لقد كتبنا بالفعل عن الأفكار والتطورات غير المتوقعة والرائعة في مجال الحصول على الطاقة من الانشطار النووي. وأيضًا حول ما يجب فعله عندما يحدث خطأ ما في المفاعلات النووية. كما نعلم ، الحرية أفضل من اللاحرية ، والتوليف أفضل من الانحلال. هذا بالضبط ما اعتقده العلماء منذ مائة عام عندما اتخذوا الخطوات الأولى لترويض الاندماج النووي الحراري. في هذه المقالة ، سوف نصف بإيجاز ما هو الاندماج النووي الحراري ، وفي أي مرحلة هي التطورات العلمية ومتى يستحق انتظار إدخال طريقة جديدة لإنتاج الطاقة. بعد كل شيء ، هذا هو بالضبط سبب احتياج البشرية إليه.
يحدق في الشمس: تاريخ اكتشاف الاندماج النووي الحراري
مع تطور العلم ، بدأت البشرية تتساءل عن كيفية عمل الشمس ، ولماذا لا تخرج وتستمر في إصدار الحرارة والضوء. بالعودة إلى العشرينات من القرن الماضي - منذ ما يقرب من مائة عام - ابتكر العالم البريطاني آرثر ستانلي إدينجتون أفكارًا لدورة البروتون والبروتون ، أي مجموعة من التفاعلات النووية الحرارية التي يتحول خلالها الهيدروجين في النجوم إلى هيليوم. ويصاحب هذا التفاعل إطلاق كميات هائلة من الطاقة ، والتي يمكن الشعور بها بسهولة بمجرد الخروج في يوم مشمس.
بعد ذلك بقليل ، في الثلاثينيات ، اكتشف علماء من جامعة كامبريدج بقيادة الأسترالي مارك أوليفانت ، نتيجة لسلسلة من التجارب ، نيوكليونات (الاسم الشائع للبروتونات والنيوترونات التي تشكل النواة الذرية) للهيليوم 3 والتريتيوم ، والتي تشارك في هذه التفاعلات ، ونظيرتها الألمانية ، حصل هانز بيته على جائزة نوبل في الفيزياء لمساهماته في نظرية التفاعلات النووية ، وخاصة لاكتشافاته المتعلقة بمصادر الطاقة في النجوم. بالفعل في عام 1946 ، وصف السير جورج بادجيت طومسون وموسيس بلاكمان فكرة الضغط على شكل Z ، أي نظام حبس البلازما باستخدام مجال مغناطيسي أو "مصيدة مغناطيسية" ، والذي شكل الأساس لمزيد من التجارب لإنشاء الأجهزة الأولى للاندماج النووي الحراري المتحكم فيه.
مصيدة مغناطيسية للمختبر ، الصورة: Sandpiper / Wikimedia Commons
القوة اللانهائية: المزايا والعيوب وعقبات التنفيذ
دعنا ننتقل من التاريخ إلى النظرية العامة. الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه هو عملية الحصول على نوى ذرية أثقل من نوى أخف بهدف (نظريًا) استخدام الطاقة المنبعثة لتوليد الكهرباء. من حيث الجوهر ، هو عكس التفاعل الانشطاري المستخدم في الطاقة النووية التقليدية. في الأساس ، يتم استخدام الديوتيريوم والتريتيوم في تفاعل الاندماج الحراري النووي (ما يسمى تفاعل DT) ، على الرغم من إمكانية وجود متغيرات مع الديوتيريوم والهيليوم -3 أيضًا ، بين نوى الديوتيريوم (DD) ومجموعات أخرى من النظائر.
في حد ذاتها ، لا تتفاعل النوى الذرية بسهولة شديدة بسبب "حاجز كولوم" ، أي قوى التنافر الكهروستاتيكي بينهما. للتغلب عليها وبدء التفاعل في الظروف الأرضية ، يجب تسخين المادة إلى درجة حرارة عالية بدرجة كافية ، وفي هذه الحالة نتحدث عن مئات الملايين من الدرجات. من هذه العملية حصل الاندماج النووي الحراري على اسمه. يتطلب الجمع بين الديوتيريوم والتريتيوم في هذه الحالة درجة حرارة "دنيا" لبدء التفاعل (تلك التي تبلغ 100 مليون درجة) ، لذلك يتم استخدامها غالبًا في المنشآت التجريبية.
