في عالم الطاقة المتجددة ، ربما لا يوجد هدف أكثر طموحًا من طاقة الاندماج. إنها تنطوي على اندماج ذرات الهيدروجين لتكوين الهيليوم ، وهي عملية تولد كمية غير مقدسة من الطاقة. إنه رد فعل يحدث في كل لحظة في الشمس ، لكن تكاثره على الأرض عملية نادرة وشاقة. ومع ذلك ، إذا نجحنا ، فسيكون بإمكاننا الوصول إلى مصدر نظيف للكهرباء المتجددة يلبي احتياجاتنا المتزايدة من الطاقة.
تحقيقا لهذه الغاية ، يتابع الباحثون ظاهرة تسمى “الاشتعال” ، والتي تحدث عندما يولد مفاعل الاندماج طاقة أكثر مما هو مطلوب لإنشاء 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 الهيدروجين.
ولكن هنا تكمن المشكلة: لا يوجد سوى الكثير من الهيدروجين الذي يمكنك وضعه في توكاماك قبل أن يبدأ كل شيء في الخطأ.
قال باولو ريتشي ، الباحث في مركز البلازما السويسري: “أحد قيود صنع البلازما داخل توكاماك هو كمية 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 الاحتواء تمامًا ، وتنتقل البلازما إلى كل مكان. “
لحل هذه المشكلة ، بدأ العلماء في البحث عن معادلات مختلفة لقياس أقصى كمية من الهيدروجين يمكنك وضعها داخل توكاماك قبل الانقطاع. يُعرف القانون الذي ساد في النهاية وأصبح الدعامة الأساسية في عالم أبحاث الاندماج 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.
لكن حتى حد غرينوالد لم يكن مثالياً.
قال عالم الفيزياء التجريبية Alex Zylstra في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا: “حد غرينوالد هو ما نسميه قانونًا أو حدًا” تجريبيًا “، وهو ما يعني أساسًا أنه مثل قاعدة تجريبية تستند إلى الملاحظات التي تم إجراؤها في التجارب السابقة”. ، في بريد إلكتروني لصحيفة ديلي بيست. “هذه مفيدة للغاية ، ولكن يجب أن نكون دائمًا حذرين عند تطبيقها خارج الظروف التي لدينا فيها بيانات تجريبية.”
لهذا السبب تحدى ريتشي وفريقه هذا الاعتقاد الراسخ ورقة جديدة نشرت في 6 مايو في المجلة خطابات الفحص البدني. في ذلك ، يفترضون أن حد Greenwald يمكن في الواقع زيادة بمقدار ضعف أو ضعف كمية الهيدروجين التي يمكن أن تدخل التوكاماك لإنتاج البلازما. يمكن أن تضع النتائج التي توصلوا إليها الأساس لمفاعلات الاندماج المستقبلية مثل DEMO – وهو خليفة لمفاعل ITER قيد التطوير – لتحقيق الاشتعال أخيرًا.
قال ريتشي: “إنه أمر 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 الإنتاج ، على عكس قانون Greenwald. وهذه أخبار جيدة جدًا.”
يعتقد Zylstra أن اكتشاف الفريق مهم لأنه يلقي الضوء على سبب وجود مثل هذا الحد لمفاعلات الاندماج بالضبط. كما يوضح أيضًا أن تصميمات tokamak مثل ITER أو DEMO يمكن أن تكون “أقل تقييدًا مما كان يعتقد سابقًا”. مع مضاعفة كثافة الوقود ، قد يؤدي ذلك إلى تحسن كبير في إنتاج الطاقة بواسطة التوكاماك – ويؤدي في النهاية إلى الاشتعال.
وأضاف زيلسترا: “الاندماج مشكلة بالغة الصعوبة ، من الناحيتين العلمية والتكنولوجية ، ويتطلب جعل قوة الاندماج حقيقة واقعة العديد من التطورات ، خطوة بخطوة”. “إذا تم التحقق من صحة هذه الدراسة بشكل أكبر ، خاصة على أجهزة مثل ITER ، فستساعد بالتأكيد مجتمع الاندماج المغناطيسي على تصميم وتحسين تصاميم المنشآت التجريبية وتوليد الطاقة المستقبلية.”
