صناعة

أكبر مفاعل اندماج في العالم سوف يستغل قوة الشمس

أكبر مفاعل اندماج في العالم سوف يستغل قوة الشمس

أكبر مفاعل توكاماك في العالم [مصدر الصورة: ITER]

تعتمد التنمية البشرية والوظائف اليومية المنتظمة إلى حد كبير على التوافر المستمر للكهرباء. تعتمد كل قطعة تقنية جديدة وقديمة تقريبًا اعتمادًا كبيرًا على إمدادات ثابتة من الطاقة. على هذا النحو ، لدى البشر طلبًا ضريبيًا هائلاً للحصول على المزيد من القوة ، وهي القوة التي غالبًا ما تتراكم من خلال وسائل أقل من المرغوب فيها. سواء كان ذلك حرق الوقود الأحفوري أو السدود الكهرومائية ، فإن جميع مولدات الطاقة الحالية تفرض ضرائب على البيئة إلى حد ما. ومع ذلك ، ماذا لو كان بإمكانك إلغاء جميع الآثار الضارة لتوليد الطاقة الحالية باستخدام مولد قادر على إنتاج طاقة أكثر بمليون مرة من أي تفاعل كيميائي - واستخدامه لتسخير طاقة غير محدودة فعليًا؟

يبدو الأمر وكأنه خيال هندسي ، ومع ذلك ، فإن الإجابة تلوح في الأفق مباشرة. طاقة الاندماج ، الطاقة التي تمد الشمس وكل النجوم الأخرى عبر جزر القمر. إنه اندماج جسيمين ، مما يطلق كمية هائلة من الطاقة إلى نهايات غير محدودة بشكل أساسي. يتكون الهيدروجين ، العنصر الأكثر وفرة على الأرض وفي الكون ، من إمدادات الوقود. إن الاستفادة من طاقة الاندماج من شأنه أن يوفر طاقة غير محدودة تقريبًا بدون انبعاثات كربونية ، ولا توجد آثار جانبية ضارة على البيئة.

في وقت مبكر من القرن العشرين ، تم الاعتراف به إلى حد كبير على أنه أكثر الوسائل فعالية للحصول على الطاقة. ومع ذلك ، كان العلماء ساذجين بشكل لا يصدق ، بافتراض أن توليد الطاقة وحصادها من مولدات الاندماج سيكون أمرًا سهلاً. في ثلاثينيات القرن العشرين ، كان الفيزيائيون يجرون بالفعل التجارب الأولى لتوليد الاندماج. ومع ذلك ، لم يتم تحقيق معلم رئيسي حتى عام 1968 في إنتاج شرطين من الشروط الحرجة الثلاثة اللازمة لبدء عملية الاندماج.

أول جهاز توكاماك في العالم الروسية T1 Tokamak في معهد كورتشاتوف في موسكو. يتراكم الجهاز 0.4 متر مكعب فقط من البلازما ، وهو أصغر 2000 مرة من أكبر جهاز توكاماك في العالم قيد التطوير حاليًا ، ITER [مصدر الصورة: ITER]

تم إجراء الجهاز المستخدم في التجربة مع أتوكاماك- بشكل أساسي جهاز على شكل كعكة دائرية يستخدم مجالات مغناطيسية قوية لاحتواء البلازما في درجات حرارة يتجاوز ذلك من شمس. أصبح توكاماك مكونًا أساسيًا في البحث النووي الحراري وما زال يستخدم حتى يومنا هذا لزيادة تطوير إنتاج مفاعل اندماج قابل للتطبيق.

تعمل التوكاماك عن طريق ضخ الغاز في غرفة التفريغ. ثم يتم ضخ الكهرباء من خلال المركز (ثقب الدونات). يتراكم الغاز شحنة كبيرة ويبدأ في التسخين ، ولكنه محصور بالمجالات المغناطيسية الشديدة الناتجة عن الملفات المغناطيسية الضخمة التي تحيط بالجهاز.

عقبات لم تتحقق بعد

بينما ابتكر الفريق طريقة لتلبية شرطين من شروط إنشاء مفاعل الاندماج ، ثبت أن تطوير نموذج وظيفي صعب للغاية. لم يكن حتى عام 1991 أن تم تحقيق أول إطلاق متحكم فيه لقوة الاندماج. ومع ذلك ، تطلب المولد مدخلات طاقة أكبر بعدة مرات مما تم إنتاجه ، وهي وسيلة ضعيفة بشكل واضح وطريقة غير قابلة للتطبيق لإنتاج الكهرباء.

