قفزةٌ عملاقةٌ في السعي للطاقة النظيفة
رقمٌ قياسيٌّ جديدٌ في الانصهار: قفزةٌ عملاقةٌ في السعي للطاقة النظيفة.
سجّل مفاعل توكاماك Alcator C الرقم القياسيّ العالميّ للانصهار النووي في اليوم .الأخير من عمله
تلخيص المقال:
حقق العلماء والمهندسون في الآونة الأخيرة قفزةً إلى الأمام في السعي من أجل الطاقة النظيفة. فقد سجل الفريق رقمًا قياسيًّا عالميًّا جديدًا لضغط البلازما في مفاعل الاندماج النوويّ لوزارة الدفاع (توكاماك Alcator C)، حيث يمثل ضغط البلازما العنصر الرئيسي لإنتاج الطاقة من الاندماج النووي، ولأول مرةٍ يحقق معهد (ماساتشوستس للتكنولوجيا) أكثر من 2 جو ضغط.
التفاصيل:
في 30 من سبتمبر الماضي وتحديداً في الساعة 9:25 بتوقيت شرق الولايات المتحدة، حقق العلماء والمهندسون في مركز علوم البلازما والانصهار معهد (ماساتشوستس للتكنولوجيا) قفزةً إلى الأمام في السعي من أجل الطاقة النظيفة، حيث سجل الفريق رقمًا قياسيًّا عالميًّا جديدًا لضغط البلازما في مفاعل الاندماج النووي لوزارة الدفاع (توكاماك Alcator c) فضغط البلازما هي العنصر الرئيسي لإنتاج الطاقة من الاندماج النووي، ولأول مرةٍ يحقق معهد (ماساتشوستس للتكنولوجيا) أكثر من 2 جوّ ضغطٍ.
ويُترَقّب إعلان هذه النتائج من قبل رئيس وكبير علماء البحث (Alcator إيرل مرمر) في مؤتمر الوكالة الدولية للطاقة الذريّة والانصهار، في كيوتو، اليابان، في 17 من أكتوبر.
لدى الاندماج النووي القدرة على إنتاج إمداداتٍ غير محدودةٍ تقريبًا من الطاقة النظيفة والآمنة والخالية من الكربون، فالانصهار يماثل عملية توليد القوى الشمسية، ويمكن الوصول لذلك في المفاعلات التي تحاكي ظروف (النجوم المصغرة) ultrahot شريطة أن يحتويها حقلٌ مغناطيسيٌّ من البلازما.
ومن المعروف لدينا جميعًا لأكثر من 50 عامًا أنه لإحياء الانصهار النووي على سطح الأرض، يجب أن تكون البلازما ساخنةً جدًّا (أكثر من 50 مليون درجةٍ)، ويجب أن تكون مستقرةً تحت ضغطٍ شديدٍ، ويجب أن تكون في حجمٍ ثابتٍ، ويتطلب الاندماج الناجح أيضًا نتاج ثلاثة عوامل، كثافة البلازما في الجسيمات، ووقت الحبس، ودرجة الحرارة بأن تصل إلى قيمةٍ معينةٍ، أعلى من هذه القيمة (أو ما يُسمى بالمنتج الثلاثي)، والطاقة المنطلقة في المفاعل تزيد الطاقة اللازمة للحفاظ على ردة الفعل المستمرة.
ويشكل الضغط -الذي هو نتاج الكثافة ودرجة الحرارة- نحو ثلثي هذا التحدي فكمية الطاقة المُنتجَة تزداد مع مربع الضغط (أي إن علاقةً طرديةً تجمعهما)، لذلك مضاعفة الضغط تؤدي إلى زيادةٍ قدرها أربعة أضعافٍ في إنتاج الطاقة.
