حصري الاندماج النووي يدخل "عصرًا جديدًا" بعد تحقيق تقدم كبير في المجال

last-one

طاقم الإدارة
رئيس مجلس الإدارة
إنضم
11/12/18
المشاركات
24,669
التفاعلات
58,433
cJgr9Ie.jpg


تمكن العلماء من إنتاج اشتعال الاندماج النووي بشكل متكرر لأول مرة، مما يمثل علامة فارقة رئيسية نحو تحقيق طاقة نظيفة لا حدود لها تقريبًا على نطاق واسع.

حقق فريق من مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) في الولايات المتحدة عملية إشعال الاندماج النووي في ديسمبر الماضي، مما أدى إلى إنتاج صافي مكاسب من الطاقة من تفاعل الاندماج لأول مرة على الإطلاق.

وقد أشاد الفيزيائيون بهذا الإنجاز باعتباره "لحظة تاريخية"، وقد كرره علماء LLNL ثلاث مرات أخرى.

استخدم المختبر مرفق الإشعال الوطني (NIF) لإطلاق 192 شعاع ليزر على حبيبة مجمدة من النظائر الموجودة داخل كبسولة ألماس معلقة في أسطوانة ذهبية.

وقد كرر التفاعل الناتج نفس العمليات الطبيعية الموجودة داخل الشمس وأدى إلى زيادة قياسية في الطاقة بنسبة 89%. وكانت هذه الطاقة كافية لغلي غلاية فقط، ولكن توسيع نطاق إثبات المفهوم هذا يمكن أن يبشر بـ "عصر جديد" من الطاقة، وفقًا للمجلة العلمية Nature.

قال ريتشارد تاون، عالم الفيزياء الذي يرأس برنامج علوم الاندماج بالقصور الذاتي في LLNL، للمجلة: "أشعر أنني بحالة جيدة جدًا". "أعتقد أننا يجب أن نكون جميعًا فخورين بهذا الإنجاز."

كان الاندماج النووي على جدول أعمال مؤتمر الأمم المتحدة لتغير المناخ (COP28) في وقت سابق من هذا الشهر، حيث وافقت الحكومات على تسريع الجهود لتطوير التكنولوجيا.

"نحن نقترب أكثر من أي وقت مضى من واقع يعتمد على الاندماج النووي. وفي الوقت نفسه، نعم، هناك تحديات علمية وهندسية كبيرة.

"سيكون التفكير المتأني والسياسة المدروسة أمرًا بالغ الأهمية للتغلب على هذا الأمر."

كما تستثمر الصين واليابان وروسيا والاتحاد الأوروبي بكثافة في أبحاث الاندماج النووي، حيث استثمرت أكثر من 6 مليارات دولار حتى الآن، وفقًا لجمعية صناعة الاندماج.

ومن بين الشركات التي تستثمر في التكنولوجيا شركة التكنولوجيا الأمريكية العملاقة مايكروسوفت، التي أعلنت عن أول اتفاقية شراء في العالم في وقت سابق من هذا العام.

ولم يتمكن أي مختبر آخر من تكرار تجربة LLNL الناجحة، على الرغم من أن مشروعًا مشتركًا بين الاتحاد الأوروبي واليابان افتتح رسميًا مفاعل اندماج نووي مكون من ستة طوابق في وقت سابق من هذا الشهر.

وسيحاول مفاعل JT-60SA في مقاطعة إيباراكي اليابانية إنتاج الاشتعال الاندماجي خلال الأشهر المقبلة، في حين أن مفاعلًا أكبر قيد الإنشاء حاليًا في فرنسا.


 
الاندماج النووي هو تفاعل يتم فيه دمج نواتين ذريتين أو أكثر لتشكيل نواة ذرية مختلفة
وجسيمات دون ذرية (نيوترونات أو بروتونات)
تعد هذه أحد أهم أنواع التفاعلات النووية
وتكون الطاقة الناتجة من الاندماج النووي أكبر من الطاقة التي تنتج بواسطة الإنشطار النووي


هذا التفاعل هو الذي يغذي الشمس وباقي النجوم الأخرى في الكون
ويمدهم بالحرارة والضوء؛ ووقودهم الرئيسي هو الهيدروجين واندماج الهيدروجين
 
 
يمكن لتقنية الليزر الجديدة هذه أن تجعل الاندماج النووي التجاري حقيقة واقعة

وفقًا للعلماء، يعد التوكاماك أحد أكثر الطرق الواعدة لتحقيق الاندماج النووي الخاضع للرقابة.
1710675658405.png


الاندماج النووي - عملية توليد الطاقة من خلال الجمع بين نواتين ذريتين لتشكيل نواتين أثقل - يوصف منذ فترة طويلة بأنه طاقة المستقبل. توفر طاقة الاندماج، التي يطلق عليها اسم "قوة النجوم"، طاقة نظيفة وآمنة وغير محدودة تقريبًا.

