لقد جعلنا الاختراق الكبير في الاندماج النووي خطوة أقرب إلى الطاقة "اللانهائية"

الطاقــة

المشاركة تعنى الاهتمام

16 سبتمبر، 2021

لإنشاء مصدر طاقة مستدام بقدرة غير محدودة وآمن واقتصادي وصديق للبيئة. يسعى العلماء حاليًا لإنشاء مفاعل اندماجي يمكنه إنتاج طاقة أكثر مما يستهلك. يبدو أن هذا ممكن.

 

By جريج دي تمرمان

باحث مشارك في Mines ParisTech-PSL. العضو المنتدب لأبحاث Zenon ، Mines ParisTech


 

مختبر لورنس ليفرمور الوطني أعلنت طفرة كبيرة في الاندماج النووي ، باستخدام الليزر القوي لإنتاج 1.3 ميغا جول من الطاقة - حوالي 3 ٪ من الطاقة الموجودة في 1 كجم من النفط الخام.

 

لطالما كان يُنظر إلى الاندماج النووي على أنه طاقة المستقبل - مصدر "لانهائي" للطاقة لا يعتمد على الحاجة إلى حرق الكربون. ولكن بعد عقود من البحث ، ما زال عليها أن تفي بوعدها المثير.

 

إلى أي مدى يقترب هذا الاختراق الجديد من النتائج المرجوة؟ فيما يلي نظرة عامة موجزة لوضع هذا التقدم العلمي الجديد في منظوره الصحيح.

 

ما هو الاندماج النووي؟

 

هناك طريقتان لاستخدام الطاقة النووية: الانشطار ، الذي يستخدم في محطات الطاقة النووية الحالية ، والاندماج.

 

في حالة الانشطار ، يتم تكسير ذرات اليورانيوم الثقيل إلى ذرات أصغر لإطلاق الطاقة. الاندماج النووي هو العملية المعاكسة: تتحول ذرات الضوء إلى ذرات أثقل لإطلاق الطاقة ، وهي نفس العملية التي تحدث داخل لب البلازما للشمس.

 

يعمل مفاعل الاندماج على تضخيم الطاقة: يجب أن ينتج التفاعل المثير طاقة أكثر مما هو مطلوب لتسخين بلازما الوقود لإنتاج الطاقة - وهذا ما يعرف بالاشتعال. لا أحد تمكن من هذا حتى الآن. تم تحقيق الرقم القياسي الحالي في عام 1997 من قبل Torus الأوروبية المشتركة في المملكة المتحدة ، حيث تم توليد 16 ميغاواط من الطاقة عن طريق الاندماج المغناطيسي ، لكن الأمر استغرق 23 ميغاواط لتشغيله.

 

داخل غرفة الاندماج في DIII-D tokamak ، سان دييغو ، الولايات المتحدة الأمريكية. Rswilcox، CC BY-SA
داخل غرفة الاندماج في DIII-D tokamak ، سان دييغو ، الولايات المتحدة الأمريكية. Rswilcox، CC BY-SA

 

هناك طريقتان محتملتان لتحقيق الاندماج النووي: الحصر المغناطيسي ، الذي يستخدم مغناطيسات قوية لحصر البلازما لفترات طويلة جدًا ، والحبس بالقصور الذاتي ، والذي يستخدم نبضات ليزر قوية جدًا وقصيرة لضغط الوقود وبدء تفاعل الاندماج.

 

تاريخيا ، تم تفضيل الاندماج المغناطيسي لأن التكنولوجيا اللازمة للاندماج بالقصور الذاتي ، وخاصة الليزر ، لم تكن متاحة. يتطلب الاندماج بالقصور الذاتي أيضًا مكاسب أعلى بكثير للتعويض عن الطاقة التي يستهلكها الليزر.

 

الحبس بالقصور الذاتي

 

أكبر مشروعين للقصور الذاتي هما مرفق الإشعال الوطني في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في الولايات المتحدة و ليزر MégaJoule في فرنسا ، والتي تكون طلباتها عسكرية بشكل أساسي وتمولها برامج الدفاع. كلا المرفقين يحاكيان التفجيرات النووية لأغراض بحثية ، على الرغم من أن مرفق الإشعال الوطني يقوم أيضًا بإجراء أبحاث حول الطاقة.

 

يستخدم مرفق الإشعال الوطني 192 حزمة ليزر تنتج ما مجموعه 1.9 ميغا جول من الطاقة لفترة تدوم بضع نانو ثانية لتحفيز تفاعل الاندماج. يتم وضع الوقود داخل كبسولة معدنية يبلغ قطرها بضعة مليمترات ، والتي ، عند تسخينها بواسطة الليزر ، تنبعث منها أشعة سينية تسخن وتضغط الوقود.

 

كانت هذه العملية هي التي حققت ، في 8 أغسطس 2021 ، إنتاجًا تاريخيًا للطاقة قدره 1.3 ميغا جول ، وهي أعلى قيمة سجلت على الإطلاق من خلال نهج القصور الذاتي: أي أقرب نقطة وصلنا إليها للاشتعال.

