اشترك في النشرة الأخبارية
حدد المنطقة التي تهتم بها وأدخل بريدك الإلكتروني
اشترك
#237يناير 2021

التوقعات النووية الحرارية

العودة إلى المحتويات

تنص توقعاته السنوية على أن “تصميم الاندماج الثوري ينقل البشرية إلى وفرة في الطاقة”.

يثق بيتر غارنري، رئيس استراتيجية الأسهم في (ساكسو بنك)، بأن البشرية ليست قادرة بعد على  تبني تقنيات جديدة بسبب نقص الكهرباء. وكتب عن  الطاقة الكهربائية، قائلا: “من الخشب إلى الفحم إلى الوقود الأحفوري، تشغل الطاقة العالية الكثافة  صناعات جديدة، بالإضافة إلى تقديم إنتاجية أعلى  وثروة أكبر للمجتمع. وعندما ننظر إلى تقنيات  المستقبل المحيرة، من القطارات الفائقة السرعة  والذكاء الاصطناعي  إلى إنتاج الهيدروجين عن  طريق التحليل الكهربائي وتحلية المياه، فإن الطاقة  الأرخص والأكثر كثافة هي العائق الرئيسي. سيحتاج  العالم إلى المزيد من الطاقة إذا كان لاقتصادنا أن  يستمر في النمو نحو المعدلات التاريخية”.

في رأيه، لن تكون البدائل الجديدة لمصادر الطاقة  المتجددة قادرة على خفض التكاليف بشكل كبير  وزيادة حجم توليد الطاقة. “نعم، قد تكون أقل ضررًا  على البيئة، لكن آثارها على مستوى النظام من كثافة  الطاقة المنخفضة تعني أنها حقًا خطوة كبيرة إلى  الوراء. العالم بحاجة ماسة إلى اضطراب في تكنولوجيا الطاقة”.

يمكن أن يكون الاندماج الحراري حلاً للمشكلة. “أدخل عام 2021، حيث تحل خوارزمية الذكاء الاصطناعي المتقدمة التعقيدات غير الخطية الفائقة  لفيزياء البلازما، مما يمهد الطريق لطاقة الاندماج  التجارية”. كثافة الطاقة في الاندماج النووي الحراري هي بالفعل الأعلى بين مصادر الطاقة المعروفة  وتبلغ 645 مليون ميجا جول لكل كيلوغرام. للمقارنة، فإن كثافة الطاقة لمحرك الاحتراق الداخلي (وزن أقل  للمولد) هي 8 إلى 10.5 ميجا جول/ كجم.

تنبؤات بيتر غارنري مستوحاة من SPARC ، وهو  مفاعل نووي حراري تجريبي طوره معهد  ماساتشوستس للتكنولوجيا بدعم من وزارة الطاقة  الأمريكية.

الولايات المتحدة ليست الدولة الوحيدة التي تجري أبحاثًا في الاندماج النووي الحراري وتطبيقاته العملية  – فالصين وروسيا وأوروبا تواكب ذلك.

تجري روسيا أبحاثًا في الاندماج النووي الحراري بشكل مستقل وكجزء من مشروع المفاعل النووي  الحراري التجريبي الدولي (ITER) في روساتوم،  تشارك منظمتان في الأبحاث النووية الحرارية هما  معهد عموم روسيا للبحث العلمي للفيزياء التجريبية (VNIIEF) في ساروف الذي يدرس الاندماج  بالقصور الذاتي، ومعهد كورتشاتوف المتخصص في اندماج الحبس المغناطيسي.

