والاندماج؟

بدت التقارير التي صدرت في نهاية العام الماضي حول بناء مفاعل لتخليق من قبل المتخصصين الصينيين مثيرة (1). أفادت وسائل الإعلام الحكومية الصينية أن منشأة HL-2M ، الواقعة في مركز أبحاث في مدينة تشنغدو ، ستعمل في عام 2020. أشارت نبرة التقارير الإعلامية إلى أن مسألة الوصول إلى الطاقة التي لا تنضب للانصهار الحراري النووي قد تم حلها إلى الأبد.

إن إلقاء نظرة فاحصة على التفاصيل يساعد على تهدئة التفاؤل.

نوفي جهاز نوع توكاماك، بتصميم أكثر تقدمًا من تلك المعروفة حتى الآن ، يجب أن يولد بلازما بدرجة حرارة تزيد عن 200 مليون درجة مئوية. أعلن ذلك في بيان صحفي صادر عن رئيس المعهد الجنوبي الغربي للفيزياء التابع للمؤسسة النووية الوطنية الصينية دوان إكسيورو. سيقدم الجهاز الدعم الفني للصينيين العاملين في المشروع المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي (ITER)وكذلك البناء.

لذلك أعتقد أنها ليست ثورة طاقة بعد ، على الرغم من أنها من صنع الصينيين. مفاعل KhL-2M حتى الآن القليل معروف. لا نعرف ما هو الناتج الحراري المتوقع لهذا المفاعل أو ما هي مستويات الطاقة اللازمة لتشغيل تفاعل الاندماج النووي فيه. لا نعرف الشيء الأكثر أهمية - هل مفاعل الاندماج الصيني تصميم له توازن طاقة موجب ، أم أنه مجرد مفاعل اندماج تجريبي آخر يسمح بتفاعل الاندماج ، ولكنه في نفس الوقت يتطلب طاقة أكبر من أجل "الاشتعال" أكثر من الطاقة التي يمكن الحصول عليها نتيجة التفاعلات.

جهد دولي

الصين ، إلى جانب الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة والهند واليابان وكوريا الجنوبية وروسيا ، أعضاء في برنامج ITER. هذا هو أغلى المشاريع البحثية الدولية الحالية التي تمولها الدول المذكورة أعلاه ، وتبلغ تكلفتها حوالي 20 مليار دولار أمريكي. تم افتتاحه نتيجة للتعاون بين حكومتي ميخائيل جورباتشوف ورونالد ريغان خلال حقبة الحرب الباردة ، وبعد سنوات عديدة تم إدراجه في معاهدة وقعتها جميع هذه الدول في عام 2006.

2. في موقع بناء ITER tokamak

يعمل مشروع ITER في Cadarache في جنوب فرنسا (2) على تطوير أكبر توكاماك في العالم ، أي غرفة بلازما يجب ترويضها باستخدام مجال مغناطيسي قوي يولده مغناطيس كهربائي. تم تطوير هذا الاختراع من قبل الاتحاد السوفيتي في الخمسينيات والستينيات. مدير المشروع، لافان كوبلنز، أعلن أن المنظمة يجب أن تتلقى "البلازما الأولى" بحلول ديسمبر 2025. يجب أن يدعم ITER تفاعلًا حراريًا نوويًا لنحو 1 شخص في كل مرة. ثواني ، تكتسب القوة 500-1100 ميغاواط. للمقارنة ، أكبر توكاماك بريطاني حتى الآن ، طائرة نفاثة (حلقة أوروبية مشتركة) ، يحتفظ برد فعل لعدة عشرات من الثواني ويكتسب قوة تصل إلى شنومكس مو. سيتم إطلاق الطاقة في هذا المفاعل على شكل حرارة - ليس من المفترض تحويلها إلى كهرباء. إن توصيل طاقة الاندماج إلى الشبكة أمر غير وارد لأن المشروع لأغراض البحث فقط. فقط على أساس ITER سيتم بناء الجيل المستقبلي من المفاعلات النووية الحرارية ، لتصل إلى الطاقة 3-4 آلاف. ميغاواط.

السبب الرئيسي لعدم وجود محطات توليد الطاقة الاندماجية العادية (على الرغم من أكثر من ستين عامًا من البحث المكثف والمكلف) هو صعوبة التحكم و "إدارة" سلوك البلازما. ومع ذلك ، فقد أسفرت سنوات من التجارب عن العديد من الاكتشافات القيمة ، ويبدو أن طاقة الاندماج اليوم أقرب من أي وقت مضى.

