باسم الاهتزاز، للموجة بدفع راكب الأمواج بكفاءة من خلال تبادل الطاقة.

في البلازما، يمكن أن تكون الأمواج أيونات سريعة جدًا يمكن أن تحدث في أجهزة الاندماج نتيجة تفاعلات الاندماج أو العمليات الأخرى المستخدمة لتسخين البلازما. غالبًا ما تفعل هذه الأيونات سريعة الحركة العكس بالنسبة لمتصفحي المحيطات، فهي توفر الطاقة للأمواج، مما يؤدي إلى نمو حجمها. عندما تتبادل الجسيمات الرنانة الطاقة مع الأمواج، فإنها تستثار عن طريق الاصطدامات العشوائية مع الجسيمات الأخرى في البلازما.

ويحدد نوع هذه التصادمات وعدد مرات حدوثها حجم الموجات ومدى ميل الجسيمات. إذا كانت الموجات كبيرة جدًا أو عالية جدًا، فقد تؤدي إلى إزاحة جزيئات الأمواج من الجهاز، مما يعرض الجدران للخطر ويقلل كمية طاقة الاندماج المنتجة.

يجب تسخين البلازما في مفاعلات الاندماج بشكل مستمر للحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة لتوليد الطاقة. ومع ذلك، فإن الأيونات السريعة التي تسخن البلازما سوف يتردد صداها مع الموجات الموجودة في البلازما. يؤدي هذا إلى نمو تلك الموجات وإخراج الأيونات السريعة من الجهاز.

يحتاج الباحثون إلى فهم التفاعل الرنيني بين الأيونات السريعة وموجات البلازما للتنبؤ بأي آثار ضارة وتقليلها. الآن دراسة نشرت داخل رسائل المراجعة البدنيةتم دمج الحسابات الرياضية مع عمليات المحاكاة الحاسوبية للكشف عن كيفية تنافس أنواع مختلفة من الاصطدامات لتحديد نقل الطاقة بين الجسيمات الرنانة وموجات البلازما.

يستخدم الباحثون هذا الفهم الجديد لتطوير نماذج لكيفية الحفاظ على البلازما ساخنة بدرجة كافية للحفاظ على تفاعلات الاندماج. ترتبط مشكلة البلازما الموجية والجسيمية الرنانة ببعض تفاعلات الجاذبية في المجرات. وهذا يعني أن الأساليب الموجودة في هذا المشروع قابلة للتطبيق على أبحاث الفيزياء الفلكية، بما في ذلك أعمال المادة المظلمة.

في تجارب الاندماج، تصطدم الأيونات السريعة بالإلكترونات وتعطي طاقتها إلى البلازما الخلفية للحفاظ على البلازما ساخنة بدرجة كافية للاندماج. يحدث نوعان مختلفان من الاصطدامات: التشتت المنتشر والسحب الحراري. الاصطدامات المنتشرة هي نفس النوع الذي يتسبب في تناثر كرات البلياردو على طاولة البلياردو.

وفي الوقت نفسه، فإن اصطدامات السحب هي المسؤولة عن القوة التي تشعر بها على ذراعك عندما تضعها خارج نافذة السيارة المتحركة. اعتمادًا على سرعة الأيونات السريعة ودرجة حرارة البلازما، يتنافس كل نوع من التصادمات ليكون له التأثير الأكبر على سلوك الأيونات السريعة. وعلى وجه الخصوص، فإن سرعات الأيونات السريعة الكبيرة تجعل السحب أكثر أهمية، في حين أن درجات حرارة البلازما المرتفعة تساعد على الانتشار.

بينما تقوم الأيونات السريعة بتسخين بلازما الخلفية من خلال الاصطدامات، فإنها يمكن أن تتفاعل بشكل رنين مع موجات البلازما التي تمتص طاقتها وتبرد البلازما. وبدون أي تصادمات، يحدث الرنين بين الأيونات السريعة والموجة فقط إذا كانت سرعة الجسيم تتطابق تمامًا مع سرعة الموجة.

لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن التصادمات المنتشرة تعمل على “مسح” الاهتزازات، مما يسمح للجسيمات بتبادل الطاقة بكفاءة مع الموجة حتى لو كانت سرعاتها أسرع أو أبطأ قليلاً من حركة الموجة. من النتائج الجديدة لهذا البحث أنه عند وجود السحب، فإن هذا النوع من الاهتزازات التصادمية يغير السرعة التي يحدث بها، مما يشير إلى أن الطاقة يتم نقلها فعليًا بشكل أكثر كفاءة عندما يكون هناك اختلاف بسيط بين سرعة الأيون السريع والبلازما . أمواج.

وفي هذه الدراسة، ميز الباحثون قوة التفاعل بين الموجة والجسيم بخاصية رياضية تسمى دالة الرنين، والتي تعتمد على الفرق بين سرعات الموجة والجسيمات. عندما تصبح تصادمات السحب أكثر تكرارًا من الانتشار، يحدث شيء أكثر غرابة، حيث توجد سرعات جديدة يمكن من خلالها نقل الطاقة بكفاءة.

تخلق هذه الظاهرة بشكل فعال اهتزازات جديدة غير قابلة للسحب، تتمثل في ظهور قمم جديدة في العملية الاهتزازية، وتوسع نطاق التفاعل الاهتزازي. تحدد وظيفة الاهتزاز المشتقة نظريًا بحتة مدى ضخامة الموجات عندما تغذي الطاقة الحرة من الأيونات السريعة المهتزة وكيفية ركل هذه الجسيمات بواسطة الموجة.

وجدت عمليات المحاكاة الحاسوبية غير الخطية توافقًا ممتازًا مع التنبؤات النظرية، مما يؤكد صحة دالة الرنين التي تم الحصول عليها لأي مجموعة من نوعي الاصطدامات، ويحسن فهمنا الأساسي لكيفية تأثير الاصطدامات على تفاعلات موجة الجسيمات الرنانة في البلازما. وبعد التحقق من صحة النظرية الأساسية، أصبح من الممكن الآن استخدام الرموز المستخدمة لمحاكاة مدى سرعة تفاعل الأيونات في أجهزة الاندماج النووي بثقة للتحسين، وهي خطوة مهمة على طريق بناء محطات طاقة الاندماج التجارية.