أصبح حلم الاندماج النووي أقرب إلى الواقع الآن. هنا لماذا

رسم توضيحي لمفاعل الاندماج توكاماك. (dani3315 / جيتي إيماجيس)

العلماء في مختبر في إنجلترا لديهمحطم الرقم القياسيلكمية الطاقة المنتجة أثناء تفاعل الاندماج المتحكم فيه والمستدام.

الانتاج من 59 ميغا جول من الطاقة خلال خمس ثوان في تجربة Torus الأوروبية المشتركة - أو JET - في إنجلترا كانت كذلك وصفته بعض المنافذ الإخبارية بـ 'اختراق' وتسبب في الكثير من الإثارة بين علماء الفيزياء.

لكن الخط المشترك فيما يتعلق بإنتاج الكهرباء الاندماجية هو أنه ' دائما على بعد 20 سنة '.



نحن عالم فيزياء نووية و أ مهندس نووي الذين يدرسون كيفية تطوير التحكم الاندماج النووي لغرض توليد الكهرباء.

توضح نتيجة JET تطورات ملحوظة في فهم فيزياء الاندماج. ولكن بنفس القدر من الأهمية ، فإنه يوضح أن المواد الجديدة المستخدمة لبناء الجدران الداخلية لمفاعل الاندماج عملت على النحو المنشود.

حقيقة أن بناء الجدار الجديد كان جيدًا كما فعل هو ما يفصل هذه النتائج عن المعالم السابقة ويرفع الاندماج المغناطيسي من حلم إلى حقيقة.

دمج الجسيمات معًا

الاندماج النووي هو دمج نواتين ذريتين في نواة مركبة واحدة. ثم تتفكك هذه النواة وتطلق الطاقة على شكل ذرات وجزيئات جديدة تسرع بعيدًا عن التفاعل. أ قوة الانصهار سوف يلتقط المصنع الجسيمات المتسربة ويستخدم طاقته لتوليد الكهرباء.

هناك عدد قليل طرق مختلفة للتحكم بأمان في الاندماج على الأرض . يركز بحثنا على النهج الذي تتبعه JET - باستخدام المجالات المغناطيسية القوية لحصر الذرات حتى يتم تسخينها إلى درجة حرارة عالية بما يكفي لتندمج.

وقود المفاعلات الحالية والمستقبلية هما نظيران مختلفان للهيدروجين - مما يعني أنهما يحتويان على البروتون الواحد ، ولكنهما يحتويان على أعداد مختلفة من النيوترونات - يُطلق عليهما الديوتيريوم والتريتيوم . يحتوي الهيدروجين الطبيعي على بروتون واحد ولا توجد نيوترونات في نواته. يحتوي الديوتيريوم على بروتون واحد ونيوترون واحد بينما يحتوي التريتيوم على بروتون واحد ونيوترونان.

لكي ينجح تفاعل الاندماج ، يجب أولاً أن تصبح ذرات الوقود شديدة السخونة بحيث تتحرر الإلكترونات من النوى. هذا يخلق البلازما - مجموعة من الأيونات والإلكترونات الموجبة.

تحتاج بعد ذلك إلى الاستمرار في تسخين تلك البلازما حتى تصل درجة حرارتها إلى أكثر من 200 مليون درجة فهرنهايت (100 مليون درجة مئوية). يجب بعد ذلك حفظ هذه البلازما في مكان محصور بكثافات عالية لفترة زمنية كافية لـ ذرات الوقود لتصطدم ببعضها البعض وتندمج معًا .

للتحكم في الاندماج على الأرض ، طور الباحثون أجهزة على شكل كعكة دائرية - تسمى توكامكس - التي تستخدم المجالات المغناطيسية لاحتواء البلازما. تعمل خطوط المجال المغناطيسي التي تلتف حول الجزء الداخلي من الدونات مسارات القطار التي تتبعها الأيونات والإلكترونات .

من خلال حقن الطاقة في البلازما وتسخينها ، من الممكن تسريع جزيئات الوقود إلى مثل هذه السرعات العالية التي عندما تتصادم ، بدلاً من الارتداد عن بعضها البعض ، تندمج نوى الوقود معًا. عندما يحدث هذا ، فإنها تطلق الطاقة ، في المقام الأول على شكل نيوترونات سريعة الحركة .

أثناء عملية الاندماج ، تنجرف جزيئات الوقود تدريجيًا بعيدًا عن اللب الساخن الكثيف وتصطدم في النهاية بالجدار الداخلي لوعاء الانصهار.

لمنع الجدران من التدهور بسبب هذه الاصطدامات - والتي بدورها تلوث أيضًا وقود الاندماج - يتم بناء المفاعلات بحيث توجه الجزيئات الضالة نحو غرفة مدرعة بشكل كبير تسمى المحول. هذا يضخ الجسيمات المحولة ويزيل أي حرارة زائدة لحماية التوكاماك.

