الطريق إلى مفاعلات الاندماج

اكتمل حتى الأن 60 في المئة من بناء المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي (ITER)، أكبر تجربة اندماج نووي في العالم!. إن التحديات المرتبطة بحلم مفاعلات الاندماج ما زالت هائلة ولا يزال الطريق طويلًا، لكن الجهود البحثية المكثّفة تدعم التطورات التكنولوجية اللازمة لجعل (ITER) حقيقة واقعة.

تعد [سانت بول-ليه-دورانس] قرية صغيرة هادئة في جنوب فرنسا، ولكن الطريق المؤدي إلى هناك تم توسيعه وتعزيزه لدعم المركبات الكبيرة ذات الوزن الثقيل. أثناء السير في جوف الليل لتقليل اضطرابات السفر، تتجه هذه الشاحنات الثقيلة إلى موقع بناء ما سيكون أكبر مفاعل اندماج في العالم: المفاعل الدولي التجريبي الحراري النووي (ITER).

تأتي طاقة الشمس في الأساس من الاندماج النووي. المبدأ بسيط: تتحد نويتان خفيفتان لتشكل نواة عنصر أثقل وينطلق عن هذا التفاعل كم كبير من الطاقة. إن أبسط تفاعل اندماج هو الذي يشتمل نظائر الهيدروجين، الديوتيريوم والتريتيوم. الدوتريوم وفير في مياه البحر ويمكن إنتاج التريتيوم من الليثيوم، وبالتالي فإن مفاعل الاندماج لن يكون لديه نقص في الوقود. علاوة على ذلك، لن ينتج عنه ملوثات أو نفايات مشعة وسيكون آمنًا في جوهره، لأن الاندماج ليس تفاعلًا تسلسليًا. ولهذا، يعد الاندماج ضمن خانة الطاقة النظيفة والمستدامة.

لقد تم بالفعل إنتاج الطاقة من تفاعلات الاندماج في كل من مفاعلات توكاماك (tokamak) ومفاعلات الستيلارايتر (stellarator)، وهما التصميمان المحتملان لمفاعل الاندماج، ولكن فقط في مفاعلات الأبحاث الصغيرة التي تستهلك طاقة أكثر مما تنتج. والخطوة التالية تثبت أن الاندماج يمكن أن يولّد الطاقة على غرار محطة توليد الكهرباء، وهذا هو المراد من تجربة بحجم (ITER).

سيكون ITER، الذي يستخدم تصميم tokamak، مرفقًا بحثيًا. بمجرد الانتهاء من ذلك، من المتوقع أن ينتج 10 أضعاف كمية الطاقة التي يحتاجها لتشغيله، لكن بدون كهرباء. على الرغم من دورها المحوري، فإن ITER لن تكون نهاية الرحلة إلى دمج الطاقة.

سوف يمهد الطريق لبناء نموذج أولي صناعي ، (DEMO) ، والذي سوف يحول طاقة الاندماج إلى كهرباء ويغذيها إلى الشبكة الكهربائية.

“لا أعرف كيف سيعمل الاندماج على المستوى الصناعي، لكنني أريد أن أعرف ذلك، أنا أتوقع أنه قبل النصف الثاني من القرن سنكون قادرين على توصيل بعض محطات توليد الطاقة المدمجة بالشبكة الكهربائية.”

يقول هذا برنارد بيغوت ، المدير العام لتجربة ITER .

• خلق حالة البلازما:

لإحداث تفاعل الاندماج، يجب التغلب على التنافر الإلكتروستاتيكي بين الأنوية حتى تدخل القوة النووية القوية ضمن نطاق التفاعل. ويتم ذلك باستخدام درجات حرارة عالية للغاية: يتم إنتاج بلازما عند 150 مليون درجة مئوية ، أي عشرة أضعاف درجة حرارة الشمس تقريبًا.

 

تبدأ العملية بحقن الديوتيريوم والتريتيوم في وعاء التفاعل المفرغ. ثم يفصل التفريغ الكهربائي النواة والإلكترونات عن بعضهما لإنشاء البلازما. إذا لمست البلازما جدران الوعاء تفصل حالة البلازما وتعود المادة إلى مرحلة الغاز، فمن هنا تأتي أهمية حصرها بمساعدة مغناطيسات ITER القوية. كما يتم استخدام المغناطيس، بالإضافة إلى الترددات الراديوية والميكروويف، لتسخين البلازما بإثارة الأيونات. كما يتم أيضًا تحقيق مزيد من التسخين من خلال تشتيت شعاع محقن من الديوتيريوم المتعادل عالي السرعة.