الاندماج بالقصور الذاتي في VNIIEF

تقليديا، يتم تحقيق الاندماج النووي الحراري بالقصور  الذاتي على النحو التالي: يتم ضغط هدف الوقود  الكروي الذي يحتوي على عدة طبقات من الوقود  والأصداف إلى كثافة تتجاوز الكثافة العادية بثلاث  مرات من حيث الحجم. يتم ضغط الهدف باستخدام  أشعة ليزر عالية الطاقة أو أشعة أيونية. تعمل  طاقتها على تبخير الطبقة الخارجية لهدف الوقود،  مما ينتج عنه قوة رد فعل ضد الطبقة الداخلية  وضغط الهدف. يجب أن تكون موجة الصدمة  الناتجة قوية بما يكفي لرفع درجة حرارة الوقود إلى  مستوى كافٍ لبدء التفاعل النووي الحراري.

في أوائل ديسمبر 2020، أطلقت VNIIEF أول  نموذج لأقوى وحدة ليزر في العالم UFL-2M اللازمة لإجراء تجارب على اندماج الحبس بالقصور  الذاتي ودراسة خصائص المواد في الظروف القاسية  (عند ضغط ودرجة حرارة عالية جدًا).

الوحدة الأولى لها ثماني قنوات ليزر. في المجموع، سيكون  لديه 192 قناة ليزر. هذا يعني أن 192  شعاع ليزر ستضرب الهدف من جوانب مختلفة.  ستتلقى الأهداف النووية الحرارية الموضوعة داخل  الوحدة طاقة نبضة تزيد بمقدار 1.5 مرة عن تلك الموجودة في منشأة الإشعال الوطنية (NIF) ومقرها الولايات المتحدة ، والتي تعد حاليًا أقوى مولد ليزر  بين أولئك الذين تم تكليفها أو قيد الإنشاء.

يواصل VNIIEF تعزيز قدراته الحسابية لنمذجة سلوك لهدف الوقود أثناء اندماج الحبس بالقصور  الذاتي، ودراسة العمليات الفيزيائية داخل الهدف،  وتحسين معلمات عملية الاشتعال النووي الحراري.  وقال أرتيوم غنوتوف، رئيس قسم البحث والتطوير في  معهد VNIIEF للفيزياء النظرية والرياضية: “في  السنوات القادمة، نتوقع الحصول على المزيد من  البيانات التجريبية حول وحدة الليزر التي نبنيها”.

ستعطي المعرفة الجديدة مزيدًا من الفهم للعمليات النجمية وتسمح بإيجاد إمكانيات لإنشاء مصادر  جديدة للطاقة. ستبدأ التجارب على وحدة الليزر  الجديدة في عام 2021. قال سيرجي جارانين، عضو  الأكاديمية الروسية للعلوم، نائب مدير فيزياء في  VNIIEF ومصمم عام لأنظمة الليزر: “لدى  VNIIEF  كل الفرص ليكون الأول في العالم لتحقيق  اشتعال نووي حراري في الأهداف”.

اندماج الحبس المغناطيسي في معهد كورتشاتوف

يستخدم اندماج الحبس المغناطيسي كما يوحي الاسم   مجالًا مغناطيسيًا للحفاظ على البلازما العالية الحرارة  داخل التوكاماك دون لمس جدرانه. توكاماك هو  تحويل صوتي للاختصار الروسي الذي يرمز إلى  “غرفة حلقية مع ملفات مغناطيسية”.

في كانون الأول (ديسمبر) 2020، ابتكر فريق من الباحثين من معهد كورتشاتوف تصميمًا مفهومًا لوحدة  هجينة تستخدم الاندماج النووي الحراري والانشطار  النووي. سيتم استخدام الاندماج الحراري النووي  كمصدر للنيوترونات للتحكم في الانشطار النووي في  قلب مفاعل نووي تقليدي. “إن تغذية البلازما بالوقود  النووي الحراري (نظائر الهيدروجين الثقيلة  والديوتيريوم والتريتيوم)، وإزالة نواتج الاندماج  (الهيليوم)، والأهم من ذلك، أن إمكانية الاستخدام  المتكرر لخليط الوقود في عملية التزود بالوقود  ستضمن التشغيل المستمر للخليط الهجين”، وذلك  على حد قول سيرجي أنانييف، كبير الباحثين في  معهد كورتشاتوف عن مزايا الوحدة الهجينة.