ومع ذلك، فإن تحقيق الاندماج النووي على الأرض كان أمرًا بالغ الصعوبة نظرًا للتحديات المتمثلة في حصر البلازما الساخنة الحارقة. وفقًا للعلماء، يعد التوكاماك أحد أكثر الطرق الواعدة لتحقيق الاندماج النووي الخاضع للرقابة. تستفيد هذه الأجهزة من المجالات المغناطيسية لحصر البلازما الساخنة في شكل كعكة الدونات.

كشفت شركة Tokamak Energy، ومقرها أكسفورد، أنها تعمل على تطوير تقنية جديدة للقياس بالليزر. ووفقا للشركة، فإن هذه التكنولوجيا ستعمل على تحويل محطات توليد الطاقة المستقبلية وإيصال الطاقة النظيفة إلى الشبكة من خلال التحكم في الظروف القاسية داخل محطات الطاقة.
استقرار الانصهار مع القياس الدقيق

داخل غرف التوكاماك المفرغة على شكل كعكة الدونات، حيث تحدث تفاعلات الاندماج، ترتفع درجة حرارة البلازما إلى أكثر من 100 مليون درجة مئوية. يعد تثبيت هذه البلازما المحترقة أمرًا حيويًا للحفاظ على ظروف الاندماج.

سيقوم نظام مقياس تداخل التشتت الجديد المعتمد على الليزر من شركة Tokamak Energy بقياس كثافة وقود الهيدروجين داخل البلازما. وتعتقد الشركة أن هذه التكنولوجيا المتطورة ستساعد في الحفاظ على تفاعلات الاندماج وتوفير طاقة موثوقة للشبكة.
قال الدكتور تاداس بيراجيوس من شركة توكاماك إنيرجي: "إن قياس كثافة البلازما هو المفتاح لفهمنا والتحكم في وقود الاندماج النووي وكفاءة عمليات محطات الطاقة المستقبلية". "يتفاعل شعاع الليزر المنطلق عبر البلازما مع الإلكترونات ويخبرنا بكثافة الوقود." تعد معرفة الكثافة أمرًا ضروريًا للحفاظ على ظروف الاندماج وتوفير طاقة آمنة وموثوقة للشبكة.

وأضاف فيزيائي البلازما: "إن الظروف القاسية التي خلقتها عملية الاندماج تعني أننا بحاجة إلى تحسين تقنية التشخيص المعتمدة على الليزر الآن للمضي قدمًا في مهمتنا المتمثلة في توفير طاقة اندماج نظيفة وآمنة وبأسعار معقولة في ثلاثينيات القرن الحالي".

دفع الحدود

تقوم شركة Tokamak Energy حاليًا باختبار نظام مقياس تداخل التشتت الجديد المعتمد على الليزر في مقرها الرئيسي في أكسفورد. وكشفت الشركة في بيان لها أنه سيتم تركيب نظام التداخل على جهاز الاندماج ST40 الخاص بها في وقت لاحق من هذا العام.

حطمت ST40 الأرقام القياسية لتصبح أول آلة اندماج مملوكة للقطاع الخاص تحقق درجة حرارة أيون البلازما تبلغ 100 مليون درجة مئوية. علاوة على ذلك، تتميز ST40 أيضًا بأعلى منتج ثلاثي تحققه شركة خاصة. المنتج الثلاثي هو مقياس يعتمد على كثافة البلازما، ودرجة الحرارة، والحصر، وهي معلمات حاسمة لقابلية الاندماج على نطاق تجاري.

بعد إنجازاتها القياسية في عام 2022، خضعت ST40 لسلسلة من ترقيات الأجهزة بما في ذلك مصادر الطاقة الجديدة وأنظمة التشخيص. في العام الماضي، حولت الشركة تركيزها نحو تحسين سيناريوهات البلازما في التوكاماك الكروي عالي المجال لفهم فهمهم لعملية الاندماج بشكل أفضل. وكشفت شركة Tokamak Energy أيضًا عن قيامها بتكليف جهاز تشخيص ليزر طومسون المبعثر على ST40 لتوفير قراءات مفصلة لدرجة حرارة البلازما وكثافتها.

في حين أن ST40 لن يتم تشغيله مرة أخرى إلا في انتظار المزيد من التحسينات والصيانة، تظل الشركة تأمل في تحقيق توصيل طاقة الاندماج التجاري في ثلاثينيات القرن الحالي.
 
يعمل مفاعل الاندماج النووي في كوريا الجنوبية بدرجة حرارة 100 مليون درجة مئوية لمدة 48 ثانية وهو رقم قياسي

1712090136833.png

وتحمل مفاعل الاندماج التجريبي درجات حرارة بلغت 180 مليون درجة فهرنهايت لمدة 48 ثانية قياسية.

