الطاقة الإندماجية | الكاتب المصري د. إِيهاب محمد زايد

 الطاقة الإندماجية: مفهوم واحد لمصنع تجريبي الاندماج من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا 

الطاقة الاندماجية هي الطاقة الناتجة أثناء التفاعل الذي يحدث فيه تحول نويات الذرات (في الأغلب ذرات الهيدروجين) إلى نويات مختلفة عن طريق صدمها معاً بقوة شديدة فتخرج كمية كبيرة من الطاقة. يحدث ذلك في النجوم بسبب الضغط الشديد الناتج من الجاذبية الشديدة. ولكن على الأرض يمكن الوصول لذلك الاندماج باستخدام المجالات المغناطيسية الشديدة لتنتج «بلازما» ساخنة جداً قد تصل درجة حرارتها لملايين الدرجات المئوية. الشمس هي مركز مجموعتنا الشمسية وهي كبيرة جداً، العناصر الموجودة بداخلها يتم سحقها تحت ضغط شديد (ناتج من قوة الجذب الهائلة للشمس) لدرجة أن ذرات الهيدروجين تندمج معاً مكونة ذرات الهيليوم وتنتج أيضاً الحرارة والضوء وأنواع الإشعاع الأخرى وهو ما يساعد على بقاء الأرض ويسبب لها الضرر في ذات الوقت. أصبحت خريطة الطريق لمحطة الطاقة الاندماجية الأمريكية موضع تركيز أوضح نوعًا أصبحت خطط بناء نموذج أولي لمحطة الطاقة الاندماجية في الولايات المتحدة موضع تركيز أكثر إحكامًا ، حيث يحدد تقرير جديد جدولًا زمنيًا تقريبيًا لبناء مصنع متعدد المليونات واستراتيجية لتطوير تصميمه. يجب على الولايات المتحدة أن تسعى جاهدة لبدء بناء المفاعل بحلول عام 2035 وتشغيله بحلول عام 2040 ، وفقًا لتقرير صدر هذا الأسبوع من قبل الأكاديميات الوطنية للعلوم والهندسة والطب (NASEM). للوفاء بهذا الجدول الزمني الضيق ، يدعو التقرير وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) للمساعدة في تمويل فريقين إلى أربعة فرق ، بالتعاون مع الصناعة الخاصة ، ستطور بحلول عام 2028 تصميمات مفاهيمية مختلفة. الطاقة الاندماجية هي الطاقة الناتجة أثناء التفاعل الذي يحدث فيه تحول نويات الذرات (في الأغلب ذرات الهيدروجين) إلى نويات مختلفة عن طريق صدمها معاً بقوة شديدة فتخرج كمية كبيرة من الطاقة. يحدث ذلك في النجوم بسبب الضغط الشديد الناتج من الجاذبية الشديدة. ولكن على الأرض يمكن الوصول لذلك الاندماج باستخدام المجالات المغناطيسية الشديدة لتنتج «بلازما» ساخنة جداً قد تصل درجة حرارتها لملايين الدرجات المئوية.

يقول ويليام ماديا ، نائب الرئيس الفخري في جامعة ستانفورد ، والذي غالبًا ما كان ينتقد جهود الدمج التي تقوم بها وزارة الطاقة: "إنه أمر موثوق به وقابل للتنفيذ". ومع ذلك ، يشير إدوين ليمان ، مدير سلامة الطاقة النووية في اتحاد العلماء المهتمين ، إلى أن التقرير يشير أيضًا إلى العديد من التقنيات الرئيسية التي هي في حالة منخفضة من الاستعداد التقني ويتساءل عما إذا كان يمكن تطويرها في الوقت المناسب. يقول ليمان: "القراءة بين السطور ، لم أشعر أنها تمنحك الكثير من الثقة بأن هذه الجداول الزمنية واقعية". لا يعكس الجدول الزمني الذي اقترحه التقرير المكون من 91 صفحة ، والذي صدر في 17 فبراير2021 ، تقييمًا تصاعديًا للمدة التي سيستغرقها إكمال البحث والتطوير لتصميم معين. بدلاً من ذلك ، فإنه يقدم تقييمًا تنازليًا للوقت الذي تحتاج فيه طاقة الاندماج إلى أن تكون مجدية إذا أرادت المرافق تضمينها أثناء تحولها نحو مصادر طاقة خالية من الكربون بحلول عام 2050. "تم تحديد الجدول الزمني حقًا من المدخلات من المرافق" ، كما يقول بريان ويرث ، وهو مهندس نووي في جامعة تينيسي ، نوكسفيل ، وأحد مؤلفي التقرير الاثني عشر. يتوقع الوسط أنه إذا لم يثبت الاندماج أنه ممكن بحلول عام 2035 ، فإنه "سيفتقد القطار" وسيتم استبعاده من مزيج الطاقة المستقبلية الخالية من الكربون.