تفاعل الانصهار DT. المصدر: شركة توشيبا لأنظمة وحلول الطاقة
أيضًا ، أثناء التفاعل ، يظهر عدد كبير من النيوترونات ، لكننا سنتحدث عن معناها قليلاً أدناه ، وسنحاول أولاً شرح سبب إثارة التطبيق التجاري لهذه العملية عمومًا لعقول البشرية على مدار السبعين عامًا الماضية. إذن ، مزايا الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه:
- التوافر المقارن للنظائر للتفاعل. يمكن الحصول بسهولة على الديوتيريوم من مياه البحر ، والتي تعد احتياطياتها أكثر من كافية على الأرض. لا يوجد التريتيوم في الطبيعة ، حيث يبلغ عمر نصفه 12.3 سنة فقط ، ولكن يتم الحصول عليه من الليثيوم 6 والماء الثقيل من المفاعلات النووية ، والتي لسنا مستعدين للتخلي عنها في السنوات القادمة.
- — , , 1 34 , — 44 . 17,6 (), 170 1 .
- - «» , , — , , .
- , . . , , , .
بالإضافة إلى ذلك ، أثناء الاندماج النووي الحراري ، لا يتم إطلاق المواد التي يمكن استخدامها لاحقًا لصنع أسلحة "قذرة".
توكاماك جيت ، الصورة: EFDA JET / ويكيميديا كومنز
ولكن لماذا ، إذن ، مبدأ الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه ، الذي تم تطويره في منتصف القرن الماضي ، لم يتم تنفيذه بعد في الممارسة العملية أو تم تنفيذه فقط كتركيبات تجريبية لم تبدأ في إنتاج الكهرباء؟ دعونا نلقي نظرة على عيوب وقيود هذه العملية.
دعنا نعود إلى النيوترونات أولاً. أثناء التفاعل مع استخدام DT ، يتم تكوين تدفق نيوتروني ، والذي يقصف جدران احتواء المفاعل. ونتيجة لذلك ، فإننا نتعامل مع ما يسمى بالإشعاع "المستحث" ، الذي يعقد إلى حد كبير صيانة المعدات ، وربما يؤدي إلى الحاجة إلى استبدالها بشكل دوري ، لأنه بمرور الوقت ، من القصف بالنيوترونات ، تصبح المواد ليست مشعة فحسب ، بل هشة أيضًا. لحل هذه المشكلة ، يُقترح استخدام مواد غير حساسة للإشعاع ، والتي ستستمر لفترة أطول ، لكن استخدامها سيزيد من التكاليف الهائلة بالفعل لبناء محطات طاقة اندماج نووي حراري. يُنظر أيضًا في استخدام المواد الفعالة الأخرى من أجل الحصول على تفاعلات "خالية من النيوترونات" ،لكننا ناقشنا بالفعل متطلبات الكثافة ودرجة حرارة التفاعل بالنسبة لهم أعلاه.
حتى مع المستوى الحالي للتطور التكنولوجي ، لا يمكن للعلماء والمهندسين التأكد من أن استهلاك الطاقة للتدفئة وإحضار المادة في المفاعل إلى حالة البلازما ، ومن ثم الحفاظ عليها في هذه الحالة ، على الرغم من الفقد المستمر للحرارة (وكذلك تبريد النظام ، المغنطيسات الكهربائية والأنظمة الفرعية الأخرى) أقل من كمية الطاقة المنبعثة أثناء التفاعل. على سبيل المثال ، وصل توكاماك JET البريطاني إلى نسبة 67٪ فقط بين الطاقة الواردة والصادرة ، أي 0.67 Q. Q هو مؤشر يعبر عن نسبة كميات الطاقة التي يتم إنفاقها واستقبالها في مثل هذا النظام ، وبالتالي يعتبر تفاعل الاندماج مستدامًا ذاتيًا ، يجب أن تكون مساوية لـ 5 على الأقل ، وأعلى من ذلك بكثير لتوليد قدرات مفيدة. اليوم ، لا توجد مفاعلات بهذه القيمة في العالم.
السؤال الأخير ، بالطبع ، هو المردود والتكلفة. لتحقيق تقليد دقيق للتفاعلات داخل الشمس ، لا يكفي مجرد تناول التريتيوم والديوتيريوم وإحضار تطابق شرطي لهما. يعتبر مفاعل الاندماج الحراري النووي تصميمًا معقدًا وضخمًا ومكلفًا بشكل لا يصدق ، وله مكان لنظام تبريد ضخم ، وعدد كبير من المغناطيسات الكهربائية من أنواع مختلفة ، وحتى محطات الطاقة الخاصة به.
