إن “اختراق” مفاعل الاندماج النووي مهم ، لكن على بعد سنوات ضوئية من أن يكون مفيدًا
أعلن العلماء للتو عن اختراق في الاندماج النووي الاشتعال: لأول مرة يولد مفاعل اندماج قوي لفترة وجيزة طاقة أكثر مما تم وضعه فيه. لكن الخبراء يحثون على توخي الحذر ، قائلين إن الاختراق ، على الرغم من أهميته ، لا يزال بعيدًا عن الطاقة النووية الآمنة وغير المحدودة.
في يوم الثلاثاء (13 ديسمبر) ، أعلن الفيزيائيون في منشأة الإشعال الوطنية (NIF) التي تمولها الحكومة الأمريكية في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا أنهم تمكنوا من إطلاق ليزر يحمل ما يقرب من 2 ميغا جول من الطاقة إلى نظيرين للهيدروجين. تتحول الذرات إلى بلازما وتنتج 3 ميغا جول من الطاقة – أي ما يقرب من 50٪ زيادة.
ومع ذلك ، فقد حث العلماء على توخي الحذر في تفسير هذه النتائج. لم ينتج المفاعل ككل مكسبًا صافياً للطاقة. لكي يكون تفاعل الاندماج مفيدًا عمليًا ، يجب أن تكون عشرات الميغاجول المسحوبة من الشبكة الكهربائية ، وتحويلها إلى أشعة الليزر وإطلاقها في قلب المفاعل ، أقل بكثير من الطاقة المنبعثة من البلازما.
لكن معلم اشتعال البلازما الجديد يفسر فقط طاقة الليزر الداخلة وطاقة البلازما الخارجة ، وليس الخسارة الكبيرة من تحويل الكهرباء إلى ضوء.
علاوة على ذلك ، يحدث التفاعل في حبيبات وقود صغيرة داخل أكبر ليزر في العالم ، وتستمر فقط لبضعة أجزاء من المليار من الثانية ، ويمكن تكرارها فقط كل ست ساعات. هذا يجعل رد الفعل غير فعال إلى حد بعيد لأغراض عملية.
“كسب الطاقة الصافي هو معلم هام ، ولكن لوضعه في المنظور الصحيح ، فهذا يعني أن الاندماج الآن هو المكان الذي وضع فيه فيرمي الانشطار قبل حوالي ثمانين عامًا ،” إيان لويقال عالم فيزياء وأستاذ فخري بجامعة جريفيث في أستراليا لموقع Live Science. “المشكلة التقنية الضخمة هي الحفاظ على كتلة من البلازما عند درجة حرارة عدة ملايين من الدرجات لتمكين الاندماج ، مع استخلاص حرارة كافية لتوفير طاقة مفيدة. ما زلت لم أر رسمًا تخطيطيًا موثوقًا به لمفاعل الاندماج الذي يحقق هذا الهدف. “
كيف تعمل مفاعلات الاندماج
يمكن تقسيم مفاعلات الاندماج الحالية إلى فئتين عريضتين: مفاعلات الحبس بالقصور الذاتي مثل NIF’s ، والتي تحتوي على البلازما الساخنة باستخدام أشعة الليزر أو حزم الجسيمات ، ومفاعلات الحبس المغناطيسي ، مثل المفاعل الأوروبي المشترك (JET) ومقره المملكة المتحدة ، والمفاعل الأوروبي القادم ITER ، وتوكاماك التجريبي المتقدم فائق التوصيل الصيني (EAST) ، الذي ينحت البلازما في شكل طارة مع مجالات مغناطيسية قوية. في ITER ، سيكون المجال الذي يحصر البلازما المحترقة 280،000 ضعف القوة كالذي حولها أرض.
تعكس أنواع المفاعلات المختلفة استراتيجيات مختلفة للتغلب على الحواجز التقنية المخيفة للاندماج. تهدف مفاعلات الحبس المغناطيسي ، المعروفة باسم tokamaks ، إلى إبقاء البلازما مشتعلة بشكل مستمر لفترات طويلة من الزمن (هدف ITER هو القيام بذلك لمدة تصل إلى 400 ثانية). ولكن ، على الرغم من الاقتراب أكثر من أي وقت مضى ، لا يزال على التوكاماك تحقيق مكاسب صافية من الطاقة من البلازما الخاصة بهم.