يضاف الهيليوم 3 ويقلب ويسخن

ITER هو المحور الرئيسي لأبحاث الاندماج العالمية ، لكن العديد من مراكز الأبحاث والشركات والمختبرات العسكرية تعمل أيضًا على مشاريع اندماج أخرى تختلف عن النهج الكلاسيكي.

على سبيل المثال ، أجريت في السنوات الأخيرة يوم من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تجارب مع حلم 3 على tokamak نتائج مثيرة ، بما في ذلك عشرة أضعاف زيادة في الطاقة أيون البلازما. طور العلماء الذين أجروا تجارب على C-Mod tokamak في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، جنبًا إلى جنب مع متخصصين من بلجيكا والمملكة المتحدة ، نوعًا جديدًا من الوقود النووي الحراري يحتوي على ثلاثة أنواع من الأيونات. فريق ألكاتور سي مود (3) دراسة في سبتمبر 2016 ، لكن البيانات من هذه التجارب تم تحليلها مؤخرًا فقط ، مما يكشف عن زيادة هائلة في طاقة البلازما. كانت النتائج مشجعة للغاية لدرجة أن العلماء الذين يديرون أكبر مختبر اندماج عام في العالم ، JET في المملكة المتحدة ، قرروا تكرار التجارب. تم تحقيق نفس الزيادة في الطاقة. نُشرت نتائج الدراسة في مجلة Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod قيد التشغيل

كان مفتاح زيادة كفاءة الوقود النووي هو إضافة كميات ضئيلة من الهليوم 3 ، وهو نظير ثابت للهيليوم ، مع نيوترون واحد بدلاً من اثنين. احتوى الوقود النووي المستخدم في طريقة Alcator C سابقًا على نوعين فقط من الأيونات ، الديوتيريوم والهيدروجين. يشكل الديوتيريوم ، وهو نظير مستقر للهيدروجين مع وجود نيوترون في نواته (على عكس الهيدروجين بدون نيوترونات) ، حوالي 95٪ من الوقود. استخدم العلماء في مركز أبحاث البلازما ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (PSFC) عملية تسمى تدفئة RF. تستخدم الهوائيات الموجودة بجوار التوكاماك ترددًا لاسلكيًا محددًا لإثارة الجسيمات ، ويتم معايرة الموجات "لاستهداف" أيونات الهيدروجين. نظرًا لأن الهيدروجين يشكل جزءًا صغيرًا من الكثافة الكلية للوقود ، فإن تركيز جزء صغير فقط من الأيونات عند التسخين يسمح بالوصول إلى مستويات الطاقة القصوى. علاوة على ذلك ، تنتقل أيونات الهيدروجين المحفزة إلى أيونات الديوتيريوم السائدة في الخليط ، والجسيمات المتكونة بهذه الطريقة تدخل الغلاف الخارجي للمفاعل ، مطلقةً الحرارة.

تزداد كفاءة هذه العملية عند إضافة أيونات الهليوم 3 إلى الخليط بكمية أقل من 1٪. من خلال تركيز كل تسخين الراديو على كمية صغيرة من الهيليوم 3 ، رفع العلماء طاقة الأيونات إلى ميغا إلكترون فولت (MeV).

من يأتي أولاً - يُخدم أولاً ما يعادل باللغة الروسية: الأكل المتأخر للضيف والعظام

كانت هناك العديد من التطورات في عالم أعمال الاندماج المتحكم بها على مدى السنوات القليلة الماضية والتي أحيت آمال العلماء وجميعنا في الوصول أخيرًا إلى "الكأس المقدسة" للطاقة.

تشمل الإشارات الجيدة ، من بين أمور أخرى ، الاكتشافات من مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE). تم استخدام موجات الراديو بنجاح كبير لتقليل ما يسمى باضطرابات البلازما ، والتي يمكن أن تكون حاسمة في عملية "تلبيس" التفاعلات النووية الحرارية. أبلغ فريق البحث نفسه في مارس 2019 عن تجربة الليثيوم توكاماك التي تم فيها طلاء الجدران الداخلية لمفاعل الاختبار بالليثيوم ، وهي مادة معروفة جيدًا من البطاريات شائعة الاستخدام في الإلكترونيات. وأشار العلماء إلى أن بطانة الليثيوم على جدران المفاعل تمتص جزيئات البلازما المتناثرة ، مما يمنعها من الانعكاس مرة أخرى إلى سحابة البلازما والتدخل في التفاعلات النووية الحرارية.