ميزة أخرى للتكنولوجيا الهجينة التي طورها معهد  كورتشاتوف هي أنها تستطيع حرق النفايات النووية  الطويلة العمر لمحطات الطاقة النووية، مثل  الأكتينيدات الصغيرة، والحصول على وقود جديد لمفاعلات الانشطار.

تتمثل الخطوة التالية في بناء منشأة تجريبية بقدرة حرارية تصل إلى 500 ميجاوات.

 

ITER

تواصل روسيا مشاركتها في مشروع ITER  .  والهدف هو بناء مفاعل نووي حراري من نوع توكاماك وإثبات إمكانية استخدام الاندماج المتحكم  فيه في التطبيقات التجارية. الدول المشاركة في المشروع هي روسيا والهند والصين والولايات المتحدة وكوريا الجنوبية واليابان ودول الاتحاد الأوروبي.

وفقًا للعقد ، تتعهد روسيا بتوريد 25 نظام معدات  عالي التقنية لـ.ITER  ومنها Nb3SN وNbTi  تم  تصنيعهما وتوفيرهما في الوقت المناسب. ومن  المعروف أن الموصلات الفائقة الروسية الصنع   تتميز بأعلى جودة في العالم.

في نوفمبر 2020 ، قامت شركة روساتوم بأول شحنة من مجموعة المفاتيح الكهربائية لنظام إمداد  الطاقة لملفات المغناطيس الكهربائي الفائقة التوصيل  ITER وتتكون الشحنة الأولى من عشرة أجهزة  للمفاتيح الكهربائية وعشرة رفوف تحكم. وهي مصممة  لحماية محولات التيار المتردد في حالات الطوارئ.

كما تضمنت الشحنة مجسات ألياف بصرية لقياس درجة حرارة التلامسات الكهربائية ومراقبة حالة  قضيب التوصيل. تضمن مجسات الألياف الضوئية  عزلًا طبيعيًا للكلفانية ومقاومة للتداخل  الكهرومغناطيسي وتقلبات المجال المغناطيسي. كما  أنها تجعل من الممكن بناء أنظمة بآلاف نقاط  القياس على مسافات طويلة من بعضها البعض وهذا  مهم جدًا بالنسبة لـ ITER  الذي يبلغ طول قضبان  النقل الخاصة به أكثر من 5000 متر” وذلك حسب  توضيحات مكسيم مانزوك، رئيس وحدة BI-4 في  مركز سينتيز للعلوم والتكنولوجيا التابع لمعهد أبحاث إيفريموف لروساتوم.

غيرها من المشاريع البحثية الدولية 

يشارك باحثون من معهد كورشاتوف في تعاون  بوركسينو. في الآونة الأخيرة، وجد العلماء دليلًا على  أن الهليوم الموجود في الشمس يتم تصنيعه من  الهيدروجين ليس فقط في عملية تفاعلات البروتون- البروتون المتسلسلة ، ولكن أيضًا في التفاعل الذي  يشمل الكربون والنيتروجين والأكسجين (دورة  CNO). وقام الفيزيائي الألماني الأمريكي هانز  ألبريشت بيث الذي حصل على جائزة نوبل لاكتشافه  في عام 1967، قام بتطوير النظرية التي تصف رد  الفعل هذا. وتبلغ نسبة هذا التفاعل في الشمس  حوالي 1٪.

أكد رئيس قسم فيزياء النيوترينو في معهد كورتشاتوف ميخائيل سكوروحفاتوف: “ستساعدنا الأبحاث  المستقبلية على فهم العمليات النجمية بشكل أفضل  والحصول على مزيد من المعرفة حول التركيب  الكيميائي للشمس”.

