حقن الأشعة المتعادلة

حقن الأشعة المتعادلة هو وسيلة تُستخدم في تسخين البلازما داخل جهاز اندماج تتكون في شعاع من الجسيمات المتعادلة عالية الطاقة التي يمكنها أن تدخل مجال الحصر المغناطيسي. عند تأيين هذه الجسيمات المتعادلة عن طريق التصادم مع جسيمات البلازما، فإنها تظل داخل البلازما بسبب المجال المغناطيسي الحاصر، ويمكنها نقل معظم طاقتها عبر تصادمات أكبر مع البلازما. وعبر الحقن المماسي في الحيد، تعطي الأشعة المتعادلة أيضًا العزم للبلازما وتتسبب في حدوث تيار، وهي سمة أساسية للنبضات الطويلة من البلازما الحارقة. يُعتبر حقن الأشعة المتعادلة تقنية مرنة موثوقة، وكانت هي نظام التسخين الأساسي في مجموعة كبيرة من مفاعلات الاندماج. حتى الآن، كانت كل أنظمة حقن الأشعة المتعادلة تعتمد على أشعة أيونية من مكونات موجبة. وكان هناك تطور مبهر في مصادر الأيونات السالبة والمسارعات مع بناء أنظمة حقن أشعة متعادلة معتمدة على أيونات سالبة تبلغ العديد من الميغاواط في المصادم الهادروني الكبير

(180 كيلو إلكترون فولت، (H⁰ و حيد اليابان-60 (D⁰،500كيلو إلكترون فولت). وكان نظام حقن الأشعة المتعادلة للمفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي بمثابة تحدٍ كبير (40 أمبير، 1 مليون إلكترون فولت، D⁰)^[1] وأنشئ نموذج أولي لتعزيز أدائه بالنسبة للعمليات المستقبلية للمفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي.^[2] ومن الطرق الأخرى لتسخين البلازما للاندماج النووي التسخين بالتردد الراديوي، والتسخين بالرنين الإلكتروني السيكلوتروني، والتسخين بالرنين الأيوني السيكلوتروني، والتسخين بالرنين المهجن السفلي.

الآلية

يحدث هذا بشكل نموذجي عن طريق:

1. تخليق البلازما. ويتم ذلك عبر تسليط أشعة ميكرووية على غاز تحت ضغط منخفض.
2. التسارع الأيوني الكهروستاتيكي. يتحقق هذا من خلال سقوط الأيونات ذات الشحنة الموجبة ناحية الأسطح السالبة. أثناء سقوط الأيونات، يبذل المجال الكهربي شغلًا عليها مما يؤدي إلى تسخينها إلى درجة الحرارة اللازمة للاندماج.
3. إعادة البلازما الساخنة إلى التعادل عبر إضافة الشحنة المخالفة. فتصبح الأشعة المتحركة بسرعة بلا شحنة.
4. حقن الشعاع المتعادل الساخن المتحرك بسرعة في الآلة.

الاقتران مع بلازما الاندماج

نظرًا لأن المجال المغناطيسي دائري داخل الحيد، تقتصر هذه الأيونات السريعة على البلازما الموجودة بالخلفية. تتباطأ الأيونات السريعة المحصورة المذكورة سالفًا بفعل بلازما الخلفية، بنفس الطريقة التي تبطئ بها مقاومة الهواء كرة بيسبول. يزيد انتقال الطاقة من الأيونات السريعة إلى البلازما درجة الحرارة الكلية للبلازما.

يتكون التفاعل بين الجسيمات المتعادلة السريعة والبلازما من:

• التأيين من خلال التصادم مع إلكترونات وأيونات البلازما
• اندفاع أيونات سريعة حديثة النشأة في المجال المغناطيسي
• تصادمات الأيونات السريعة مع أيونات البلازما وإلكتروناتها عبر تصادم العمود (تباطؤ وتشتت وتسخين) أو تصادمات تبادل الشحنات مع متعادلات الخلفية.

تصميم أنظمة الأشعة المتعادلة

طاقة الشعاع

طول الامتزاز اللازم لتأيين الشعاع المتعادل في البلازما يساوي تقريبًا:

${\displaystyle \lambda ={\frac {E}{18\cdot n\cdot M}},}$

حيث ${\displaystyle \lambda }$ بالمتر وn ب 10¹⁹ م^-3 وM بوحدة الكتل الذرية  وE بالكيلو إلكترون فولت. على حسب القطر الأصغر للبلازما وكثافتها، يمكن تحديد طاقة الجسيم الصغرى للشعاع المتعادل حتى نضفي القوة الكافية على قلب البلازما بدلًا من الحافة. يتطلب الأمر أن تكون الطاقة المتعادلة السريعة في نطاق 1مليون إلكترون فولت من أجل تكوين بلازما تصلح للاندماج. مع تزايد الطاقة، تزداد صعوبة الحصول على ذرات هيدروجين سريعة تنطلق من أشعة الأوليات التي تتكون من أيونات موجبة. لهذا السبب، ستصبح أشعة التسخين المتعادلة الحديثة والمستقبلية معتمدة على أشعة من الأيونات السالبة. في التفاعل مع الغاز في الخلفية، يصبح أسهل بكثير أن تفصل الإلكترون الزائد عن الأيون السالب (H- له طاقة ربط تبلغ 0.75 إلكترون فولت وقطاع عرضي كبير للغاية لفصل الإلكترون في مدى الطاقة ذاك) بدلًا من إلحاق إلكترون واحد بأيون موجب.

مراجع

موسوعات ذات صلة :

• موسوعة الفيزياء