أكثر أنواع الوقود المستخدم قبولاً في التفاعلات الاندماجية هي: الديوتيريوم و التريتيوم (نظائر للهيدروجين لكن لها أوزان ذرية مختلفة)، الهيليوم 3 أو البورون 11. يتم استخدام تلك المواد بكميات قليلة نسبياً، والديوتيريوم يتم استخراجه من ماء البحر. يتزايد الحماس بين باحثي الاندماج الأمريكيين لبناء محطة طاقة نموذجية من شأنها أن تسخر أخيرًا الاندماج النووي ، العملية التي تمد الشمس بالطاقة ، لتوليد الكهرباء. ظهرت الفكرة في عام 2018 في تقرير NASEM آخر اقترح أن تلتزم الولايات المتحدة بالتزامها تجاه ITER ، وهي تجربة اندماج دولية عملاقة قيد الإنشاء في فرنسا ، ولكنها تستعد أيضًا لبناء مصنع تجريبي محلي بعد فترة وجيزة. في ديسمبر 2020 ، تبنى باحثو الاندماج الأمريكيون المصنع التجريبي في خطتهم الجديدة طويلة المدى.

باستخدام الحقول المغناطيسية المكثفة ، سيحجز ITER بلازما من الديوتيريوم والتريتيوم - نظائر الهيدروجين الثقيلة - في حجرة مفرغة على شكل دونات ويتم تسخينها إلى 150 مليون درجة مئوية. تهدف التجربة إلى إظهار أن اندماج نواة الديوتيريوم والتريتيوم يمكن أن ينتج طاقة أكثر من توليد البلازما التي تستهلكها. ستذهب المحطة التجريبية إلى أبعد من ذلك وتنتج كميات مفيدة من الكهرباء.

الأثر البيئي للاندماج النووي أو بمعنى أدق عدم وجود أثر بيئي هو سبب أكثر من كافي للاهتمام بالبحث والتطوير ومحاولة إتقان تلك التكنولوجيا. وربما سيُمكننا الاندماج من الحصول على كهرباء رخيصة من حيث تكاليف المواد الخام واليد العاملة والتخلص من المخلفات. يقول مؤيدو الاقتراح إن بناء مصنع تجريبي سيمكن الباحثين الأمريكيين من القفز على المنافسين في أوروبا وآسيا واستعادة الصدارة في أبحاث الاندماج. علاوة على ذلك ، كما يقولون ، نظرًا للتطورات الحديثة في المغناطيس المصنوع من الموصلات الفائقة عالية الحرارة والطباعة ثلاثية الأبعاد ونمذجة الكمبيوتر ، يمكن أن يكون المصنع أصغر بكثير وأقل تكلفة من ITER ، الذي يبلغ ارتفاعه 30 مترًا وسيكلف أكثر من 20 دولارًا. مليار. لن يكون المصنع التجريبي قويًا بشكل ساحق. يتصور التقرير الجديد أنها تنتج 50 ميجاواط فقط من الطاقة الكهربائية ، أي نسبة قليلة من ما يمكن أن تولده محطة كبيرة تعمل بالغاز. هذا يكفي فقط لمعرفة كيفية تفاعل مثل هذا المصنع مع الشبكة الكهربائية ، كما يقول David Roop ، المهندس في DWR Associates LLC ومؤلف التقرير الجديد. يقول: "تتيح لك هذه القيمة التي لا تقل عن 50 ميجاواط اختبار قدرتك على نقل الطاقة إلى الشبكة". يقول التقرير إن المحطة التجريبية يجب ألا تزيد تكلفتها عن 5 مليارات دولار أو 6 مليارات دولار ، وهو المبلغ الذي يقدر أن المرافق ستكون على استعداد لدفعه مقابل أول مصنع تجاري يتبعه ، والذي سيولد مئات ميغاوات من الطاقة.