ينتج تفاعل الاندماج الهيليوم والنيوترونات مع طاقة حركية أعلى من تلك الموجودة في الجزيئات الأصلية. ينقل الهيليوم بعض طاقته إلى نظائر الهيدروجين الجديدة التي تدخل الوعاء، بحيث تكون البلازما مكتفية ذاتيًا.

تهرب النيوترونات المتعادلة كهربيًا من الحبس المغناطيسي وتنقل طاقتها الحركية إلى جدران الوعاء، مما يولد طاقة حرارية. في ITER هذه الطاقة فقط تسخن الماء، ولكن في النموذج الصناعي الأولي (DEMO) سيتم تحويلها إلى كهرباء، كما في المفاعلات الحرارية المعتادة.

• الجدول الزمني:

حاليًا، تم الانتهاء من حوالي 60 في المئة من أعمال البناء في ITER. بمجرد تشغيل المنشأة، سوف تحتاج إلى اختبارها بعناية قبل أن تصل إلى الطاقة الكاملة. وبالتالي، بعد إنتاج البلازما الأولى، المقرر إجراؤها في عام 2025، قد يستغرق الأمر حتى عام 2035 للوصول إلى طاقة الاندماج الكاملة. بحلول عام 2040، يجب أن يبدأ إنشاء DEMO، ومن المتوقع أن يتم الاتصال بالشبكة في عام 2060. وبعد ذلك، نأمل أن تأخذ الشركات زمام المبادرة في بناء محطات توليد الطاقة بالاندماج، بمشاركة محدودة من مجتمع البحوث.

يقول برنارد بيغوت: “إنه طريق طويل للغاية وهذا هو السبب في ضرورة عدم التفريط حتى في يوم واحد”. “فكر في الوقت الذي استغرقته البشرية من مجرى النفط الأول إلى صناعة النفط: لقد كان قرنًا، وكان ذلك أبسط من تقنية الاندماج”.

يعد ITER، بالتعاون بين سبعة أعضاء (الصين والاتحاد الأوروبي والهند واليابان وكوريا وروسيا والولايات المتحدة) لما مجموعه 35 دولة، مع الاتحاد الأوروبي المسؤول عن ما يقرب من نصف المشروع، محور الحدث في عالم الاندماج. ومع ذلك، فإنه ليس جهدًا معزولًا. يوجد برنامج بحث قوي لتحقيق النضج للتكنولوجيات اللازمة لـ ITER و DEMO والقضاء على المخاطر. على سبيل المثال، سيتم تطوير المواد واختبارها كجزء من المشروع الدولي لمرفق تشعيع مواد الاندماج (IFMIF)، والتي تجري دراسات التحقق من صحة الهندسة في اليابان، في إطار اتفاقية النهج الأوسع لتطوير طاقة الاندماج بين أوروبا واليابان.

• مواد للظروف شديدة التطرف:

ينصب التركيز في برنامج بحث وتطوير الاندماج على المواد التي سيتم استخدامها لوعاء المفاعل. في هذا السياق، هناك حاجة إلى مواجهة تحديات متعددة. أولاً، سوف يبطئ البلاط المبطن بجدران الوعاء النيوترونات ويحول طاقتها الحركية إلى طاقة حرارية، وبالتالي ستحتاج إلى تحمل حمولة حرارية مرتفعة للغاية. ثانيًا، نظرًا لأن احتجاز البلازما ليس مثاليًا، يمكن أن يكون هناك تفاعلات مع البلازما، يمكن للنيوترونات عالية الطاقة أن تؤدي إلى تآكل المواد، مما يؤدي إلى ظهور شوائب في البلازما يمكنها إيقاف تفاعل الانصهار. ثالثًا، يمكن الاحتفاظ بالتريتيوم المشع بواسطة المواد، مما يجعله مشعًا أيضًا. أخيرًا، البلازما شديدة الحرارة لدرجة أن معظم المواد سوف تذوب في جوارها.

وبالتالي، فإن العثور على المواد المناسبة لـ ITER ليس بالأمر السهل، ويتم اختبار المواد في ظروف التشغيل في JET. عندما تم تصميمه، استخدمت JET بلاطًا من ألياف الكربون المركّبة، لكن الكربون يرتبط بالتريتيوم، مما يشكّل مسحوقًا يجب إزالته.

