زندان امنی که محققان برای پلاسما می‌سازند

اوضاع بودجه‌ای كه برای همجوشی هسته‌ای در نظر گرفته می‌شود همچنان به طرز تأسف باری بد است، اما آنچه طبیعت در آزمایشگاه‌ها به پژوهشگران ارائه می‌دهد دلگرم كننده است. توكامك دانشگاه پرینستون به یك ركود رسید و بعد آن را تكرار كرد. اكنون هم گروه دانشگاه پرینستون و گروه DIII-D در سان دیه گو ادعای پیروزی بزرگتری دارند.
این گروه‌ها توانسته‌اند میدان مغناطیسی درون توكامك را با چنان ظرافتی بدوزند كه ناپایداری‌های پلاسما را رام كند. این كاری است كه پژوهشگران به مدت سی سال به دنبال آن بوده‌اند. ناپایداری‌های پلاسما زندان مغناطیسی پلاسما را پاره می‌كند، و ذرات از این پارگی فرار می‌كنند، و این كارایی توكامك را محدود می‌كند. این دو گروه، با تنظیم دقیق میدان مغناطیسی، توانسته‌اند چگالی مركز پلاسما را تا سه برابر افزایش دهند و مقدار نشت ذرات را نیز تا 50 برابر كم كنند. ظاهراً این پیروزی چیزی است كه خود محققان بخش همجوشی هم امید رسیدن به آن را نداشته‌اند. البته فعلاً ناپایداری‌ها فقط در بخشی از پلاسما، و آن هم در بازه محدودی از دما و میدان، كنترل شده است. با این وجود، گروه‌های پرینستون و سان دیه گو معتقدند كه با اعمال این روش در پلاسمای دوتریم، كه یك سوخت همجوشی با توان كم است، می‌توان توان خروجی توكامك آزمایشی را دست كم دو برابر كرد، به شرطی كه از مخلوط دوتریم – تریتیم به عنوان سوخت استفاده شود. اگر این نتایج در حوزه وسیع‌تری از شرایط برقرار باشند، می‌توانند در دراز مدت همجوشی هسته‌ای را عملی‌تر كنند.
سابقه تلاش برای كنترل ناپایداری‌های پلاسما به نخستین روزهای تحقیقات همجوشی هسته‌ای، دهه 1950، بر می‌گردد. در این زمان محققان شروع به طراحی میدان مغناطیسی برای محبوس كردن پلاسما كردند. اساس كار این است كه ذرات باردار حول خطوط میدان مغناطیسی دوران می‌كنند و در این جهت (عمود بر میدان) حركتشان كاملاً مقید است، اما در جهت میدان بدون مقاومت حركت می‌كنند، درست مثل حلقه‌ای كه روی سیمی بلغزد. فیزیك‌دانان با چنین استدلالی می‌گفتند كه می‌شود با ساختن میدان‌هایی به شكل حلقه، پلاسما را در یك چنبره محبوس كرد. چنین میدانی را می‌توان مثلاً با خم كردن یك سیم پیچ استوانه‌ای حامل جریان ایجاد كرد. در این میدان ذرات فقط هنگامی كه برخورد می‌كنند و جهت حركتشان به طور ناگهانی تغییر می‌كند می‌توانند از خطوط میدان عبور كنند.
اما چون حلقه‌های خارجی بزرگتر از حلقه‌های داخلی‌اند، میدان در نقاط خارجی ضعیف‌تر است تا در نقاط داخلی، و ذرات باردار یك رانش اضافی پیدا می‌كنند و می‌توانند از زندان فرار كنند. برای رفع این مشكل، پژوهشگران تصمیم گرفتند كه خطوط میدان را كمی بتابانند، به طوری كه شكل خطوط میدان مارپیچی شود. در این صورت رانش ذرات باردار در نقاط مختلف مارپیچ میدان در جهت‌های مختلف خواهد بود و این رانش‌ها همدیگر را خنثی می‌كنند. تاب میدان توكامك را می‌توان، با یك جریان الكتریكی در جهت بلند چنبره، و از درون خود پلاسما، تولید كرد. ساده‌ترین حالت چنین است كه بیشتر مقدار جریان در مركز پلاسماست؛ به این ترتیب، مارپیچ در مركز سفت‌تر پیچیده است، و هر چه به دیواره‌های توكامك نزدیك‌تر شویم شل‌تر می‌شود. این هندسه خطوط میدان مسائل جدیدی پیش می‌آورد. اولاً، چون شكل خطوط میدان پیچیده‌تر شده است، مدارهای ذرات هم پیچیده‌تر می‌شود و به این خاطر انحرافی كه ذرات در هر برخورد می‌یابند بیشتر می‌شود. ثانیاً، انواع موج‌های متناظر با این هندسه میدان بسیار زیاد است و این ناپایداری پلاسما را زیاد می‌كند. هر یك از این دو عامل آهنگ نشت ذرات را با یك ضریب 100 زیاد می‌كند. این مسئله‌ای است كه پژوهشگران پلاسما از اواخر دهه 1960 سرگرم آن بوده‌اند. در دهه 1980، پژوهشگران توكامك راه‌هایی برای مهار این پخش نابهنجار یافتند كه منجر به ركودهای توان خروجی در دهه 1990 شد. اما رویدادهای اخیر از آنجا شروع شد كه محاسبات نظری نشان داد كه رآكتوری كه جریان پلاسما در آن، به جای مجتمع بودن در مركز، میان تهی و لوله‌ای شكل باشد احتمالاً اقتصادی‌تر است، زیرا گرادیان فشار درون پلاسما به طور طبیعی چنین جریانی ایجاد می‌كند. در این صورت مارپیچ مغناطیسی از مركز به طرف بیرون پلاسما سفت‌تر می‌شود. پس از آن آزمایش‌های اولیه نشان داد كه این آرایش ممكن است چنان ثباتی ایجاد كند كه این پخش نابهنجار به طور چشمگیری كم شود. به این ترتیب، گروه پرینستون و گروه سان دیه گو میدان‌هایی به شكل بالا در توكامك برقرار كردند. نتیجه بسیار خوب بود. آهنگ پخش ذرات با یك ضریب 50 كم شد و آهنگ نشت گرما كمتر از مقداری شد كه نظری كارها آن را كمینه مطلق پیش بینی می‌كردند. اكنون بخش مهمی از آزمایش‌های توكامك صرف این می‌شود كه معلوم شود آیا نتایج جدید واقعاً راهی برای دسترسی به توان خروجی بیشتر، و رآكتور همجوشی كوچكتر و ارزانتر، باز خواهد كرد یا نه. ممكن است چشم انداز مالی پروژه همجوشی بد باشد، اما فیزیك‌دانان توكامك احتمالاً در آستانه دست‌یابی به نتایج جدیدی هستند.