 

المكسب الإجمالي البالغ 0.7 يساوي الرقم القياسي الذي حققته شركة Joint European Torus في عام 1997 باستخدام الحبس المغناطيسي ، ولكن في هذه الحالة ، امتص الوقود 0.25 ميغا جول من الطاقة وولد 1.3 ميغا جول: وبالتالي ، ولّد الاندماج جزءًا كبيرًا من الحرارة اللازمة للحرارة. رد فعل يقترب من نقطة الاشتعال.

 

ومع ذلك ، يجب أن يحقق المفاعل مكاسب أعلى بكثير (أكثر من 100) ليكون جذابًا اقتصاديًا.

 

الحبس المغناطيسي

 

يعد نهج الحصر المغناطيسي بآفاق تطوير أفضل ، وبالتالي فهو الطريق المفضل لإنتاج الطاقة حتى الآن.

 

الغالبية العظمى من الأبحاث تركز على توكاماك، مفاعلات الاندماج التي تم اختراعها في الاتحاد السوفيتي في الستينيات ، حيث يتم حصر البلازما بواسطة مجال مغناطيسي قوي.

 

ايتر، مفاعل تجريبي قيد الإنشاء في جنوب فرنسا يضم 35 دولة ، يستخدم تكوين توكاماك. سيكون أكبر مفاعل اندماجي في العالم ، ويهدف إلى إظهار مكاسب قدرها 10 - سيتم تسخين البلازما بمقدار 50 ميغاواط من الطاقة ومن المفترض أن تولد 500 ميغاواط. ومن المتوقع الآن رسميًا ظهور أول بلازما بحلول نهاية عام 2025 ، مع توقع ظهور اندماج في أواخر عام 2030.

 

أطلقت المملكة المتحدة مؤخرًا مشروع STEP (التوكاماك الكروية لإنتاج الكهرباء) ، الذي يهدف إلى تطوير مفاعل يتصل بشبكة الطاقة في الأربعينيات من القرن الماضي. الصين تسعى أيضا إلى برنامج طموح لإنتاج نظائر التريتيوم والكهرباء في الأربعينيات. أخيرًا ، تخطط أوروبا لفتح دولة أخرى متظاهر توكاماك نسخة تجريبية ، في خمسينيات القرن الماضي.

 

تكوين آخر يسمى النجم ، مثل ألمانيا Wendelstein-7X، تظهر نتائج جيدة جدًا. على الرغم من أن الأداء المتميز أقل مما يمكن أن يحققه التوكاماك ، إلا أن استقراره الجوهري ونتائجه الحديثة الواعدة تجعله بديلاً جادًا.

 

مستقبل الانصهار

 

في غضون ذلك ، ازدهرت مشاريع الاندماج النووي الخاصة في السنوات الأخيرة. يتصور معظمهم رد فعل اندماجي في السنوات العشر إلى العشرين القادمة وقد اجتذبوا معًا 2 مليار دولار في التمويل لتتفوق على قطاع التنمية التقليدية.

 

سيناريوهان مختلفان لنشر الاندماج النووي ، مقارنةً بالرياح والانشطار الشمسي والنووي. رصيد الصورة: G De Temmerman، D Chuard، J -B. Rudelle for Zenon Research (المؤلف مقدم)

 

في حين أن هذه المبادرات تستخدم تقنيات مبتكرة أخرى للوصول إلى الاندماج وبالتالي يمكن أن تقدم بشكل جيد مفاعلات تشغيلية بسرعة ، فإن نشر أسطول من المفاعلات في جميع أنحاء العالم لا بد أن يستغرق وقتًا.

 

إذا اتبعت التنمية هذا المسار المتسارع ، فقد يصل الاندماج النووي إلى حوالي 1 ٪ من الطلب العالمي على الطاقة بحلول عام 2060.

 

لذا ، في حين أن هذا الاختراق الجديد مثير ، يجدر بنا أن نضع في اعتبارنا أن الاندماج سيكون مصدرًا للطاقة في الجزء الثاني من القرن - في أقرب وقت ممكن.

 

تم نشر هذا المقال في الأصل بواسطة The Conversation ، أستراليا ، في 26 أغسطس 2021 ، وتم إعادة نشره وفقًا لـ Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International Public License. يمكنك قراءة المقال الأصلي هنا وقد تم نشره في الأصل في الفرنسية. الآراء المعبر عنها في هذا المقال هي آراء المؤلف وحده وليست WorldRef.


 

استكشف خدمات WorldRef لتتعلم كيف نجعل توسعك العالمي أسهل واقتصاديًا!

الطاقة الحرارية والتوليد المشترك | التعدين والمعادن | التحكم في تلوث الهواء | أنظمة مناولة المواد | معالجة المياه والصرف الصحي |

المعدات الصناعية المستعملة | قطع الغيار والأدوات والمواد الاستهلاكية | المشتريات الصناعية