طاقة الانصهار

لبدء تفاعل الاندماج ، يجب استيفاء ثلاثة شروط - تشمل: درجات حرارة عالية بشكل لا يصدق (لتحفيز الاصطدامات عالية الطاقة) ؛ كثافة جزيئات البلازما الكافية (لضمان احتمالية أعلى لحدوث تصادمات) ؛ ومقدار كافٍ من الوقت يتم فيه حصر البلازما (للاحتفاظ بالبلازما التي تميل إلى التمدد في حجم محدد).

فقط عندما تكون جميع المكونات الثلاثة راضية ، ستبدأ عملية الاندماج.

على عكس تفاعل الانشطار الذي يتطلب ويطرد مادة مشعة للغاية ، يشرف الاندماج على اندماج الجسيمات معًا مما يؤدي إلى إطلاق كميات هائلة من الطاقة في شكل حرارة ، ولا يتطلب سوى الهيدروجين كوقود ولا ينتج عنه أي نفايات مشعة تقريبًا

ستستخدم المفاعلات نظيرين مشعين من الهيدروجين ، والديوتيريوم ، والتريتيوم ، للاندماج معًا وإنشاء الهيليوم كنيوترون واحد عالي النشاط يتم طرده ، ثم يسرع بعد ذلك لبدء التفاعل التالي. في هذه الطريقة ، يمكن إنشاء آلية حلقية لبدء جهاز الاكتفاء الذاتي.

عملية الانصهار [مصدر الصورة: ويكيبيديا]

إن أكبر مشكلة في إنشاء مفاعل اندماجي قابل للتطبيق هي تطوير جهاز قادر على تحمل الضغط الهائل ودرجات الحرارة للبلازما التي تقترب 100 مليون درجة حرارة - 6 مرات أكثر سخونة من لب الأرض. بينما حقق العلماء درجات حرارة تتجاوز توكاماك أقل بقليل 50 مليون درجة مئوية استمرت التجربة فقط 102 ثانيةقبل أن تنهار البلازما مرة أخرى إلى شكلها المستقر. حتى الآن ، ظل خلق ظروف مستدامة لإنتاج تفاعل الاندماج الوظيفي والحفاظ عليه بعيد المنال تمامًا.

لتحقيق توليد الطاقة ، يجب على علماء الاندماج تلبية نقطة تعادل طاقة البلازما - وهي النقطة التي تطرد فيها البلازما الموجودة داخل جهاز الاندماج على الأقل نفس كمية الطاقة المستخدمة لبدء العملية. حتى اليوم ، لم تتحقق اللحظة بعد. ومع ذلك ، فإن التيار سوف يسجل لإطلاقات الطاقة كان قادرا على توليد70 في المئةمن طاقة الإدخال. الرقم القياسي لا يزال في حوزة JET.

الآن ، ومع ذلك ، بعد ما يقرب من 60 سنه في مجال البحث والتطوير في مجال الطاقة الاندماجية ، يستعد المهندسون والعلماء للمراحل النهائية لأكبر مفاعل توكاماك في العالم لبدء ودعم أول مولد انشطاري نووي في العالم بإنتاج إيجابي للطاقة المشروع عبارة عن تعاون دولي بهدف توليد مفاعل اندماج تجريبي يُقال إنه مكتفٍ ذاتيًا - يستفيد أساسًا من قوة نجم صغير. المشروع ، المسمى ITER ، قيد التنفيذ حاليًا.

ما هو ITER

ITER (المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي) هو تعاون دولي بين الدول في محاولة لإنشاء أول مفاعل نووي حراري مستدام ذاتيًا في العالم يتجاوز فيه نقطة التعادل. يجري تطوير المولد حاليًا ويعد بثورة في توليد الطاقة في القرن الحادي والعشرين. إذا كان يعمل كما هو مخطط له ، فسوف يولد 500 ميجاوات من الطاقة الناتجة بينما يستهلك فقط 50 ميجاوات من المدخلات ، ويعيد كتابة فصل جديد في التاريخ باعتباره الجيل الذي حصد قوة النجوم.

تمتد عبر مسافة 42 هكتارا ، سيعمل المصنع أكثر 5,000 الناس خلال ساعات ذروة البناء. سيكون أكبر مفاعل توكاماك على الإطلاق ، بقياس 8 أضعاف حجم توكاماك الأكبر التالي.

كيف يعمل؟

سيكون الجهاز الوحشي أكبر توكاماك في العالم ، بنصف قطر بلازما (R) يبلغ 6.2 متر وحجم بلازما يبلغ 840 متر مكعب. في قلب المفاعل تظل الملفات المغناطيسية الضخمة ملفوفة حول التوكاماك ، وهو عنصر أساسي في تقييد درجات الحرارة التي ستقترب150 مليون درجة مئوية. مثل جميع التوكاماك الأخرى ، فإن الوعاء الضخم سوف يشحن الوقود الغازي المحتوي على الحقول المغناطيسية الهائلة. سيؤدي استخدام كميات غير عادية من الكهرباء إلى إجبار الغاز على الانهيار والتأين حيث يتم تجريد الإلكترونات من النواة. سيتم بعد ذلك تشكيل البلازما.

