لسنوات ، حاول العلماء النوويون تكرار عملية الاندماج التي تحدث في مليارات النجوم لتوليد طاقة نظيفة على الأرض.
الآن ، أبلغ فريق بريطاني عن تحقيق إنجاز رئيسي في المهمة ، وهو تسخين مفاعل نووي إلى “الرقم السحري” البالغ 100 مليون درجة مئوية.
هذه هي العتبة التي يمكن أن تبدأ فيها ذرات الهيدروجين في الاندماج في الهيليوم ، مما يؤدي إلى إطلاق طاقة مستدامة في العملية التي يمكن أن تضع حدًا للوقود الأحفوري.
وُصف بأنه “الكأس المقدسة” ، وقد تم تحقيق هذا الإنجاز باستخدام ST40 “توكاماك كروي” – وهو جهاز نووي على شكل “تفاحة محفورة” في أوكسفوردشاير – ويعمل الفريق الآن على مفاعل نووي يمكنه الاتصال بالشبكة الوطنية عن طريق 2030.
هذا الإنجاز أقل من الرقم القياسي الذي سجله العلماء الصينيون في عام 2021 ، الذين أداروا مفاعلهم عند 120 مليون درجة مئوية.
يستخدم التوكاماك الكروي (المسمى ST40) مجالًا مغناطيسيًا قويًا لحصر نظائر الهيدروجين في شكل كروي ، على غرار التفاحة المحببة ، حيث يتم تسخينها بواسطة الموجات الدقيقة في البلازما لإنتاج الاندماج – والطاقة النظيفة
ومع ذلك ، فإن الخبراء المقيمين في أوكسفوردشاير ، الذين عملوا مع زملائهم في مختبر برينستون لفيزياء البلازما ، يقولون إن مفاعلهم أصغر ويعمل بطاقة تسخين أقل للبلازما – ربما يمهد الطريق لأول محطات طاقة اندماجية.
وصف فريق البحث نتائجهم الواعدة في ورقة بحثية جديدة نُشرت في مجلة Nuclear Fusion.
وقالوا في الدراسة: “تم إنتاج درجات حرارة أيونية تزيد عن 100 مليون درجة في توكاماك الكروي عالي المجال المضغوط ST40”.
(درجات الحرارة هذه) لم يتم الوصول إليها سابقًا في أي توكاماك كروي ولم يتم الحصول عليها إلا في أجهزة أكبر بكثير مع طاقة تسخين بلازما أكبر بكثير.
يمكن تحقيق درجات حرارة الأيونات ذات الصلة بانصهار الحبس المغناطيسي التجاري في توكاماك كروي مدمج وعالي المجال.
تعمل شركة Tokamak Energy ، ومقرها ميلتون ، بأوكسفوردشاير ، على إعادة إنشاء عملية الاندماج التي تحدث في مليارات النجوم في جميع أنحاء الكون ، في جهازها الممول من القطاع الخاص ، ST40.
ST40 ، الذي تم إطلاقه لأول مرة في أبريل 2017 ، هو “توكاماك كروي” ، لذا فهو أكثر ضغطًا وصغرًا مقارنةً بالمفاعلات الأخرى “الدائرية الشكل” التي يمكن أن تصل إلى عدة أميال.
نظرًا لتصميمها ، فإن ST40 “مضغوطة” – عرضها أقل من ثلاثة أقدام – ويصل ارتفاعها إلى حوالي 13 قدمًا.
منظر لـ ST40 “توكاماك كروي” من الخارج (يسار) وداخل (يمين). توكاماك كروي يحمل البلازما في مجالات مغناطيسية أكثر إحكامًا ، مما يجعلها تشبه تفاحة محفورة أكثر من كعكة دونات
يقول الباحثون إن درجات حرارة تزيد عن 100 مليون درجة (8.6 كيلوفولت) تم إنتاجها في توكاماك الكروي ST40
في ST40 ، يتم تسخين غاز الهيدروجين ليصبح “بلازما” – حساء من الجسيمات المشحونة إيجابياً (الأيونات) والجسيمات سالبة الشحنة (الإلكترونات).
البلازما – التي غالبا ما يشار إليها على أنها الحالة الرابعة للمادة بعد الصلبة والسائلة والغازية – تشكل أكثر من 99 في المائة من الكون المرئي وتشكل معظم شمسنا.
في التوكاماك ، يتم حبس البلازما وضغطها بواسطة الحقول المغناطيسية حتى تبدأ جزيئات البلازما النشطة في الاصطدام.
عندما تندمج الجسيمات في الهيليوم ، فإنها تطلق كميات هائلة من الطاقة ، محاكية العملية التي تحدث بشكل طبيعي في مركز النجوم.
لإنتاج الطاقة التجارية ، ستحتاج محطات الطاقة الاندماجية المستقبلية إلى تحقيق درجات حرارة تصل إلى 100 مليون درجة مئوية ، وفقًا لشركة Tokamak Energy.
على الرغم من أن لب الشمس يحترق عند حوالي 15 مليون درجة مئوية ، إلا أن درجات حرارة المفاعل يجب أن تكون أعلى بكثير ، لأن الشمس بها كثافة أعلى بكثير من الجسيمات.