الآفاق الحرارية النووية

يعتقد بيتر غارنري من ساكسو بنك أن الاندماج النووي الحراري هو مصدر جديد وفير للكهرباء  الرخيصة للغاية:  “إن إتقان طاقة الاندماج يفتح آفاقًا   لعالم لم يعد يعوقه نقص المياه أو الغذاء، وذلك  بفضل تحلية المياه والزراعة العمودية. إنه عالم  لوسائل نقل رخيصة وروبوتات مطلقة العنان بالكامل  وتكنولوجيا الأتمتة مما يجعل جيل الشباب الحالي  آخر جيل مطلوب “للعمل” بحكم الضرورة. وذلك إلى  جانب بعض العزل لثاني أكسيد الكربون تخفيضا  لوتائر تغير المناخ الجاري. والأفضل من ذلك كله،  تسمح الطاقة الاندماجية لكل بلد تقريبًا بأن يصبح  مستقلاً عن الغذاء والطاقة، ويشهد ترقية أسرع وأكبر  في مستويات المعيشة على الإطلاق”.

ومع ذلك، مع الأخذ في الاعتبار موقف السيد غارنري قد نفترض أن هدفه الرئيسي هو إعادة توجيه  الاستثمارات. وقال بيتر غارنري: “الأهم من ذلك، أن  الاستثمار الضخم من قبل القطاعين العام والخاص  سيسمح بتنفيذ تصميم الاندماج الجديد في غضون  بضع سنوات قصيرة”.

وتظهر نظرة عامة موجزة عن أعمال الاندماج النووي الحراري من قبل العلماء الروس أن مهام البحث  الحالية تتجاوز مسألة توليد الطاقة للشركات والأسر  وتستهدف توليد الطاقة بدورة مغلقة والبحث في  طبيعة النجوم. وعلى حد قول ارتيوم غنوتوف، فإن  “الاندماج النووي الحراري الخاضع للتحكم هو امر  ليس بالسهل من ناحية العلم. ويجري البحث في  الاندماج النووي الحراري في العديد من البلدان  ويعتبر أحد رموز التطور التكنولوجي. غالبًا ما يحفز  التقدم في مجالات أخرى، مثل العلوم الأساسية،  ودراسات المواد، والليزر، وتكنولوجيا البلازما،  وغيرها. روسيا تواكب العصر وتطور مشاريعها  الخاصة وتواصل البحث.”

لا يزال يتعين دراسة إمكانيات التوليد الحراري النووي للأغراض التجارية – إنها مهمة للشراكات الدولية.  ويعتقد الباحثون الروس أن العالم الجديد المدعوم  بالطاقة النووية الحرارية التجارية ليس حقيقة عام  2021 ولا السنوات القادمة.

ويوضح ارتيوم غنوتوف: “من ناحية، فإن المعرفة التي تراكمت لدينا تجعلنا أقرب إلى التطبيقات العملية  للاندماج الحراري النووي. ومن ناحية أخرى، ندرك  بشكل أوضح مدى صعوبة هذه المهمة. فشل العلماء  عدة مرات في التنبؤ لمواعيد تحقيق تفاعل نووي  حراري مهم في ظروف المختبر – وهي مهمة صعبة  ولكنها أبسط بكثير من بناء مفاعل نووي حراري. هذا  هو السبب في أن الاستخدام التجاري للطاقة النووية  الحرارية ليس هو ما سيحدث في السنوات القادمة.  وقال أرتيوم غنوتوف: “علينا أن نكون متفائلين  ونتوقع أن نستغلها في غضون 20 إلى 30 سنة”.

ومع ذلك، وافق ارتيوم غنوتوف على أن الطاقة  النووية الحرارية – عندما تصبح حقيقة – ستحدث  تغييرات جذرية في صناعة الطاقة والاقتصاد حيث  تسمح بالوصول إلى تقنيات الطاقة المكثفة وستغير  حياتنا للأفضل عموما.