تشير التقديرات إلى أن تكاليف إنشاء ITER التجريبية tokamak (انظر أدناه) ، والتي لم تكتمل بعد ، يمكن أن تتجاوز 20 مليار دولار. في الوقت نفسه ، لم يتم تصميم المفاعل لإنتاج الكهرباء على الإطلاق ، أي أن الربح الوحيد من تشغيل ITER سيكون تجربة العمل المشترك للعلماء والبيانات التجريبية.
السحر العملي: الأنواع الرئيسية للبناء ومعالم تطورها
تقليديا ، يمكن تقسيم التركيبات الخاصة بالاندماج النووي الحراري المتحكم فيه إلى أربعة أنواع: توكاماك ، والمفرق ، والفخاخ المرآة ، وأنظمة النبض. باستخدام مثالهم ، نقترح النظر في تطوير الأفكار التي يمكن أن تؤدي في المستقبل إلى إنتاج الكهرباء باستخدام الاندماج النووي الحراري ، والفروع "المسدودة" ، والتي لسبب أو لآخر في السنوات القادمة (أو أبدًا) لن تتجاوز إطار النظرية والتجارب. ...
توكاماكهو اختصار لـ "حجرة حلقية ذات ملفات مغناطيسية" ، أي غرفة هي العنصر الرئيسي للمفاعل ، والتي تعمل على احتواء البلازما. في هذه الحالة ، يتم استخدام ملفات مغناطيسية ملفوفة حول حجرة المفاعل من أجل إنشاء مجال خاص يمنع البلازما من الاتصال بجدرانها ، والتي ببساطة لا تستطيع المواد العازلة للحرارة الحديثة تحملها. في الوقت نفسه ، يتم تمرير تيار أيضًا عبر البلازما نفسها ، والتي تعمل على تسخينها وإنشاء مجال مغناطيسي بوليويد. في الظروف الحديثة ، لا يمكن لهذا المجال أن يتواجد لأكثر من بضع ثوانٍ ، وبدونه تفقد البلازما استقرارها ، لذلك من السابق لأوانه الحديث عن استخدام التوكاماك للإنتاج المستمر للكهرباء.على الرغم من أنه من الممكن الحفاظ على التيار لفترة أطول باستخدام إشعاع الميكروويف أو إدخال ذرات الديوتيريوم / التريتيوم المحايدة في البلازما.
Tokamak KSTAR ، كوريا الجنوبية ، الصورة: Michel Maccagnan / Wikimedia Commons
تم وصف أفكار Tokamak لأول مرة في الاتحاد السوفيتي في الخمسينيات من القرن الماضي ، وتم بناء أول مفاعل من هذا القبيل في معهد كورتشاتوف في عام 1954. لفترة طويلة ، ظلت التوكاماك تطورًا سوفييتيًا بحتًا ، ولكن في السبعينيات ، أكد العلماء البريطانيون النتائج القياسية لتسخين البلازما التي تحققت في السوفييت T-3 توكاماك ، وأصبحوا مهتمين بالتكنولوجيا حول العالم.
تعتبر التوكاماك اليوم من أكثر التطورات الواعدة ، وعددها في العالم يفوق عدد الأنواع الأخرى من التركيبات. من بين الإنجازات التي تحققت في هذا المجال ، تجدر الإشارة إلى أن EAST الصيني (التجريبية المتقدمة فائقة التوصيل Tokamak ، التي تم بناؤها بدعم من الاتحاد الروسي) ، والتي وصلت إلى درجة حرارة البلازما 100 مليون درجة في عام 2018 ، JET الأوروبية (Toru الأوروبية المشتركة) ، والتي تقع في المملكة المتحدة وتعتبر أكبر توكاماك في العالم ، بالإضافة إلى ITER الذي سبق ذكره أعلاه ، والذي سنسهب فيه بمزيد من التفصيل.
دائرة ITER tokamak. المصدر: مختبر أوك ريدج الوطني - ITER Tokamak and Plant Systems (2016) / Wikimedia Commons
تمت مناقشة فكرة بناء ITER (المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي ، المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي) مرة أخرى في عام 1985 ، في اجتماع بين رونالد ريغان وميخائيل جورباتشوف ، لكن البناء الحقيقي بدأ فقط في عام 2010. تشارك العديد من الدول في العمل في المفاعل ، بما في ذلك اليابان ودول الاتحاد الأوروبي وروسيا والولايات المتحدة وكوريا الجنوبية والصين والهند. ستكون نتيجة المشروع المشترك عبارة عن هيكل عملاق يزن 23000 طن ، والذي سيزيل JET من قاعدة أكبر توكاماك على الكوكب ، ومن الناحية النظرية ، سيكون قادرًا على رفع قيمة Q إلى 30.على الرغم من أن مبتكري ITER لم يحددوا لأنفسهم هدفًا لتحقيق توليد الكهرباء - تتمثل مهمة التوكاماك في إثبات إمكانية استخدام الاندماج النووي الحراري في هذه المنطقة وتمهيد "الطريق" (هذه هي الطريقة التي يُترجم بها الاسم المختصر للمفاعل من اللاتينية) لـ DEMO ، وهو أول توكاماك مع توازن "إيجابي" ، التي لن تبدأ حتى منتصف القرن الحادي والعشرين.