من ناحية أخرى ، تولد أنظمة الحبس بالقصور الذاتي مثل مفاعل NIF ، الذي تم بناؤه في البداية لاختبار التفجيرات النووية الحرارية للأغراض العسكرية ، دفعات من الطاقة عن طريق حرق جزء صغير جدًا من الوقود بسرعة تلو الأخرى. ومع ذلك ، يأتي هذا الوقود في شكل كريات منفصلة ، والتي لم يكتشف العلماء بعد كيفية استبدالها بسرعة كافية للحفاظ على التفاعل لفترة أطول من أصغر أجزاء من الثانية.
“هذا أمر صعب للغاية لأنه يعني أنك بحاجة إلى وضع الحبيبة التالية خلال الوقت الذي [plasma] تتسع السحابة في الوعاء ، ” إيف مارتن، نائب مدير مركز البلازما السويسري في مدرسة الفنون التطبيقية في لوزان في سويسرا ، قال لـ Live Science. “هذه الحبيبة عادة ما تكون مليمتر واحد [0.04 inches] قطرها كبير ويجب وضعها في غرفة يبلغ عرضها تسعة أمتار. على حد علمي ، لا يزال يكلف عدة عشرات الآلاف من الدولارات [to get the reaction going]. لكي تكون ممتعًا ، يجب أن تنخفض إلى دولار واحد أو حتى أقل “.
نظير مكلف للغاية
هناك مشكلة أخرى تواجه مفاعلات الاندماج وهي تضاؤل إمدادات التريتيوم ، وهو نظير رئيسي يتم دمجه مع الديوتيريوم لإثارة التفاعل. بمجرد أن يكون منتجًا ثانويًا شائعًا وغير مرغوب فيه لتجارب الأسلحة النووية والانشطار النووي – الذي يقسم الذرات بدلاً من الجمع بينها وينتج المزيد من النفايات المشعة – يعني عمر النصف للتريتيوم الذي يبلغ 12.3 عامًا أن الكثير من مخزونه الحالي في طريقه بالفعل إلى أن يصبح غير قابل للاستخدام مما يجعلها واحدة من أغلى المواد على وجه الأرض 30 ألف دولار للجرام.
اقترح الفيزيائيون طرقًا أخرى لصنع التريتيوم ، مثل تربيته داخل المفاعلات النووية التي تلتقط النيوترونات الضالة. لكن خطط اختبار تكاثر التريتيوم في ITER تم إلغاؤها مع تضخم تكاليف ITER.
يعتقد باحثو الاندماج أنه إذا تم العثور على الإرادة السياسية وتم حل التحديات الهندسية ، فمن الممكن أن تبدأ مفاعلات الاندماج الأولى القابلة للتطبيق في العمل في أقرب وقت ممكن بحلول عام 2040. ولكن هذا لا يزال متأخراً بعشر سنوات لإبقاء الاحترار العالمي أقل من هدف 1.5 درجة مئوية (2.7) درجة فهرنهايت) بحلول عام 2030.
وقال لوي “صناع القرار يتوقون إلى الكأس المقدسة للطاقة النظيفة من مورد وفير”. “بعد أن أنفقوا القليل من المال على أبحاث الاندماج ، فإنهم مترددون جدًا في الاستسلام ، تمامًا كما أمضوا عقودًا في مطاردة خيال المفاعل المولّد [a fission reactor which produces more energy than it consumes]. “
ومع ذلك ، شهدت السنوات الأخيرة تحسينات في تكنولوجيا الاندماج التي تصل في تدفق مستمر. وتشمل هذه تجربة ناجحة لـ منظمة العفو الدولية إلى السيطرة على البلازما داخل توكاماك؛ أ عدد كبير من السجلات في توليد الطاقة ، ووقت حرق البلازما ، و درجات حرارة المفاعل عبر تجارب متعددة ؛ و ال إعادة كتابة قاعدة أساسية والتي يمكن أن تمكن المفاعلات المستقبلية من توليد المزيد من الطاقة. في ضوء هذه التطورات ، يصر الفيزيائيون على أن الاستراتيجيات المتعددة لحل أزمة المناخ ضرورية ، وأن الاندماج سيصبح مكونًا حيويًا لنظام طاقة خالٍ من الكربون في المستقبل.
“إذا أردنا الاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة فقط ، فسنحتاج إلى مثل هذا الفائض من التركيبات للحصول على كمية الطاقة التي تحتاجها عادةً في الشتاء ، أو في فترة لا رياح. نحن بحاجة إلى شيء سيكون المستوى الأساسي الذي سيكون قال مارتن: “تنتج بالضبط ما تريده”. “ليس لأنني أؤمن بالاندماج أنني لن أضع بعض الألواح الشمسية على سقفي. بمعنى ما ، نحتاج حقًا إلى استخدام كل شيء أفضل من الوقود الأحفوري.”
