الطاقة النووية: معهد أمريكي يقترب من تحقيق “هدف تاريخي” في مجال أبحاث الاندماج النووي

وفي عملية تسمى اندماج الحبس بالقصور الذاتي، يتم توجيه 192 حزمة من ليزر إن آي إف، أعلى مثال للطاقة في العالم، نحو كبسولة بحجم حبة الفلفل تحتوي على الديوتيريوم والتريتيوم، وهما أشكال مختلفة من عنصر الهيدروجين.

يؤدي هذا إلى ضغط الوقود إلى 100 مرة كثافة الرصاص وتسخينه إلى 100 مليون درجة مئوية، وهو ما يعد أكثر حرارة من مركز الشمس.

تساعد هذه الشروط على بدء عملية الاندماج النووي الحراري. وأسفرت تجربة أجريت في 8 أغسطس/آب عن تولد 1.35 ميغا جول من الطاقة – ما يعادل حوالي 70 ٪ من طاقة الليزر التي تم تسليمها إلى كبسولة الوقود.

ويعني الوصول إلى الإشعال الحصول على عائد اندماج أكبر من 1.9 ميغا جول من الليزر.

وقالت ديبي كالاهان، عالمة الفيزياء في مختبر لورانس ليفرمور الوطني، الذي يوجد به ليزر إن آي إف، لبي بي سي “هذا تقدم كبير للاندماج ولمجتمع الاندماج بأكمله”.

ولإدراك حجم التقدم الحادث ، فإنه يمكن الإشارة إلى أن العائد من تجربة هذا الشهر هو ثمانية أضعاف الرقم القياسي السابق لليزر إن آي إف، والذي تم إنشاؤه في ربيع عام 2021، و 25 ضعف العائد من التجارب التي أجريت في عام 2018.

وقال البروفيسور جيريمي تشيتيندين، المدير المشارك لمركز لدراسات الاندماج بالقصور الذاتي في إمبريال كوليدج لندن “كانت وتيرة التحسن في إنتاج الطاقة سريعة، مما يشير إلى أننا قد نصل قريبًا إلى المزيد من الأهداف للرئيسية للطاقة، مثل تجاوز مدخلات الطاقة من أشعة الليزر المستخدمة لبدء العملية”.

ويعتقد علماء إن آب اف أيضًا أنهم حققوا الآن شيئًا يسمى “حرق البلازما”، حيث توفر تفاعلات الاندماج نفسها الحرارة لمزيد من الاندماج. هذا أمر حيوي لجعل العملية مكتفية ذاتيا.

وأوضح كالاهان أن “الحرق الذاتي ضروري للحصول على عائد مرتفع”.

وأضاف “يجب أن تنتشر موجة الاحتراق في الوقود عالي الكثافة من أجل الحصول على قدر كبير من طاقة الاندماج.

وقال “نعتقد أن هذه التجربة في هذا النظام، على الرغم من أننا ما زلنا نقوم بالتحليل والمحاكاة للتأكد من أننا نفهم النتيجة.”

وكخطوة تالية، قال كالاهان إن التجارب ستتكرر.

وأضاف “هذا أمر أساسي للعلم التجريبي. نحن بحاجة إلى فهم مدى قابلية التكرار ومدى حساسية النتائج للتغيرات الصغيرة. بعد ذلك ، لدينا أفكار لكيفية تحسين هذا التصميم وسنبدأ العمل عليها في العام المقب

أوضح البروفيسور تشيتيندين: “إن الطاقة الهائلة التي تم إطلاقها في التجربة مثيرة للإعجاب حقًا من حيث الأبحاث المتعلقة بالاندماج، ولكن من الناحية العملية، هذا يعادل الطاقة اللازمة لغلي غلاية.”

وأضاف “يمكن تحقيق طاقات اندماج أعلى بكثير من خلال الاشتعال إذا تمكنا من العمل على كيفية الاحتفاظ بالوقود معًا لفترة أطول، والسماح للمزيد منه بالاحتراق. وسيكون هذا هو الأفق التالي لانصهار الحبس بالقصور الذاتي”.

وتعتمد الطاقة النووية الحالية على عملية تسمى الانشطار، حيث يتم تقسيم عنصر كيميائي ثقيل لإنتاج عناصر أخف.

ويعمل الانصهار من خلال الجمع بين عنصرين خفيفين لصنع عنصر أثقل.

بدأ البناء في منشأة الإشعال الوطنية في عام 1997 واكتمل بحلول عام 2009. وبدأت التجارب الأولى لاختبار قوة الليزر في أكتوبر 2010. وظيفة إن آي إف الأخرى هي المساعدة في ضمان سلامة مخزون الأسلحة النووية في أمريكا.

وفي بعض الأحيان تقلص الوقت المتاح للعلماء الذين يرغبون في استخدام الليزر الضخم للاندماج لتوفير الوقت المطلوب لتجارب نحو الأمن القومي.

لكن في عام 2013، قالت بي بي سي إنه عن طريق التجارب في إن آي اف، تجاوزت كمية الطاقة المنبعثة من خلال الاندماج كمية الطاقة التي يمتصها الوقود – وهو إنجاز علمي والأول من نوعه لأي منشأة اندماج في العالم.

نُشرت نتائج هذه الاختبارات لاحقًا في دورية نيتشر.

إن آب اف هو واحد من عدة مشاريع حول العالم موجهة نحو تطوير أبحاث الاندماج النووي.

وهي تشمل منشأة إتر Iter التي تبلغ تكلفتها عدة مليارات من اليورو، وهي قيد الإنشاء حاليًا في كاداراش في فرنسا.

سوف يتخذ إتر نهجًا مختلفًا للاندماج الذي يحركه الليزر في إن آي اف.

وستستخدم المنشأة الواقعة في جنوب فرنسا الحقول المغناطيسية لاحتواء البلازما الساخنة، وهي غاز مشحون كهربائيًا.

يُعرف هذا المفهوم باسم اندماج الحبس المغناطيسي.

لكن بناء مرافق اندماج قابلة للتطبيق تجاريًا يمكنها توفير الطاقة للشبكة سيتطلب قفزة عملاقة أخرى.

وقال البروفيسور شيتيندين”من المرجح أن يكون تحويل هذا المفهوم إلى مصدر متجدد للطاقة الكهربائية عملية طويلة وسيتضمن التغلب على التحديات التقنية الكبيرة، مثل القدرة على إعادة إنشاء هذه التجربة عدة مرات في الثانية لإنتاج مصدر ثابت للطاقة” . ل.”