في عام 2011، تم تثبيت بلاط جديد في JET. هذا البلاط الجديد للجدار المواجه للبلازما (plasma-facing wall) مصنوع من البريليوم، في حين أن تلك الموجودة على نظام العادم في قاع الوعاء مصنوعة من التنغستن.

والبريليوم، بخلاف الخصائص الحرارية والميكانيكية الاستثنائية، له ميزة أنه لا يمتص التريتيوم. ومع ذلك، في المحول (وهو سلسلة من الأشرطة التي يتم فيها جمع الشوائب لتقليل تلوث البلازما)، تلمس أجزاء من البلازما الجدار فعلياً ، وبالتالي فإن المقاومة الحرارية العالية جدًا للبريليوم لا تكفي لطلائها؛ المواد المختارة هي التنغستن، الذي يحتوي على أعلى نقطة انصهار لجميع المعادن ومقاومة تآكل البلازما. التنغستن عادة ما يكون هشًا، لذا تتم دراسة الإجراءات الخاصة بمعالجته ميكانيكيًا لزيادة قوته وخلطه بمواد أخرى لمنع تقشره من التلف الإشعاعي.

• مغانط فائقة التوصيل:

وقد بذلت جهود بحثية كبيرة أيضًا في تصميم وإنتاج مغانط ITER، والتي تعد من بين الأكبر والأكثر تطورًا تقنيًا في العالم. يحتوي ITER على ثلاثة مستويات مغناطيسية الرئيسية: يتم وضع المغناطيس بصورة حلقية حول وعاء فراغ لتقييد البلازما. يتم وضع مغناطيس خارج النظام الحلقي لتشكيل البلازما، مما يسهم في استقراره؛ ويوضع الملف اللولبي في مركز الوعاء المفرغ ويحث تيارًا قويًا في البلازما، ويقوم بتسخينه. أخيرًا، هناك ملفات تصحيح من شأنها أن تعوض عن العيوب الصغيرة المحتملة في عمليات التصنيع والتجميع. نظرًا للحقول المغناطيسية العالية التي يحتاجون إلى توليدها (حتى 13 تسلا)، فإن جميع مغناطيسات ITER مصنوعة من مواد فائقة التوصيل -اعتمادا على المغناطيس (Nb3Sn أو NbTi)- وستعمل في درجات حرارة الهيليوم السائل.

• لغز المليون قطعة:

تعمل مؤسسات الصناعة والأبحاث معًا لتصنيع المكونات التي لا تعد ولا تحصى والتي ستكون جزءًا من ITER ، وتشجيع الابتكار وحفز تطوير التقنيات التي قد تجد تطبيقات تتجاوز الاندماج النووي.

يتم توزيع تصنيع المكونات في جميع الدول الشريكة البالغ عددها 35 دولة للتأكد من أنها جميعًا على دراية بالتطورات التكنولوجية التي ستكون مطلوبة عندما يحين الوقت للاستخدام الواسع النطاق لطاقة الاندماج.

يقول برنارد: “يجب تجميع القطع الضخمة، الشبيه بحوض بناء السفن، بدقة أقل من ملليمتر: هذا تحد كبير”.

“التحدي الآخر الذي يتعين علينا مواجهته هو التكامل؛ علينا أن نجمع بين الكثير من التقنيات المختلفة: التفريغ والمغناطيسية ونقل الحرارة. التحدي الأخير هو إدارة تعاون 35 دولة مختلفة، وهو ما نقوم به من خلال ضمانات عملية واضحة لصنع القرار، والتكامل العميق للعمل وجدول زمني موثوق به. “

العديد من المكونات البالغ عددها حوالي 10 مليون عنصر اللازمة لتجميع ITER موجودة بالفعل في الموقع. إن أول ملف مجال حلقي البالغ وزنة 310 أطنان (من اليابان) وأول قطاع لأوعية التفريغ البالغ وزنها 440 طن (من كوريا) هما من بين عمليات التسليم الخاصة المتوقعة في موقع سانت بول-ليه-دورانس بفرنسا في عام 2019.

اقرأ أيضًا تعرّف إلى الفيزيائية التي اكتشفت كيف تنقسم الذرة 

• المصادر:

https://www.scientificamerican.com/article/the-road-to-fusion

https://www.iter.org/proj/inafewlines

https://en.wikipedia.org/wiki/ITER

https://www.nature.com/articles/s42254-019-0069-8