أعلن العلماء أن "الشمس الاصطناعية" في كوريا الجنوبية سجلت رقما قياسيا جديدا في مجال الاندماج بعد تسخين حلقة البلازما إلى 180 مليون درجة فهرنهايت (100 مليون درجة مئوية) لمدة 48 ثانية.

حطم مفاعل توكاماك للأبحاث المتقدمة فائق التوصيل الكوري (KSTAR) الرقم القياسي العالمي السابق البالغ 31 ثانية، والذي سجله المفاعل نفسه في عام 2021. ويعد هذا الاختراق خطوة صغيرة ولكنها مثيرة للإعجاب على الطريق الطويل نحو مصدر طاقة نظيفة شبه غير محدود .

يحاول العلماء تسخير قوة الاندماج النووي - العملية التي تحترق بها النجوم - منذ أكثر من 70 عامًا. من خلال دمج ذرات الهيدروجين لتكوين الهيليوم تحت ضغوط ودرجات حرارة عالية للغاية، تقوم ما يسمى بنجوم التسلسل الرئيسي بتحويل المادة إلى ضوء وحرارة، مما يولد كميات هائلة من الطاقة دون إنتاج غازات دفيئة أو نفايات مشعة طويلة الأمد.

لكن تكرار الظروف الموجودة داخل قلوب النجوم ليس بالمهمة السهلة. يعمل التصميم الأكثر شيوعًا لمفاعلات الاندماج النووي - توكاماك - عن طريق تسخين البلازما (إحدى الحالات الأربع للمادة، التي تتكون من أيونات موجبة وإلكترونات حرة سالبة الشحنة) وحبسها داخل غرفة مفاعل على شكل كعكة دونات ذات مجالات مغناطيسية قوية.

ومع ذلك، فإن الحفاظ على ملفات البلازما المضطربة والمسخنة للغاية في مكانها لفترة كافية لحدوث الاندماج النووي، كان عملية شاقة. صمم العالم السوفييتي ناتان يافلينسكي أول توكاماك في عام 1958، لكن لم يتمكن أحد على الإطلاق من إنشاء مفاعل قادر على إنتاج طاقة أكثر مما يستهلك.
كانت إحدى العقبات الرئيسية هي كيفية التعامل مع البلازما الساخنة بدرجة كافية للاندماج. تتطلب مفاعلات الاندماج درجات حرارة عالية جدًا - أكثر سخونة من الشمس عدة مرات - لأنها يجب أن تعمل عند ضغوط أقل بكثير من تلك التي يحدث فيها الاندماج بشكل طبيعي داخل قلوب النجوم. على سبيل المثال، تصل درجة حرارة قلب الشمس الفعلي إلى حوالي 27 مليون فهرنهايت (15 مليون درجة مئوية) ولكن ضغطه يساوي تقريبًا 340 مليار مرة ضغط الهواء عند مستوى سطح البحر على الأرض. إن طهي البلازما إلى درجات الحرارة هذه هو الجزء السهل نسبيًا. لكن العثور على طريقة لتجميعها بحيث لا تحترق في المفاعل دون تدمير عملية الاندماج هو أمر صعب من الناحية الفنية. ويتم ذلك عادة إما باستخدام الليزر أو المجالات المغناطيسية.

1712090188519.png

صورة لمفاعل الاندماج النووي KSTAR في كوريا الجنوبية. (مصدر الصورة: المعهد الكوري للطاقة الاندماجية (KFE))

ولتمديد وقت احتراق البلازما مقارنة بالفترة القياسية السابقة، قام العلماء بتعديل جوانب تصميم مفاعلهم، بما في ذلك استبدال الكربون بالتنغستن لتحسين كفاءة "محولات" التوكاماك، التي تستخرج الحرارة والرماد من المفاعل.

"على الرغم من كونها أول تجربة يتم إجراؤها في بيئة محولات التنغستن الجديدة، إلا أن الاختبار الشامل للأجهزة والإعداد للحملة مكننا من تحقيق نتائج تفوق نتائج سجلات KSTAR السابقة في فترة قصيرة،" قال Si-Woo Yoon، مدير أبحاث KSTAR وقال المركز في بيان.

ويهدف علماء KSTAR إلى دفع المفاعل للحفاظ على درجات حرارة تبلغ 180 مليون فهرنهايت لمدة 300 ثانية بحلول عام 2026.

وينضم هذا الرقم القياسي إلى الأرقام القياسية الأخرى التي حققتها مفاعلات الاندماج النووي المتنافسة حول العالم، بما في ذلك واحد من قبل مرفق الإشعال الوطني (NIF) الذي تموله الحكومة الأمريكية، والذي تصدر عناوين الأخبار بعد أن قام قلب المفاعل بإنتاج طاقة أكثر مما تم وضعه فيه لفترة وجيزة.
 
عودة
أعلى