إذا أردنا الاعتماد على الاندماج النووي لتزويد منازل العالم بالطاقة، فإن الخطوة الأولى هي صنع مفاعلات يمكن تشغيلها بأعلى درجة حرارة ولأطول فترة ممكنة.
الآن، سجل مفاعل تجريبي يسمى KSTAR في دايجون، كوريا، رقما قياسيا عالميا جديدا.
وجرى تشغيل الجهاز الضخم على شكل كعكة الدونات، والذي أطلق عليه اسم “شمس كوريا الاصطناعية”، عند درجة حرارة 100 مليون درجة مئوية (180 مليون درجة فهرنهايت) لمدة 48 ثانية.
لوضع ذلك في الاعتبار، هذا أكثر سخونة بسبع مرات من قلب الشمس!
إن اختبار تحطيم الأرقام القياسية يجعلنا نقترب خطوة واحدة من الهدف النهائي للطاقة النظيفة التي لا حدود لها.
كيف يعمل الاندماج النووي: يُظهر هذا الرسم الجزء الداخلي من مفاعل الاندماج النووي ويشرح العملية التي يتم من خلالها إنتاج الطاقة. يوجد في قلبه التوكاماك، وهو جهاز يستخدم مجالًا مغناطيسيًا قويًا لحصر نظائر الهيدروجين في شكل كروي، يشبه التفاحة ذات القلب، حيث يتم تسخينها بواسطة الموجات الدقيقة إلى بلازما لإنتاج الاندماج النووي
لقد تجاوز المهندسون في كوريا الجنوبية حدود الاندماج النووي من خلال تسجيل رقم قياسي جديد للحفاظ على البلازما. البلازما هي إحدى حالات المادة الأربع – الحالات الأخرى هي السائل والغاز والصلب – ومن الأمثلة على ذلك البرق والشمس
تتسابق مفاعلات الاندماج النووي حول العالم للعمل في درجات حرارة أعلى ولمدة أطول لاستخراج أكبر قدر ممكن من الطاقة من عملية الاندماج.
وهي تعمل عن طريق اصطدام ذرات الهيدروجين الثقيلة لتكوين الهيليوم، وإطلاق كميات هائلة من الطاقة، لمحاكاة العملية التي تحدث بشكل طبيعي في مراكز النجوم مثل شمسنا.
سجلت KSTAR بالفعل رقمًا قياسيًا في عام 2021 بلغ 100 مليون درجة لمدة 30 ثانية، لكنها حطمت هذا الرقم القياسي الآن.
تم تشغيل مفاعل الاندماج النووي الصيني المنافس “الشمس الاصطناعية” لأكثر من 17 دقيقة ولكن بدرجة حرارة أقل – 126 مليون درجة فهرنهايت (70 مليون درجة مئوية).
تمكن الخبراء الكوريون من تحقيق هذا الإنجاز في الفترة من ديسمبر 2023 إلى فبراير 2024 باستخدام التنغستن بدلاً من الكربون في المحولات.
تقوم هذه المحولات باستخراج الشوائب من تفاعل الاندماج مع تحمل الحرارة العالية بشكل لا يصدق، ويرجع الفضل في ذلك إلى حد كبير إلى أن التنغستن يتمتع بأعلى نقطة انصهار بين جميع المعادن.
قال الدكتور Si-Woo Yoon، مدير مركز أبحاث KSTAR: “لقد مكننا اختبار الأجهزة الشامل والإعداد للحملة من تحقيق نتائج تجاوزت نتائج سجلات KSTAR السابقة في فترة قصيرة”.
مثل مفاعلات الاندماج الأخرى، فإن KSTAR عبارة عن “توكاماك”، وهو نوع من الغرف على شكل كعكة الدونات التي تنتج الطاقة عن طريق اندماج الذرات.
يتم تسخين غاز الهيدروجين الموجود داخل وعاء التوكاماك ليتحول إلى “بلازما” – حساء من الجسيمات الموجبة الشحنة (الأيونات) والجسيمات سالبة الشحنة (الإلكترونات).
يشار إلى البلازما عادة على أنها الحالة الرابعة للمادة بعد الحالة الصلبة والسائلة والغازية، وهي تشكل أكثر من 99% من الكون المرئي، بما في ذلك معظم شمسنا.
في التوكاماك، يتم احتجاز البلازما وضغطها بواسطة المجالات المغناطيسية حتى تبدأ جزيئات البلازما النشطة في الاصطدام.
عندما تندمج الجسيمات لتكوين الهيليوم، فإنها تطلق كميات هائلة من الطاقة، لمحاكاة العملية التي تحدث بشكل طبيعي في مركز النجوم.
“الشمس الاصطناعية” الكورية، وجهاز الأبحاث المتقدم فائق التوصيل توكاماك الكوري (KSTAR)، في المعهد الكوري للطاقة الاندماجية (KFE) في دايجون
لقد نجحت في الحفاظ على البلازما بدرجات حرارة أيونية تبلغ 100 مليون درجة مئوية لمدة 48 ثانية خلال حملة البلازما الأخيرة KSTAR التي استمرت من ديسمبر 2023 إلى فبراير 2024.