الجدران مهمة

كان أحد القيود الرئيسية للمفاعلات السابقة هو حقيقة أن المحولات لا يمكنها تحمل القصف المستمر للجسيمات لأكثر من بضع ثوانٍ. لجعل طاقة الاندماج تعمل تجاريًا ، يحتاج المهندسون إلى بناء سفينة توكاماك التي ستستمر لسنوات من الاستخدام في ظل الظروف اللازمة للاندماج.

جدار المحول هو الاعتبار الأول. على الرغم من أن جزيئات الوقود تكون أكثر برودة عندما تصل إلى المحول ، إلا أنها لا تزال لديها طاقة كافية تفكك الذرات من مادة الجدار للمحول عندما تصطدم به .

في السابق ، كان محول JET يحتوي على جدار مصنوع من الجرافيت ، لكن يمتص الجرافيت ويحبس الكثير من الوقود للاستخدام العملي .

حوالي عام 2011 ، قام المهندسون في JET بترقية جدران المحول والأوعية الداخلية إلى التنغستن. تم اختيار التنجستن جزئيًا لأنه يحتوي على أعلى نقطة انصهار من أي معدن - وهي سمة مهمة للغاية عندما من المحتمل أن يتعرض المحول لأحمال حرارية تقريبًا 10 مرات أعلى من مخروط مقدمة مكوك الفضاء إعادة دخول الغلاف الجوي للأرض.

تمت ترقية جدار الوعاء الداخلي للتوكاماك من الجرافيت إلى البريليوم. يحتوي البريليوم على خصائص حرارية وميكانيكية ممتازة لمفاعل الاندماج يمتص وقودًا أقل من الجرافيت ولكن لا يزال بإمكانه تحمل درجات الحرارة المرتفعة .

كانت الطاقة التي تم إنتاجها من JET هي ما تصدرت عناوين الصحف ، لكننا نجادل في حقيقة الأمر أن استخدام مواد الجدار الجديدة هو الذي يجعل التجربة مثيرة للإعجاب حقًا لأن الأجهزة المستقبلية ستحتاج إلى هذه الجدران الأكثر قوة للعمل بطاقة عالية لفترات أطول. من الوقت.

JET هو دليل ناجح لمفهوم كيفية بناء الجيل التالي من مفاعلات الاندماج.

مفاعلات الاندماج القادمة

JET tokamak هو أكبر مفاعل اندماج مغناطيسي يعمل حاليًا وأكثرها تقدمًا. لكن الجيل القادم من المفاعلات قيد الإعداد بالفعل ، وعلى الأخص تجربة ITER ، من المقرر أن تبدأ العمليات في عام 2027.

ITER - وهي كلمة لاتينية تعني 'الطريق' - قيد الإنشاء في فرنسا وتمولها وتديرها منظمة دولية تضم الولايات المتحدة.

ستستخدم ITER العديد من التطورات المادية التي أظهرها JET على أنها قابلة للتطبيق. لكن هناك أيضًا بعض الاختلافات الرئيسية. أولاً ، ITER ضخم. غرفة الانصهار 37 قدمًا (11.4 مترًا) ارتفاعًا و 63 قدمًا (19.4 مترًا) حولها - أكبر بثماني مرات من JET.

بالإضافة إلى ذلك ، سوف يستخدم ITER مغناطيسات فائقة التوصيل قادرة على الإنتاج أقوى المجالات المغناطيسية لفترات زمنية أطول مقارنة بمغناطيسات JET. مع هذه الترقيات ، من المتوقع أن يحطم ITER سجلات اندماج JET - لكل من إنتاج الطاقة ومدة استمرار التفاعل.

من المتوقع أيضًا أن يقوم ITER بعمل مركزي لفكرة مولد الطاقة الاندماجية: إنتاج طاقة أكثر مما يتطلبه تسخين الوقود. تتوقع النماذج أن ينتج ITER حوالي 500 ميجاوات من الطاقة بشكل مستمر لمدة 400 ثانية بينما يستهلك فقط 50 ميجاوات من الطاقة لتسخين الوقود.

هذا يعني المفاعل تنتج طاقة أكثر 10 مرات مما تستهلكه - تحسن كبير عن JET ، الأمر الذي يتطلب ما يقرب من ثلاثة أضعاف الطاقة لتسخين الوقود مما أنتجه لحديثه سجل 59 ميغا جول .

أظهر سجل JET الأخير أن سنوات من البحث في فيزياء البلازما وعلوم المواد قد أتت بثمارها ودفعت العلماء إلى عتبة تسخير الاندماج لتوليد الطاقة. سيوفر ITER قفزة هائلة إلى الأمام نحو هدف محطات توليد الطاقة الاندماجية على نطاق صناعي.

ديفيد دونوفان ، أستاذ مشارك في الهندسة النووية ، جامعة تينيسي و ليفيا كاسالي ، أستاذ مساعد في الهندسة النووية ، جامعة تينيسي .

تم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة بموجب رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقالة الأصلية .

من نحن

نشر حقائق تقارير مستقلة ومثبتة عن الصحة والفضاء والطبيعة والتكنولوجيا والبيئة.