|
نجح مفاعل الاندماج النووي الصيني في الحفاظ على استقرار البلازما فائقة الكثافة، متجاوزًا بذلك علامة فارقة مهمة، وربما يقرب البشرية من مصدر غير محدود للطاقة النظيفة.
لقد حقق مفاعل الاندماج الفائق التوصيل التجريبي المتقدم (EAST)، الملقب بـ "الشمس الاصطناعية" للصين، أرقامًا قياسية في تفاعلات الاندماج بشكل مستمر (صورة: Zhang Dagang/VCG/Getty Images).
مفاعل الاندماج التجريبي فائق التوصيل المتقدم في الصين (EAST)، والمعروف أيضًا باسم "الشمس الاصطناعية".
بحسب بيان صادر عن الأكاديمية الصينية للعلوم ، نجح مفاعل توكاماك الشرقي في الحفاظ على بلازما مستقرة - وهي الحالة الرابعة للمادة ذات الطاقة العالية - بكثافة عالية للغاية. ويُعدّ هذا تحديًا كبيرًا كان يُعتبر سابقًا عائقًا أمام تطوير الاندماج النووي.
صرح البروفيسور بينغ تشو، المؤلف المشارك الرئيسي للدراسة من كلية الهندسة الكهربائية والإلكترونية بجامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين، قائلاً: "تفتح هذه النتائج مسارًا عمليًا وقابلًا للتطوير للتغلب على حدود الكثافة في مفاعلات توكاماك وأجهزة اندماج البلازما بالاحتراق من الجيل التالي".
إمكانات الطاقة النظيفة والتحديات التي تواجهها.
يعد الاندماج النووي بمصدر طاقة نظيفة لا ينضب تقريباً، وينتج نفايات نووية وانبعاثات غازات دفيئة أقل تسبب تغير المناخ مقارنة بالوقود الأحفوري.
قد تدفع النتائج الجديدة، التي نُشرت في الأول من يناير في مجلة "Science Advances"، البشرية خطوة أقرب إلى تسخير مصدر الطاقة هذا، والذي يتوقع بعض الباحثين أنه قد يكون ممكناً في غضون العقود القليلة القادمة.
مع ذلك، فإن تقنية الاندماج النووي قيد التطوير منذ أكثر من 70 عامًا، ولا تزال مجالًا علميًا تجريبيًا للغاية. غالبًا ما تستهلك المفاعلات طاقة أكثر مما تنتج.
وسط دعوات من علماء المناخ لإجراء تخفيضات فورية وجذرية في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بسبب التأثيرات المستمرة لتغير المناخ العالمي، من غير المرجح أن يكون الاندماج النووي حلاً فورياً لأزمة المناخ الحالية، ولكنه قد يوفر الطاقة للعالم في المستقبل.
كيف يعمل غرينوالد وكيف يتغلب على القيود.
تم تصميم مفاعلات الاندماج لدمج ذرتين خفيفتين في ذرة ثقيلة واحدة من خلال الحرارة والضغط، مما ينتج طاقة مماثلة لطاقة الشمس.
لأن الضغط على الأرض أقل بكثير من الضغط على الشمس، يتعين على العلماء التعويض عن طريق إبقاء البلازما ساخنة عند درجة حرارة أعلى بكثير.
مفاعل EAST الصيني هو مفاعل حصر مغناطيسي، أو توكاماك، مصمم للحفاظ على احتراق البلازما بشكل مستمر لفترات طويلة.
يقوم المفاعل بتسخين البلازما وحصرها داخل حجرة حلقية الشكل باستخدام مجالات مغناطيسية قوية. وبينما لم تصل مفاعلات التوكاماك بعد إلى مرحلة التنشيط الاندماجي (النقطة التي يصبح عندها الاندماج ذاتي الاستدامة)، فقد نجحت مفاعلات إيست في زيادة مدة حلقة البلازما المستقرة والمحصورة للغاية.
يُعدّ حدّ الكثافة، المعروف بحدّ غرينوالد، عقبةً رئيسيةً أمام باحثي الاندماج النووي. فبعد تجاوز هذا الحدّ، غالباً ما تصبح البلازما غير مستقرة. ورغم أن ارتفاع كثافة البلازما يسمح بحدوث المزيد من التصادمات الذرية، مما يقلل من الطاقة اللازمة لبدء التفاعل، إلا أن هذا عدم الاستقرار يُوقف الاندماج النووي.
للتغلب على قيود غرينوالد، قام العلماء في EAST بالتحكم بعناية في تفاعل البلازما مع جدار المفاعل عن طريق ضبط معلمتين رئيسيتين أثناء بدء التشغيل: ضغط غاز الوقود الأولي وتسخين رنين السيكلوترون الإلكتروني (التردد الذي تمتص عنده الإلكترونات في البلازما الموجات الدقيقة).
يساعد هذا في الحفاظ على استقرار البلازما عند كثافات عالية للغاية، من 1.3 إلى 1.65 ضعف حد غرينوالد - وهو أعلى بكثير من نطاق التشغيل النموذجي لجهاز توكاماك، والذي يتراوح من 0.8 إلى 1.
التطورات العالمية ومستقبل مشروع ITER
ليست هذه المرة الأولى التي يتم فيها تجاوز حد غرينوالد. فقد تجاوز مفاعل توكاماك DIII-D التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في سان دييغو هذا الحد في عام 2022، وفي عام 2024، تمكن باحثون في جامعة ويسكونسن-ماديسون من الحفاظ على بلازما توكاماك مستقرة عند حوالي 10 أضعاف حد غرينوالد باستخدام جهاز اختبار.
ومع ذلك، سمح تسرب في EAST للباحثين بتسخين البلازما إلى حالة نظرية سابقة تسمى "نظام الكثافة الصفرية"، حيث تظل البلازما مستقرة مع زيادة كثافتها.
يستند هذا البحث إلى نظرية التنظيم الذاتي للبلازما والجدار (PWSO)، والتي تفترض أن نظامًا بدون كثافة يمكن أن يكون ممكنًا عندما يكون التفاعل بين البلازما وجدار المفاعل في حالة توازن دقيق.
سيُسهم التقدم المُحرز في مشروع EAST وفي الولايات المتحدة في توفير معلومات بالغة الأهمية لتطوير مفاعلات جديدة. وتُعدّ كلٌّ من الصين والولايات المتحدة عضوتين في برنامج المفاعل التجريبي الدولي للاندماج النووي (ITER)، وهو مشروع تعاوني بين عشرات الدول لبناء أكبر مفاعل توكاماك في العالم في فرنسا.
من المتوقع أن يبدأ مشروع ITER إنتاج الاندماج على نطاق واسع بحلول عام 2039، مما يمهد الطريق لمحطات الطاقة الاندماجية المستقبلية
|