داخل التوكاماك، يتم امتصاص الطاقة الناتجة عن اندماج الذرات على شكل حرارة في جدران الوعاء. في الصورة، وعاء KSTAR الفراغي
في حين أن استخدام الاندماج النووي لتزويد المنازل والشركات بالطاقة قد لا يزال بعيدًا بعض الشيء، إلا أن KSTAR يثبت أنه يمكن تحقيق حرق الوقود الشبيه بالنجوم واحتوائه باستخدام التكنولوجيا الحالية.
وأضاف الدكتور Si-Woo Yoon: “لتحقيق الهدف النهائي لعملية KSTAR، نخطط لتعزيز أداء أجهزة التسخين وأجهزة التشغيل الحالية بشكل تسلسلي وكذلك تأمين التقنيات الأساسية المطلوبة لعمليات البلازما عالية الأداء ذات النبض الطويل”.
مثل العديد من المفاعلات الأخرى في جميع أنحاء العالم، تم بناء KSTAR كمنشأة بحثية لإظهار الإمكانات الواعدة للاندماج النووي لإنتاج الطاقة.
وتشمل المشاريع الأخرى مفاعل توكاماك التجريبي المتقدم فائق التوصيل في الصين في مدينة خفي، والمفاعل الياباني المسمى JT-60SA، والذي تم تشغيله مؤخرًا في ناكا شمال طوكيو.
في أثناء، 22.5 مليار دولار (15.9 مليار جنيه استرليني) سيكون المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي (ITER) في فرنسا هو الأكبر في العالم بمجرد اكتمال البناء في العام المقبل.
ويجري بناء واختبار مفاعلات أخرى أصغر حجمًا، بما في ذلك المفاعل ST40 في أوكسفوردشاير، وهو أكثر سحقًا وضغطًا مقارنةً بالمفاعلات الأخرى “على شكل كعكة الدونات”.
وأطلقت المركبة الأوروبية المشتركة (JET)، الموجودة أيضًا في أوكسفوردشاير، ما مجموعه 69 ميجاجول من الطاقة خلال خمس ثوانٍ قبل أن يتم إخراجها من الخدمة مؤخرًا.
الكأس المقدسة للطاقة النظيفة: في الصورة كيفية عمل المفاعل، بناءً على المفاعل الذي طورته شركة Tokamak Energy، ومقرها في ميلتون، أوكسفوردشاير
ومن الممكن أن تكون جميعها بمثابة مقدمة لمحطات توليد الطاقة الاندماجية التي توفر الطاقة مباشرة إلى الشبكة والكهرباء إلى منازل الناس.
يمكن لمحطات الطاقة هذه أن تقلل من انبعاثات الغازات الدفيئة من قطاع توليد الطاقة، عن طريق الابتعاد عن استخدام الوقود الأحفوري مثل الفحم والغاز.
يختلف الاندماج عن الانشطار (التقنية المستخدمة حاليًا في محطات الطاقة النووية)، لأن الأول يدمج نواتين ذريتين بدلاً من تقسيم إحداهما (الانشطار).
وعلى عكس الانشطار، لا يحمل الاندماج أي خطر وقوع حوادث نووية كارثية -مثل تلك التي شهدناها في فوكوشيما في اليابان عام 2011- وينتج نفايات مشعة أقل بكثير من محطات الطاقة الحالية، كما يقول مؤيدوها.
كيف يعمل مفاعل الاندماج
الاندماج هو العملية التي يتم من خلالها تسخين الغاز وفصله إلى الأيونات والإلكترونات المكونة له.
وهي تنطوي على اصطدام العناصر الخفيفة، مثل الهيدروجين، معًا لتكوين عناصر أثقل، مثل الهيليوم.
ولكي يحدث الاندماج، يتم وضع ذرات الهيدروجين تحت حرارة وضغط عاليين حتى تندمج معًا.
التوكاماك (انطباع فني) هو نظام الحبس المغناطيسي الأكثر تطورًا وهو الأساس لتصميم العديد من مفاعلات الاندماج الحديثة. يُظهر اللون الأرجواني الموجود في وسط المخطط البلازما بالداخل
عندما تندمج نواة الديوتيريوم والتريتيوم – والتي يمكن العثور عليها في الهيدروجين – فإنها تشكل نواة الهيليوم ونيوترون والكثير من الطاقة.
ويتم ذلك عن طريق تسخين الوقود إلى درجات حرارة تزيد عن 150 مليون درجة مئوية وتشكيل بلازما ساخنة، وهي حساء غازي من الجسيمات دون الذرية.
وتستخدم مجالات مغناطيسية قوية لإبعاد البلازما عن جدران المفاعل، حتى لا تبرد وتفقد إمكاناتها من الطاقة.
يتم إنتاج هذه الحقول بواسطة ملفات فائقة التوصيل تحيط بالسفينة وبواسطة تيار كهربائي مدفوع عبر البلازما.
لإنتاج الطاقة، يجب أن تكون البلازما محصورة لفترة طويلة بما يكفي لحدوث الاندماج.
عندما تصبح الأيونات ساخنة بدرجة كافية، يمكنها التغلب على تنافرها المتبادل والتصادم، والاندماج معًا.
وعندما يحدث ذلك، فإنها تطلق طاقة أكثر بحوالي مليون مرة من التفاعل الكيميائي وثلاث إلى أربع مرات أكثر من مفاعل الانشطار النووي التقليدي.