في مشروع ITER ، وقعت اليابان في تطوير وإنتاج أحد أهم العناصر - الملفات فائقة التوصيل ، والتي تعد ضرورية لتكوين مجال مغناطيسي حول غرفة المفاعل. على وجه التحديد ، تقوم Toshiba بتصميم ملفات مجال حلقي عملاقة بطول 16.5 مترًا تزن حوالي 300 طن. في الوقت نفسه ، من الضروري مراعاة التفاوتات الصارمة للغاية لأبعاد كل جزء - بضعة ملليمترات فقط - لذلك أصبحت التقنيات والأساليب التي تم اختراعها أثناء العمل على التوكاماك التجريبية اليابانية ، JT-60 و JT-60SA ، مفيدة للغاية.
النجوم(من lat. stella - "star") حصلوا على اسمهم بسبب تشابه العمليات في المفاعل مع تلك التي تحدث داخل النجوم. تم بناء أول نموذج أولي عام 1951 في الولايات المتحدة بقيادة مخترعه ليمان سبيتزر. يكمن الاختلاف الرئيسي بين stellarators و tokamaks في تصميم المصيدة المغناطيسية: في stellarators ، يتم استخدام الملفات الخارجية فقط لحصر البلازما في الغرفة ، مما يخلق خطوطًا للقوة تدور حول الغرفة. يسمح هذا التصميم نظريًا باستخدام مصيدة مغناطيسية في الوضع المستمر. في أجهزة النجوم ، كما هو الحال في التوكاماك ، يتم استخدام مزيج من الديوتيريوم والتريتيوم دائمًا تقريبًا ، والذي يتم إدخاله في وعاء التفريغ للغرفة. تخلت التصميمات الحديثة عن الحجرة ذات الشكل الدائري لصالح النماذج المعقدة التي يتم إنشاؤها بواسطة الكمبيوتر.هدفهم هو زيادة كفاءة احتواء البلازما.
Wendelstein 7-X. : Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons
على الرغم من إمكانية التعرض المستمر للبلازما والتصميم المعدل للغرفة ، فإن النجوم النجمية ليست منتشرة مثل التوكاماك. هذا يرجع في المقام الأول إلى التعقيد الأكبر للتصميم وكفاءته المنخفضة في الظروف الحديثة. أصبح Wendelstein 7-X ، الذي تم بناؤه في غرايفسفالد بألمانيا في عام 2015 ، أكبر نجم في العالم ونوع من "المرثية" لهذا التطور. وفقًا لحسابات العلماء ، كان عليه أن يرفع وقت التعرض المستمر للمغناطيسات الكهربائية إلى البلازما إلى 30 دقيقة لإثبات إمكانية استخدام النجوم لتوليد الكهرباء على المدى الطويل. علاوة على ذلك ، في عام 2018 ، أثناء التجربة ، تم رفع درجة حرارة البلازما فقط إلى 40000 درجة مئوية ، وتم رفع وقت التشغيل إلى 100 ثانية. من المقرر إجراء الاختبارات التالية في عام 2021.
- يظل هذا النوع من وحدات الاندماج النووي الحراري المتحكم فيها تطورًا نظريًا إلى حد كبير. حتى الأكاديمي أندريه ساخاروف أثبت في عام 1960 أن الاندماج النووي الحراري ممكن بدون استخدام المصائد المغناطيسية ، مقترحًا عكس النهج الكلاسيكي. في هذه الحالة ، لا نتحدث عن بلازما فائقة التخلخل ، يتم تثبيتها في مكانها بواسطة الحقول الكهرومغناطيسية لفترة طويلة ، ولكن عن نسختها فائقة الكثافة (وقصيرة العمر للغاية). يُقترح تفجير "أهداف" مصغرة بتركيبة DT مجمدة في أنظمة نبضية باستخدام أشعة الليزر القوية أو حزم الإشعاع من أجل تحقيق نوع من انفجارات الوقود التماثلية في محركات البنزين ، فقط على مستوى التفاعلات النووية الحرارية. يمكن لمثل هذا النظام مع الانفجارات الدورية أن يوفر سلسلة مستمرة تقريبًا من التفاعلات النووية الحرارية التي تولد الطاقة ،بينما (من الناحية النظرية) دون إتلاف غلاف المفاعل.
