تجربة الاندماج النووي تتغلب على عقبتين رئيسيتين في التشغيل

لقد تغلب تفاعل الاندماج النووي على عائقين رئيسيين أمام العمل في “المكان المناسب” اللازم لإنتاج الطاقة الأمثل: تعزيز كثافة البلازما والحفاظ على احتواء البلازما الأكثر كثافة. يعد هذا الإنجاز بمثابة نقطة انطلاق أخرى نحو طاقة الاندماج النووي، على الرغم من أن المفاعل التجاري لا يزال على الأرجح على بعد سنوات.

أحد السبل الرئيسية التي يتم استكشافها في الجهود المبذولة لتحقيق طاقة الاندماج النووي هو استخدام مفاعلات توكاماك. تحتوي هذه على غرفة على شكل كعكة الدونات، حيث يتم احتواء البلازما الأكثر سخونة من سطح شمسنا بواسطة مغناطيسات ضخمة.

كان يُعتقد أن هناك نقطة – تُعرف باسم حد غرينوالد – لا يمكنك فوقها رفع كثافة البلازما دون أن تفلت من براثن المغناطيس، مما قد يؤدي إلى إتلاف مفاعلك. لكن زيادة الكثافة أمر بالغ الأهمية لزيادة الإنتاج، حيث أظهرت التجارب أن إنتاج مفاعلات توكاماك يرتفع بشكل يتناسب مع مربع كثافة الوقود.

الآن، أظهر سيي دينغ – من شركة جنرال أتوميكس في سان دييغو، كاليفورنيا – وزملاؤه أن هناك طريقة لرفع كثافة البلازما، وأثبتوا أنها يمكن أن تكون مستقرة، عن طريق تشغيل مفاعل توكاماك التابع لمرفق الاندماج الوطني DIII-D لمدة 2.2 ثانية. ثانية بمتوسط ​​كثافة يزيد بنسبة 20 بالمائة عن حد جرينوالد. في حين تم تجاوز هذا الحاجز من قبل، مع استقرار أقل ولفترات أقصر، فقد أجريت هذه التجربة أيضًا بشكل حاسم باستخدام مقياس يعرف باسم H98(y,2) أعلى من 1.

يقول جيانلوكا ساري من جامعة كوينز في بلفاست، إن H98(y,2) عبارة عن مزيج معقد من القياسات والقيم التي توضح مدى جودة احتواء المغناطيس للبلازما، حيث تشير القيمة 1.0 أو أعلى إلى أن البلازما مثبتة بنجاح في مكانها. .

يقول ساري: “لقد بدأت الآن تظهر نوعًا من العملية المستقرة حيث يمكنك دائمًا أن تكون في المكان المناسب”. “وقد تم ذلك في آلة صغيرة. إذا أخذت هذه النتائج وقمت باستقراءها على جهاز أكبر، فمن المتوقع أن يضعك ذلك في موقف حيث يمكن تحقيق مكاسب وإنتاج كبير للطاقة خلال فترة زمنية طويلة.

يقول ساري إن تجربة DIII-D اعتمدت على مزيج من الأساليب التي ليست جديدة في حد ذاتها، ولكن يبدو أنها معًا قد خلقت نهجًا واعدًا. استخدم الفريق كثافة أعلى في قلب البلازما على شكل كعكة الدونات، لزيادة الإنتاج، مع السماح لها بالهبوط عند الحواف الأقرب إلى وعاء الاحتواء لتنخفض إلى ما دون حد غرينوالد، وبالتالي تجنب أي تسرب للبلازما. كما قاموا بنفخ غاز الديوتيريوم في البلازما لتهدئة التفاعلات في مناطق محددة.

يبلغ نصف قطر غرفة البلازما في DIII-D 1.6 مترًا فقط، ولا يُعرف بعد ما إذا كانت نفس الطريقة ستعمل مع ITER، الجيل التالي من توكاماك قيد الإنشاء في فرنسا، والذي سيكون نصف قطره 6.2 مترًا ومن المتوقع أن يكون لإنتاج البلازما في أقرب وقت عام 2025.

يقول ساري: “هذه البلازما معقدة للغاية”. “إن التغيير الطفيف في الظروف يؤدي إلى تغيير كبير في السلوك. ومن الناحية التجريبية، كان الأمر أشبه بنوع من منهج التجربة والخطأ، حيث يمكنك تجربة العديد من التكوينات المختلفة ومعرفة أي منها هو الأفضل. الأمر كله يتعلق بإجبار البلازما على القيام بشيء يتعارض تمامًا مع طبيعتها، ولا ترغب في القيام به حقًا.

يقول دينغ إن التجربة تبشر بالخير لمستقبل طاقة الاندماج. “تتطلب العديد من تصميمات المفاعلات عزلًا عاليًا وكثافة عالية في وقت واحد. ومن الناحية التجريبية، هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تحقيق ذلك. “إن الخطوة التالية مكلفة، والأبحاث تسير حاليًا في العديد من الاتجاهات المختلفة. وآمل أن تساعد هذه الورقة في تركيز الجهود في جميع أنحاء العالم.”

يقول ساري إن هذا العمل هو خطوة أخرى نحو إنشاء محطة طاقة اندماجية عملية، لكن لا ينبغي لأحد أن يتوقع رؤية مفاعل تجاري في السنوات الخمس، أو حتى العشرة المقبلة.