Monday, 10 Feb 2025

Balet Ion dan Gelombang dalam Reaktor Fusi

RisalahPos
22 Jan 2024 23:41
5 minutes reading

Oleh

Skema ion cepat (spiral hitam) yang berinteraksi dengan gelombang plasma (warna) dalam eksperimen fusi. Kredit: Steve Allen (Lawrence Livermore National Laboratory) dan diadaptasi oleh Mike Van Zeeland (General Atomics)

Ion cepat dan plasma Gelombang dalam reaktor fusi terlibat dalam tarian transfer energi yang kompleks, dengan dampak resonansi dan tumbukan memainkan peran penting. Pemahaman ini sangat penting untuk mempertahankan suhu plasma yang optimal dan memajukan teknologi energi fusi.

Sama seperti gelombang di lautan, gelombang juga dapat terjadi pada gas bermuatan listrik yang disebut plasma, yang terdiri dari elektron dan ion. Di lautan, orang berselancar dengan menaiki papan dengan kecepatan yang hampir sama dengan kecepatan ombak. Kondisi pencocokan ini, yang disebut resonansi, memungkinkan gelombang mendorong peselancar secara efisien dengan bertukar energi.

Dalam plasma, peselancar dapat berupa ion yang sangat cepat, yang dapat terjadi pada perangkat fusi sebagai akibat dari reaksi fusi atau proses lain yang digunakan untuk memanaskan plasma. Ion-ion cepat ini seringkali memberikan dampak yang berlawanan dengan yang dilakukan para peselancar di lautan – mereka memberikan energi pada gelombang, menyebabkan ukurannya bertambah besar. Saat partikel resonansi bertukar energi dengan gelombang, partikel tersebut juga terdorong oleh partikel lain di plasma melalui tumbukan acak.

Jenis tumbukan ini, dan seberapa sering terjadi, menentukan seberapa besar gelombang yang akan terjadi dan seberapa banyak partikel yang akan berhamburan. Jika gelombang menjadi terlalu besar atau terlalu banyak, mereka dapat menendang partikel-partikel selancar keluar dari perangkat, sehingga menimbulkan potensi bahaya pada dinding dan juga mengurangi jumlah energi fusi yang dihasilkan.

Tantangan Reaktor Fusi

Plasma dalam reaktor fusi harus terus dipanaskan untuk mempertahankan suhu yang diperlukan untuk menghasilkan energi. Namun, ion cepat yang memanaskan plasma juga dapat beresonansi dengan gelombang di plasma. Hal ini dapat menyebabkan gelombang tersebut membesar dan berpotensi mengeluarkan ion cepat dari perangkat.

Para peneliti perlu memahami interaksi resonansi antara ion cepat dan gelombang plasma untuk memprediksi dan mengurangi dampak buruk apa pun. Penelitian ini menggabungkan perhitungan matematis dengan simulasi komputer untuk mengungkap bagaimana berbagai jenis tumbukan bersaing untuk menentukan cara transfer energi antara partikel resonansi dan gelombang plasma.

Para peneliti menggunakan pemahaman baru ini untuk merumuskan model bagaimana menjaga plasma cukup panas untuk mempertahankan reaksi fusi. Masalah plasma gelombang resonansi juga relevan dengan beberapa interaksi gravitasi di galaksi. Artinya, metode dalam proyek ini dapat diterapkan pada penelitian astrofisika, termasuk penelitian materi gelap.

Memahami Tabrakan Ion Cepat

Dalam eksperimen fusi, ion cepat menjaga plasma cukup panas untuk melakukan fusi dengan memberikan energinya ke plasma latar melalui tumbukan dengan elektron. Dua jenis tumbukan berbeda terjadi: hamburan difusif dan tarikan konvektif. Tumbukan difusif adalah jenis yang sama yang menyebabkan bola bilyar berhamburan di meja bilyar. Sementara itu, tabrakan drag bertanggung jawab atas gaya yang Anda rasakan pada tangan Anda saat menjulurkannya ke luar jendela mobil yang sedang melaju.

Bergantung pada kecepatan ion cepat dan suhu plasma, setiap jenis tumbukan bersaing untuk memberikan pengaruh yang lebih besar pada perilaku ion cepat. Secara khusus, kecepatan ion yang lebih tinggi membuat gaya tarik menjadi lebih penting, sedangkan suhu plasma yang lebih tinggi mendukung difusi.

Pada saat yang sama ketika ion cepat memanaskan plasma latar belakang melalui tumbukan, mereka juga dapat berinteraksi secara resonansi dengan gelombang plasma yang bertindak untuk menyedot energinya, sehingga berpotensi mendinginkan plasma. Tanpa tumbukan apa pun, resonansi antara ion cepat dan gelombang hanya terjadi jika kecepatan partikel sama persis dengan kecepatan gelombang.

Para ilmuwan telah lama mengetahui bahwa tumbukan difusif berfungsi untuk “menghilangkan” resonansi, sehingga memungkinkan partikel bertukar energi dengan gelombang secara efisien meskipun kecepatannya sedikit lebih cepat atau lebih lambat daripada pergerakan gelombang. Penemuan baru dari penelitian ini adalah ketika ada gaya hambat, jenis tumbukan ini menggeser kecepatan terjadinya resonansi, yang menyiratkan bahwa energi sebenarnya dipertukarkan paling efisien ketika ada perbedaan kecil antara kecepatan ion cepat dan plasma. ombak.

Peran Fungsi Resonansi

Dalam studi ini, peneliti mengkarakterisasi kekuatan interaksi gelombang-partikel dengan objek matematika yang disebut fungsi resonansi, yang bergantung pada perbedaan antara kecepatan gelombang dan partikel.

Ketika tumbukan tarik jauh lebih sering terjadi dibandingkan tumbukan difusif, sesuatu yang lebih aneh pun terjadi – terdapat kecepatan baru yang memungkinkan perpindahan energi yang efisien. Fenomena ini secara efektif menciptakan resonansi baru yang tidak ada sama sekali tanpa hambatan, diwakili oleh puncak-puncak baru yang muncul pada fungsi resonansi, dan memperluas jangkauan interaksi resonansi.

Fungsi resonansi, yang diturunkan seluruhnya secara teoritis, menentukan seberapa besar gelombang yang dihasilkan karena memakan energi bebas dari ion cepat yang beresonansi, dan juga bagaimana partikel-partikel tersebut akan ditendang oleh gelombang. Simulasi komputer nonlinier menemukan kesesuaian yang sangat baik dengan prediksi teoretis, mengonfirmasi validitas fungsi resonansi turunan untuk setiap kombinasi dua jenis tumbukan, dan memajukan pemahaman mendasar kita tentang bagaimana tumbukan memengaruhi interaksi gelombang-partikel resonansi dalam plasma.

Dengan terverifikasinya teori dasar, teori ini kini dapat diterapkan dengan percaya diri untuk menyempurnakan kode yang digunakan untuk mensimulasikan bagaimana ion cepat berperilaku dalam perangkat fusi, sebuah langkah penting dalam jalur pengembangan pembangkit listrik fusi komersial.

Referensi: “Pergeseran dan Pemisahan Garis Resonansi akibat Gesekan Dinamis pada Plasma” oleh VN Duarte, JB Lestz, NN Gorelenkov dan RB White, 9 Maret 2023, Surat Tinjauan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.105101

Pekerjaan ini didukung oleh Kantor Sains Departemen Energi, Kantor Ilmu Energi Fusi.



RisalahPos.com Network