4. تصور مشروع TAE Technologies

حتى أن العلماء من المؤسسات العلمية الكبرى ذات السمعة الطيبة أصبحوا متفائلين حذرين في تصريحاتهم. في الآونة الأخيرة ، كانت هناك أيضًا زيادة كبيرة في الاهتمام بتقنيات الاندماج الخاضعة للرقابة في القطاع الخاص. في عام 2018 ، أعلنت شركة لوكهيد مارتن عن خطة لتطوير نموذج أولي لمفاعل الاندماج المدمج (CFR) خلال العقد المقبل. إذا نجحت التكنولوجيا التي تعمل عليها الشركة ، فسيكون الجهاز بحجم الشاحنة قادرًا على توفير ما يكفي من الكهرباء لتلبية احتياجات جهاز مساحته 100 قدم مربع. سكان المدينة.

تتنافس الشركات ومراكز الأبحاث الأخرى لمعرفة من يمكنه بناء أول مفاعل اندماج حقيقي ، بما في ذلك TAE Technologies ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. حتى جيف بيزوس من أمازون وبيل جيتس من مايكروسوفت انخرطا مؤخرًا في مشاريع الاندماج. أحصت NBC News مؤخرًا سبعة عشر شركة صغيرة تعمل بالاندماج فقط في الولايات المتحدة. تركز الشركات الناشئة مثل General Fusion أو Commonwealth Fusion Systems على مفاعلات أصغر تعتمد على الموصلات الفائقة المبتكرة.

مفهوم "الاندماج البارد" وبدائل المفاعلات الكبيرة ، ليس فقط توكاماك ، ولكن أيضًا ما يسمى ب. النجوم بتصميم مختلف قليلاً ، تم بناؤه في ألمانيا. البحث عن نهج مختلف يستمر أيضا. مثال على ذلك جهاز يسمى Z- قرصة ، بناها علماء من جامعة واشنطن وتم وصفها في أحد أحدث أعداد مجلة Physics World. يعمل الضغط على شكل Z عن طريق حبس وضغط البلازما في مجال مغناطيسي قوي. في التجربة ، كان من الممكن تثبيت البلازما لمدة 16 ميكروثانية ، واستمر تفاعل الاندماج لمدة ثلث هذا الوقت تقريبًا. كان من المفترض أن يُظهر العرض التوضيحي أن التوليف على نطاق صغير ممكن ، على الرغم من أن العديد من العلماء لا يزال لديهم شكوك جدية حول هذا الأمر.

في المقابل ، بفضل دعم Google والمستثمرين الآخرين في مجال التكنولوجيا المتقدمة ، تستخدم شركة TAE Technologies في كاليفورنيا أسلوبًا مختلفًا عن المعتاد لتجارب الاندماج ، خليط وقود البورون، والتي تم استخدامها لتطوير مفاعلات أصغر وأرخص ، في البداية لغرض ما يسمى بمحرك صاروخ الاندماج. نموذج أولي لمفاعل الاندماج الأسطواني (4) مع عوارض مضادة (CBFR) ، والتي تسخن غاز الهيدروجين لتشكيل حلقتين من البلازما. تتحد مع حزم من الجسيمات الخاملة ويتم الاحتفاظ بها في مثل هذه الحالة ، مما يزيد من طاقة ومتانة البلازما.

تحظى شركة جنرال فيوجن الناشئة الأخرى من مقاطعة كولومبيا البريطانية الكندية بدعم جيف بيزوس نفسه. ببساطة ، مفهومه هو حقن البلازما الساخنة في كرة من المعدن السائل (خليط من الليثيوم والرصاص) داخل كرة فولاذية ، وبعد ذلك يتم ضغط البلازما بواسطة المكابس ، على غرار محرك الديزل. يجب أن يؤدي الضغط الناتج إلى الاندماج ، والذي سيطلق كمية هائلة من الطاقة لتشغيل توربينات نوع جديد من محطات الطاقة. يقول مايك ديلاج ، كبير مسؤولي التكنولوجيا في جنرال فيوجن ، إن الاندماج النووي التجاري يمكن أن يبدأ في غضون عشر سنوات.

5. رسم توضيحي من براءة اختراع نووية حرارية للبحرية الأمريكية.

في الآونة الأخيرة ، قدمت البحرية الأمريكية أيضًا براءة اختراع لـ "جهاز اندماج البلازما". تتحدث براءة الاختراع عن المجالات المغناطيسية لإنشاء "اهتزاز متسارع" (5). الفكرة هي بناء مفاعلات اندماج صغيرة بما يكفي لتكون محمولة. وغني عن القول أن طلب البراءة هذا قوبل بالشكوك.