على الرغم من أن تكلفة تحقيق ST40 لهذا الإنجاز قد تم الإبلاغ عنها بأقل من 50 مليون جنيه إسترليني (66 مليون دولار) ، فإن المفاعلات الأخرى هي أضعاف هذا المبلغ.
على سبيل المثال ، تقدر تكلفة المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي (ITER) الذي يتم بناؤه في فرنسا بنحو 22.5 مليار دولار (15.9 مليار جنيه إسترليني).
يقول باحثو المملكة المتحدة إن عملهم هو “تطوير الأساس الفيزيائي” نحو الاندماج التجاري باستخدام ST40 tokamak “بتكلفة منخفضة محتملة”.
يمكن أن يمهد الطريق لأول محطة طاقة اندماجية قابلة للتطبيق تجاريًا في المملكة المتحدة ، والتي يشار إليها باسم Spherical Tokamak لإنتاج الطاقة (STEP).
تعمل قوة الاندماج عن طريق اصطدام ذرات الهيدروجين الثقيلة لتكوين الهيليوم – مما يؤدي إلى إطلاق كميات هائلة من الطاقة في هذه العملية ، كما يحدث بشكل طبيعي في مركز النجوم.
محطة توليد الكهرباء راتكليف أون سور ، واحدة من ثلاث محطات طاقة نشطة تعمل بالفحم في المملكة المتحدة. ومن المقرر إغلاقه في سبتمبر 2024
بتمويل من حكومة المملكة المتحدة ، سيتم إنشاء STEP في محطة كهرباء West Burton الحالية في Nottinghamshire ، تم الإعلان عنها في أكتوبر الماضي.
توقفت محطة طاقة تعمل بالفحم في الموقع عن الإنتاج قبل أيام قليلة من الإعلان ، كجزء من جهود المملكة المتحدة للتخلص التدريجي من الوقود الأحفوري واستبداله بمصادر طاقة نظيفة مثل الطاقة النووية.
في المملكة المتحدة ، هناك محطتان نشطتان لتوليد الطاقة تعملان بالفحم – في كيلروت ، أيرلندا الشمالية ، وراتكليف في سور ، نوتنغهام – ولكن سيتم إيقاف تشغيلهما أو تحويلهما إلى طاقة غاز بحلول عام 2024.
تم تعيين محطات توليد الطاقة الاندماجية لتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من قطاع توليد الطاقة ، والذي يعد أحد المصادر الرئيسية لانبعاثات الكربون على مستوى العالم.
في غضون عقود قليلة فقط ، يمكن تحويل محطات الطاقة التي اعتادت على تجشؤ الملوثات الضارة مثل ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت والجسيمات إلى منشآت نظيفة توفر طاقة نظيفة ومتجددة.
بينما يدمج الاندماج النوى الذرية لإنتاج كميات هائلة من الطاقة ، فإن الانشطار المقابل ، الذي يستخدم في الأسلحة الذرية ومحطات الطاقة النووية ، يقسمها إلى أجزاء.
على عكس الانشطار ، ينطوي الاندماج على مخاطر أقل لوقوع حوادث أو سرقة المواد الذرية – لكن كلاهما صعب للغاية ويمكن أن يكون مكلفًا.
كيف يعمل مفاعل الاندماج
الاندماج هو العملية التي يتم من خلالها تسخين الغاز وفصله إلى الأيونات والإلكترونات المكونة له.
إنه ينطوي على عناصر خفيفة ، مثل الهيدروجين ، تتحطم معًا لتشكيل عناصر أثقل ، مثل الهيليوم.
لكي يحدث الاندماج ، توضع ذرات الهيدروجين تحت حرارة وضغط مرتفعين حتى تندمج معًا.
توكاماك (انطباع الفنان) هو نظام الحبس المغناطيسي الأكثر تطورًا وهو الأساس لتصميم العديد من مفاعلات الاندماج الحديثة. يُظهر اللون الأرجواني في منتصف الرسم البياني البلازما بالداخل
عندما تندمج نوى الديوتيريوم والتريتيوم – والتي يمكن العثور عليها في الهيدروجين – فإنها تشكل نواة الهيليوم والنيوترون والكثير من الطاقة.
يتم ذلك عن طريق تسخين الوقود إلى درجات حرارة تزيد عن 150 مليون درجة مئوية وتشكيل بلازما ساخنة ، حساء غازي من الجسيمات دون الذرية.
تُستخدم المجالات المغناطيسية القوية لإبقاء البلازما بعيدًا عن جدران المفاعل ، بحيث لا تبرد وتفقد طاقتها الكامنة.
يتم إنتاج هذه الحقول بواسطة ملفات فائقة التوصيل تحيط بالوعاء وبواسطة تيار كهربائي مدفوع عبر البلازما.
لإنتاج الطاقة ، يجب حصر البلازما لفترة طويلة بما يكفي لحدوث الاندماج.
عندما تسخن الأيونات بدرجة كافية ، يمكنها التغلب على التنافر المتبادل والتصادم ، والاندماج معًا.
عندما يحدث هذا ، فإنها تطلق حوالي مليون مرة من الطاقة أكثر من التفاعل الكيميائي وثلاث إلى أربع مرات أكثر من مفاعل الانشطار النووي التقليدي.