قد يتم أخيرًا إطلاق قوة طاقة الاندماج بفضل تحديث الفيزياء الجديد

في عالم الطاقة المتجددة ، ربما لا يوجد هدف أكثر طموحًا من طاقة الاندماج. يتضمن هذا دمج ذرات الهيدروجين لتكوين الهيليوم – وهي عملية تولد كمية غير صالحة من الطاقة نتيجة لذلك. إنه رد فعل يحدث في كل لحظة في الشمس ، لكن تكراره على الأرض عملية شاقة ونادرة. ومع ذلك ، إذا نجحنا ، فسيكون بإمكاننا الوصول إلى مصدر نظيف للكهرباء المتجددة يلبي احتياجاتنا المتزايدة من الطاقة.

تحقيقا لهذه الغاية ، يلاحق الباحثون ظاهرة تسمى “الاشتعال” ، وهي عندما يولد مفاعل الاندماج طاقة أكثر مما هو مطلوب لخلق التفاعل الأولي. هناك عدد قليل من المحاولات الرئيسية جارية لتحقيق هذا الهدف ، بما في ذلك المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي (ITER) في فرنسا. يستخدم هذا الجهد مغناطيسات قوية في آلة تسمى توكاماك لتكوين بلازما شديدة السخونة تم إنشاؤها باستخدام وقود الهيدروجين.

ولكن هنا تكمن المشكلة: لا يوجد سوى الكثير من وقود الهيدروجين الذي يمكنك وضعه في توكاماك قبل أن يبدأ كل شيء في السير بشكل خاطئ.

قال باولو ريتشي ، باحث في مركز البلازما السويسري ، “أحد القيود في صنع البلازما داخل توكاماك هو كمية وقود الهيدروجين التي يمكنك حقنها فيه” قال في بيان صحفي. “منذ الأيام الأولى للاندماج ، عرفنا أنه إذا حاولت زيادة كثافة الوقود ، فسيحدث في مرحلة ما ما نسميه” اضطرابًا “- فأنت في الأساس تفقد الحصر تمامًا ، وتذهب البلازما أينما كان.”

لحل هذه المشكلة ، بدأ العلماء في البحث عن معادلات مختلفة لقياس الحد الأقصى لكمية الهيدروجين التي يمكنك وضعها داخل توكاماك قبل الانقطاع. أحد القوانين التي تمسك بها وأصبح دعامة أساسية في عالم أبحاث الاندماج يُعرف باسم “حد Greenwald” ، والذي ينص على أن كمية الوقود التي يمكن استخدامها في التوكاماك ترتبط ارتباطًا مباشرًا بنصف قطر الآلة. حتى أن الباحثين وراء ITER قاموا ببناء أجهزتهم بناءً على هذا القانون.

ولكن ، حتى حد Greenwald لم يكن مثاليًا.

“حد غرينوالد هو ما نسميه قانونًا أو حدًا” تجريبيًا “، وهو ما يعني أساسًا أنه مثل قاعدة عامة تستند إلى الملاحظات التي تم إجراؤها على التجارب السابقة ،” أليكس زيلسترا ، عالم فيزياء تجريبي في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا ، لـ The Daily Beast في بريد إلكتروني. “هذه مفيدة للغاية ، لكننا نحتاج دائمًا إلى توخي الحذر عند تطبيقها خارج الظروف حيث لدينا بيانات من التجارب.”

لهذا السبب تحدى ريتشي وفريقه هذا الإيمان الراسخ بـ ورقة جديدة نشرت في 6 مايو في المجلة خطابات المراجعة المادية. في ذلك ، افترضوا أن حد غرينوالد يمكن رفعه في الواقع بمقدار الضعف تقريبًا – ما يقرب من ضعف كمية وقود الهيدروجين التي يمكن أن تدخل في توكاماك لإنتاج البلازما. يمكن أن تضع النتائج التي توصلوا إليها الأساس لمفاعلات الاندماج المستقبلية مثل DEMO – وهو خليفة لمفاعل ITER قيد التطوير حاليًا – للوصول أخيرًا إلى الإشعال.

قال ريتشي: “هذا مهم لأنه يظهر أن الكثافة التي يمكنك تحقيقها في توكاماك تزداد مع القوة التي تحتاجها لتشغيله”. “في الواقع ، سيعمل DEMO بقوة أعلى بكثير من tokamaks و ITER الحاليين ، مما يعني أنه يمكنك إضافة المزيد من كثافة الوقود دون الحد من الإخراج ، على عكس قانون Greenwald. وهذه أخبار جيدة للغاية “.

يعتقد Zylstra أن اكتشاف الفريق مهم لأنه يلقي الضوء على سبب وجود حدود لمفاعلات الاندماج أيضًا. كما يوضح أيضًا أن تصميمات التوكاماك مثل ITER أو DEMO يمكن أن تكون “أقل تقييدًا مما كان يُعتقد سابقًا”. مع زيادة كثافة الوقود مرتين ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسن كبير في إنتاج الطاقة بواسطة التوكاماك – وأخيراً يدفعنا إلى الاشتعال.

وأضاف زيلسترا: “يعد الاندماج مشكلة صعبة للغاية – سواء من الناحية العلمية أو التكنولوجية ، ويتطلب جعل قوة الاندماج حقيقة واقعة العديد من التطورات خطوة واحدة في كل مرة”. “إذا تم التحقق من صحة هذه الدراسة بشكل أكبر ، خاصة على آلات مثل ITER ، فستساعد بالتأكيد مجتمع الاندماج المغناطيسي على تصميم وتحسين التصاميم المستقبلية للمرافق التجريبية وتوليد الطاقة.”