يقول التقرير إنه قبل أن يتم بناء أي مصنع تجريبي ، يجب التغلب على العديد من التحديات التكنولوجية الكبيرة. على سبيل المثال ، إذا كان المصنع يعمل مثل ITER وصهر الديوتيريوم والتريتيوم (هناك عدد قليل من الاحتمالات الأخرى) ، فيجب على الباحثين أيضًا تطوير طريقة لتوليد المزيد من التريتيوم في "غطاء" مصنوع لهذا الغرض من المواد المحيطة بالمفاعل. وبخلاف ذلك ، يمكن للمحطة أن تستهلك إمداد العالم بالكامل من التريتيوم بسرعة ، والذي يأتي فقط من مفاعلات نووية معينة. إذا كانت البطانية تحتوي على الليثيوم ، فإن النيوترونات ستقسم بعض هذه النوى لتكوين المزيد من التريتيوم. لكن التريتيوم مادة مشعة شديدة التنظيم يصعب التعامل معها ، ويتساءل ليمان عما إذا كان يمكن تطوير مثل هذا النظام المغلق بحلول عام 2035الجدل حول الجدول الزمني يعكس التوتراتظهور شركات اندماج خاصة جديدة ، والتي من المفترض أن تشارك مع وزارة الطاقة لتطوير الأفكار التي لديها بالفعل. اجتذبت بعض الشركات الناشئة اهتمام أصحاب المليارات أصحاب التكنولوجيا العالية. على سبيل المثال ، يدعم بيل جيتس شركة Commonwealth Fusion Systems ، التي تركز أفكارها على استخدام ملفات مغناطيسية مصنوعة من موصلات فائقة عالية الحرارة ، ويدعم جيف بيزوس شركة General Fusion ، التي تستخدم مضخات ميكانيكية لضغط وتسخين البلازما. مثل هذا الاستثمار الخاص هو أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل ماديا يقول إنه متفائل بشأن المصنع التجريبي. يقول: "عندما يتدخل رجال مثل بيل جيتس وجيف بيزوس ، فإنهم يقومون بأشياء مثيرة للاهتمام".

يقول ليمان إن الشركات الناشئة التي تعمل في مجال الاندماج تعد واعدة أكثر مما يمكنها تحقيقه. إنه يخشى المستثمرين المطلعين على اقتصاد التكنولوجيا الفائقة ، والذي قد لا يكون الفشل فيه قاتلاً ، ربما يتخذون نفس الموقف عالي المخاطر تجاه أبحاث الطاقة كثيفة رأس المال ، والتي لا تسامح كثيرًا. يقول لايمان: "إنهم يعتقدون أن بإمكانهم فقط الحصول على فكرة والثراء من دون تحقيقها فعليًا". إن تطوير مفاعل الاندماج "ليس شيئًا يمكنك القيام به في المرآب الخاص بك ، لذلك عليك أن تكون حذرًا بشأن هذه العقلية." يحذر ليمان أيضًا من أن الشركات الناشئة في الاندماج تطلب من هيئة التنظيم النووي تخفيف متطلبات السلامة بطرق يقول إنها غير مبررة.

ومع ذلك ، فإن دعوة التقرير لتشكيل فرق بين القطاعين العام والخاص لتوضيح المفاهيم المختلفة لمصنع تجريبي ستكون مفيدة للغاية ، كما يقول ستيفن كاولي ، مدير مختبر برينستون لفيزياء البلازما ، معمل الاندماج التابع لوزارة الطاقة. يقول كاولي: "تحتاج الولايات المتحدة إلى نسختها الخاصة من تصميم مفاعل الاندماج لمعرفة ما هو ومدى قربنا". "أعتقد أن هناك قيمة كبيرة في ذلك."

مما هو جدير بالذكر أن الطاقة الاندماجية ستقلل من أسعار فاتورة الكهرباء والمحافظة علي البيئة من الناحية التجارية فإن الشركات الكبيرة ستحتكر بناء المفاعلات الاندماجية. حيث أن تلك الشركات هي من تمول الأبحاث الخاصة بذلك المجال حتى على المستوى الأكاديمي ولكن دخول القطاع الحكومى بالتأكيد في المنافسة سيبقي الأسعار منخفضة. وفى حال ازدهار الطاقة الاندماجية فقد يكون ذلك بداية النهاية للطاقة المستخرجة من المصادر المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية وغيرها.تلك التكنولوجيا الاندماجية ستجعل السفر للفضاء أرخص وأسرع. فالرحلة للمريخ مثلاً ستستغرق شهراً واحداً بدلاً من الستة أشهر اللازمة الآن.

المصادر

1- https://www.ibelieveinsci.com/?p=13612

2- https://www.sciencemag.org/news/2021/02/road-map-us-fusion-power-plant-comes-clearer-focus-sort?utm_campaign=news_daily_2021-02-19&et_rid=737493368&et_cid=3672499