عمل (Alcator C) لوزارة الدفاع مدة 23 عامًا في معهد (ماساتشوستس للتكنولوجيا)، محرزًا تقدمًا مستمرًا في الرقم القياسيّ لضغط البلازما في جهاز الحبس المغناطيسيّ، وبلغ الرقم القياسيّ السابق 1.77 جو في عام 2005 (كما في Alcator C-لوزارة الدفاع)، ثم رقمٌ قياسيٌّ جديدٌ هو 2.05 جو محدثًا تحسنًا بنسبة 15٪، وبلغت درجة الحرارة داخل (Alcator C) لوزارة الدفاع أكثر من 35 مليون درجةٍ مئويٍةٍ، أو ما يقارب ضعف سخونة مركز الشمس وإنتاج البلازما 300 مليار من تفاعلات الاندماج في الثانية الواحدة، وكانت قوة المجال المغناطيسي المركزية لها 5.7 تسلا، وأنتجت 1.4 مليون أمبيرٍ من التيار الكهربائي تحولت إلى أكثر من 4 ملايين واطٍ من الطاقة. وحدث رد فعلٍ في حجم ما يقارب من 1 مترٍ مكعبٍ (ليس أكبر بكثير من خزانة معطفٍ) واستمرت البلازما لمدة ثانيتين كاملتين.
وحققت تجارب الانصهار الأخرى التي أجريت في مفاعلاتٍ مماثلةٍ لـ Alcator نفس درجات الحرارة هذه، ولكن في ضغوطٍ أقرب إلى 1 جو، وتفوقت نتائج معهد (ماساتشوستس للتكنولوجيا) على أعلى ضغطٍ أُحرِز في الأجهزة الأُخرى والذي يبلغ تقريبًا 70℅.
وكانت مساهمات (Alcator C) لوزارة الدفاع ومنشآت البحث العلمي كبيرةً للنهوض بطاقة الانصهار، ففي عام 2012 قررت وزارة الطاقة وقف التمويل لـ (Alcator) بسبب ضغوط الميزانية اللازمة لبناء المفاعل، وبعد هذا القرار، أعاد مجلس النواب الأمريكي التمويل لـ (Alcator C- وزارة الدفاع) لمدة ثلاث سنواتٍ، والذي انتهى في سبتمبر.
كما يقول دايل ميد (نائب المدير السابق في مختبر فيزياء البلازما برنستون)، الذي لم يشارك مباشرةً في التجارب:
<<إن هذا الإنجاز الرائع سلط الضوء على برنامج (Alcator C-وزارة الدفاع) في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا>>، <<حيث أثبت ضغط البلازما صحة أن المجال المغناطيسيّ العالي طريقٌ جذابٌ لطاقة الانصهار العملية>>.
ويقول ريكاردو بيتى ووروبرت ل. مكروري أستاذ الهندسة الميكانيكية والفيزياء وعلم الفلك في جامعة (روتشستر):
<<إن هذه النتيجة تؤكد أن الضغوط العالية المطلوبة للحصول على البلازما حرقًا يمكن أن يتحقق أفضل مع tokamaks توكوماك ذي المجال المغناطيسي العالي مثل Alcator C-وزارة الدفاع>>.
Alcator C-وزارة الدفاع يعتبر هو الوحيد في العالم الذى يجمع المجال المغناطيسيّ العالي لمفاعل الاندماج مع تصميمٍ متقدمٍ والذي يدعى توكاماك (نقلٌ حرفيٌّ من الكلمة الروسية ل “غرفة حلقية”)، التي تحصر البلازما المسخنة في غرفة على شكل دونات، ويصل المجال المغناطيسي عالي الكثافة لمفاعل-وزارة الدفاع إلى 8 تسلا، أو 160 ٍألف مرة الحقل المغناطيسي للأرض، و يسمح المجال المغناطيسي للجهاز بإنشاء الكثيفة، والحفاظ على استقرار البلازما الساخنة في أكثر من 80 مليون درجة، ويعد المجال المغناطيسي في المفاعل أكثر من ضعف المجال المستخدم في تصاميم أخرى، والذي ينشأ عنه أربع مرات قدرةٍ على احتواء ضغوط البلازما.