ستستمر جزيئات البلازما في التنشيط عندما تستمر في الاصطدام على فترات وشدة متزايدة. ستعمل طرق التسخين المساعدة على زيادة درجة حرارة البلازما حتى يتم الوصول إلى درجات حرارة الاندماج 150 إلى 300 مليون درجة مئوية. ستكون الجسيمات عالية الطاقة قادرة على التغلب على التنافر الكهرومغناطيسي الطبيعي ، مما يسمح للجسيمات بالتصادم و فتيل إطلاق كميات هائلة من الطاقة.

ماذا ستفعل؟

سيكون المعلم الأول هو إنشاء مفاعل نووي حراري وظيفي ومستدام ذاتيًا ، وهو الأول في العالم. بصرف النظر عن التطوير الأولي ، حدد ITER بضعة أهداف.
1) إنتاج 500 ميغاواط من طاقة الانصهار لنبضات 400 ثانية
تم تعيين ITER على إنتاج 500 ميجاوات من الطاقة ، بزيادة قدرها 10 أضعاف من مدخلات الطاقة. الهدف بعد ذلك هو الحفاظ على البلازما لمدة 400 ثانية على الأقل.

2) شرح العملية المتكاملة لتقنيات محطة توليد الطاقة الاندماجية
يتعهد ITER بسد الفجوة بين أجهزة الاندماج التجريبية والمولد الوظيفي ، مما يدل على قدرات محطات توليد الطاقة الاندماجية في المستقبل. باستخدام الجهاز الضخم ، سيظل العلماء قادرين على دراسة البلازما في ظل ظروف مماثلة يتوقع وجودها في محطات توليد الطاقة الاندماجية المستقبلية.

3) تحقيق بلازما الديوتيريوم-التريتيوم حيث يستمر التفاعل من خلال التسخين الداخلي
من الناحية المثالية ، بمجرد تشغيل الجهاز ، فإن العلماء واثقون من أن الآلة ستظل مكتفية ذاتيًا ، مع استخدام مدخلات الطاقة الوحيدة لتشغيل المغناطيسات الكهربائية الضخمة.

4) اختبار تربية التريتيوم
يمكن أن يكون التريتيوم ، وهو نظير مشع للهيدروجين ، مكونًا مهمًا في تطوير محطات الطاقة المستقبلية. ومع ذلك ، مع تناقص العرض الذي يعاني بالفعل من نقص في الطلب ، ستحتاج المولدات الأولى إلى إثبات جدوى إنتاج التريتيوم من أجل دعم المفاعلات الأخرى.

5) توضيح خصائص السلامة لجهاز الاندماج
في عام 2012 ، حصلت ITER على ترخيص كمشغل نووي في فرنسا وأصبحت الأولى في العالم التي خضعت لمقادير وفيرة من الفحص فيما يتعلق بسلامتها. أحد الأهداف الأساسية لـ ITER هو إظهار تفاعلات البلازما والاندماج التي ستخلق عواقب لا تذكر على البيئة.

مستقبل / هو الاندماج

مع تقدم البشر في القرن الحادي والعشرين ، يتم التركيز على خلق بيئة مستدامة وصديقة للبيئة. مع نجاح اختبارات المفاعلات النووية الحرارية التي تحقق علامات بارزة شائعة بشكل متزايد في توليد الاندماج ، فقد أصبح من الواضح يومًا ما أن العالم سيعتمد مرة أخرى على قوة النجوم ، باستثناء هذه المرة ، وفقًا لموافقتنا. لا يزال تقدم وتطوير هذه المفاعلات واعدًا. إنها مسألة وقت فقط قبل تطوير تكامل كبير للمرافق الوظيفية. مع عدم وجود فرصة لانهيار نووي ، وعدم وجود نفايات مشعة تقريبًا ، وإمدادات غير محدودة تقريبًا من الطاقة توفر مستقبلًا واعدًا سيقلل فيه البشر بشكل كبير من البصمة التي يتم طبعها حاليًا على الأرض.

انظر أيضًا: حقق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا اختراقة كبيرة في الاندماج النووي

بقلم مافريك بيكر


شاهد الفيديو: طاقة الشمس على الأرض عل الإندماج النووي ITER - الجزء الأول (يونيو 2021).