NIF/ : Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy — National Ignition Facility / Wikimedia Commons
من بين التطورات الحالية في هذا المجال ، تجدر الإشارة إلى مشروع MagLIF و NIF (مرفق الإشعال الوطني ، أو المجمع الوطني للتفاعلات النووية الحرارية بالليزر) لمختبر لورانس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا. على الرغم من الإمكانات المستمرة لهذه الفكرة ، في عام 2012 خططت الحكومة الأمريكية لإنهاء تمويل البرنامج بسبب النتائج العملية الهزيلة. اعتبارا من اليوم ، تستمر التجارب ، ولكن تعقيد "الأهداف" نفسها والحاجة إلى تسليمها بانتظام إلى الغرفة ، حيث يحدث انفجار ، يعادل طنًا من مادة تي إن تي ، يترك هذا النوع من التركيبات متخلفة كثيرًا عن التوكاماك والنجوم من حيث التطبيق العملي.
مصائد المرآة- أجريت التجربة الأولى باستخدام المصائد المغناطيسية "المفتوحة" في عام 1955 في نفس مختبر لورانس ليفرمور الوطني. كانت الفكرة وراء المصائد هي عدم استخدام طارة مغلقة ، بل استخدام وعاء مغناطيسي ممدود ، مفتوح من طرفين متقابلين. في هذه الحالة ، يجب تسخين البلازما "الجديدة" إلى درجة الحرارة المطلوبة ، وإطلاق الطاقة والخروج من خلال الفتحات الجانبية (أو ارتدادها من خلال المجال المغناطيسي ، كما هو الحال من المرايا - ومن هنا جاء الاسم). بفضل هذا الشكل والآلية ، تبين أن تكلفتها أقل بكثير من تكلفة التصميمات المتنافسة ، لذلك بدت مصائد المرآة لبعض الوقت تطوراً واعداً للغاية. لكن بمرور الوقت ، واجه المجربون عدم استقرار في البلازما ، لم يكن مفهومًا جيدًا في وقت بدء التطوير ،مما أدى إلى مشاكل واستحالة الوصول إلى درجات الحرارة اللازمة للاندماج النووي الحراري. بعد ذلك ، تم تغيير التصميم مرارًا وتكرارًا ، ولكن تم إغلاق التثبيت الأمريكي MFTF الطموح ، على سبيل المثال ، حتى قبل بدء التشغيل التجريبي ، نظرًا لأن التوكاماك كانت في النهاية أبسط وأكثر قوة وأرخص.
من بين التطورات المثيرة للاهتمام من هذا النوع ، تجدر الإشارة إلى GDL الروسي (المصيدة الديناميكية للغاز) من نوفوسيبيرسك ، والتي يتم إنشاؤها على أساس المشروع السوفياتي في الخمسينيات من القرن الماضي ، المصيدة "المفتوحة" "خلية مرآة بودكر". اعتبارًا من عام 2018 ، تمكن علماء من معهد نوفوسيبيرسك للفيزياء النووية التابع لـ SB RAS من الوصول إلى درجة حرارة 10 ملايين درجة ، وفي عام 2020 تلقوا منحة من وزارة التعليم والعلوم في الاتحاد الروسي لشراء معدات جديدة لمواصلة التجارب.
غدا جميل: بدلا من الاستنتاجات
بين العلماء الذين يتعاملون مع مشاكل الاندماج النووي الحراري ، هناك مزحة تقول: "لم يتبق سوى 30 عامًا قبل نجاح البحث وبدء الاستخدام التجاري للمفاعلات" ، وقد أجابوا بهذه الطريقة لأكثر من اثني عشر عامًا (الاستقرار!). ومع ذلك ، ستستمر التقنيات في التطور ، وستبحث البشرية عن طرق "لترويض" الاندماج النووي الحراري وإنشاء شمس اصطناعية مصغرة توفر احتياجاتنا من الكهرباء دون التعرض لخطر تكرار كارثة تشيرنوبيل ودون إلحاق ضرر دائم ببيئة الكوكب. يمكن أن يتأثر هذا البحث بشكل مباشر بالتطورات مثل ITER ، ويسعدنا مشاركة اليابان وتوشيبا بشكل مباشر. وماذا سيحدث بعد ذلك ... سنرى بعد 30 عامًا.