ويصنف مفاعل وزارة الدفاع الثالث في خط توكوماك tokamaks ذو المجال المغناطيسي العالي، ودعا أول مرةٍ لذاك أستاذ الفيزياء في معهد (ماساتشوستس للتكنولوجيا) برونو كوبي، وتم بناؤه وتشغيله في معهد (ماساتشوستس للتكنولوجيا). وشارك رون باركر، أستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في مرحلة التصميم، وقاد عملية الإنشاء البروفيسور إيان هاتشينسون من قسم علوم الهندسة النووية وإدارته حيث استغرق 10 سنينٍ منذ عملية التشغيل في عام 2003.
وسيستمر الرقم القياسي للضغط الذي سجله مفاعل وزارة الدفاع على مدى السنوات ال 15 المقبلة ما لم يتم الإعلان عن جهازٍ جديدٍ ويتم تشيده.
ايتر (مفاعل اندماجٍ ذو مجالٍ مغناطيسيّ مرتفعٍ) قيد الإنشاء حاليًا في فرنسا، وسيكون أكبر حجمًا بنحو 800 مرةٍ من (Alcator C-وزارة الدفاع)، ولكنه سوف يعمل على مجالٍ مغناطيسيّ أقل، ومن المتوقع أن يصل ايتر إلى 2.6 جو عندما يكون في مرحلة التشغيل الكامل بحلول عام 2032، وفقًا للتقارير الأخيرة من هيئة الطاقة.
Alcator C-وزارة الدفاع هو أيضًا مشابهٌ في الحجم والتكلفة اللازمين ل nontokamak {نانو كوتوماك } الذي يسعى إلى إنشائه بعض الشركات الخاصة وهو إحدى خيارات الاندماج المغناطيسية، على الرغم من أنه يمكن تحقيق 50 مرة ضغط مرتفع. ويقول دنيس وايت، أستاذ (هيتاشي أمريكا للهندسة)، ومدير مركز الانصهار وعلوم البلازما، ورئيس قسم العلوم النووية والهندسة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: <<إن عملية الدمج توفر في المجالات المرتفعة tokamaks فرصةً أُخرى لتسريع تنمية طاقة الانصهار، بحيث يكون متاحًا في وقتٍ قريبٍ بما يكفي لإحداث فرقٍ في المشاكل مثل تغير المناخ وأهداف مستقبل الطاقة النظيفة>>، وأعتقد أننا نتشارك هذا الحلم جميعًا.
تم التخطيط لهذه التجارب من قبل فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمتعاونين من مختبرات أخرى في الولايات المتحدة بما في ذلك مختبر برينستون لفيزياء البلازما ، مختبر أوك ريدج الوطني، وأتوميكس العامة، والذين استمروا مع (Alcator C-وزارة الدفاع) إلى اليوم الأخير من العمل، وتترك منشأة (Alcator C-وزارة الدفاع) -والتي أغلقت رسميًّا بعد 23 سنةً من العمل في 30 سبتمبر- إرثًا كبيرًا للتعاون، حيث ساهمت المنشأة فى أكثر من 150 أطروحةٍ للدكتوراه والعشرات من المشاريع البحثية بين المؤسسات.
لكي نفهم كيف وضعت (Alcator C-وزارة الدفاع) مبادئ التصميم لتوليد الطاقة، تعمل مجموعة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والانصهار على تبني حقولٍ جديدةٍ عالية الطاقة، وموصلاتٍ فائقةٍ للحرارة والتي ستكون قادرةً على إنتاج الحقول المغناطيسية من أكبر قوةٍ دون استهلاك الكهرباء أو توليد حرارةٍ، هذه الموصلات الفائقة هي المكون المركزي من محطة تجريبية المفاهيمي يسمى المفاعل بأسعار معقولة القوي المدمجة (ARC)، والتي يمكن أن تولد ما يصل إلى 250 مليون واطٍ من الكهرباء.
المصادر في رابط المنشور على صفحتنا
.
