لماذا هناك حاجة للطاقة النووية الحرارية؟
لمنع ارتفاع درجة الحرارة العالمية بأكثر من 1.5
ماذا لو كان هناك حل واحد للطاقة يمكن أن يحل كل هذه المشاكل الملحة؟ في حين أن هذا يبدو رائعًا ، إلا أنه موجود.
من أقوى أشكال الطاقة نحننستخدمها اليوم هي الطاقة النووية. على الرغم من أن الطاقة النووية الحديثة فعالة للغاية ولا تولد أي انبعاثات كربونية ، إلا أن لها العديد من العيوب ، وهي خطيرة: الذوبان النووي المحتمل والنفايات المشعة التي تظل خطرة لآلاف السنين.
ولكن هناك طريقة أفضل.
ما هو الاندماج النووي الحراري وكيف يمكن تطبيقه على الأرض؟
تعمل جميع المفاعلات النووية الحالية معباستخدام الانشطار النووي ، وهي عملية انقسام الذرات لإنتاج الطاقة. لسنوات عديدة ، تساءل العلماء كيف يمكننا استخدام العملية العكسية - الاندماج النووي ، الذي "يُشغل" الشمس من خلال ربط الذرات معًا - لتلبية احتياجات الطاقة المتزايدة على الأرض. الاندماج النووي الحراري بحد ذاته هو عملية فائقة القوة ، أقوى من الانشطار عدة مرات ، ولا يؤدي إلى تكوين نفايات نووية ، لأن وقودها ليس اليورانيوم أو البلوتونيوم ، بل الهيدروجين. في الواقع ، إذا نجح تطوير مفاعل نووي حراري ، فسيقوم العلماء بإنشاء "شمس مصغرة" على الأرض.
"تحقيق تفاعلات نووية حرارية محكومة ،التي تستهلك طاقة أكثر مما هو مطلوب لتوليدها ويُنظر إليها تجاريًا على أنها استجابة محتملة لتغير المناخ ، "يشرح مراسل العلوم ناثانيال جرونيفولد لمجلة Scientific American. "ستلغي الطاقة الاندماجية الحاجة إلى الوقود الأحفوري وحل مشكلات عدم الاستمرارية والموثوقية الكامنة في مصادر الطاقة المتجددة. سيتم توليد الطاقة بدون الكميات الخطيرة من الإشعاع التي تثير مخاوف بشأن طاقة الانشطار النووي ".
مسؤولو الطاقة النووية الحرارية الدوليةأعلن المفاعل التجريبي (ITER) ، وهو مشروع متعدد الجنسيات مقره في جنوب فرنسا ، أنه على بعد 6.5 سنوات فقط من First Plasma ، وهو معلم تاريخي. مشروع ITER ، الذي يدعمه كونسورتيوم من 35 دولة ، اكتمل الآن بنسبة 65 ٪ ، وفقًا لبيان صحفي هذا الأسبوع. يمهد القسم الذي تم تركيبه حديثًا - قاعدة كريوستات والأسطوانة السفلية - الطريق لتركيب توكاماك ، وهو الهيكل التكنولوجي المختار لإيواء المجال المغناطيسي القوي الذي يحيط بنواة الاندماج للبلازما فائقة الحرارة.
مشاكل الاندماج النووي
الاندماج النووي يصعب تحقيقه بسببالظروف القاسية - على سبيل المثال ، في قلب الشمس - التي يجب إعادة إنتاجها هنا على الأرض. كما أوضح في وزارة الطاقة الأمريكية ، "يتم دراسة التفاعلات النووية الحرارية من قبل العلماء ، ولكن من الصعب الحفاظ عليها لفترات طويلة من الزمن بسبب الضغط الهائل ودرجة الحرارة المطلوبة لدمج النوى."
تتطلب طاقة الاندماج حصر بلازما ساخنة جدا تحت ضغط عال.للحبس المغناطيسي ، حار جدا - عدة مرات أكثر سخونة من المركزتتطلب البلازما الشمسية مجالات مغناطيسية قوية ، والتي يجب أن تكون 10 أضعاف الضغط الجوي على سطح الأرض.قوة المجال المغناطيسي هي معلمة حاسمة في تحقيق هذه الظروف ، لأنها توفركل من العزل للحفاظ على البلازما ساخنة والضغط الخارجي للحفاظ عليها بثبات - كل ذلك دون اتصال مادي بين البلازما وسطح المادة.
على الرغم من أن الاندماج النووي ينتجآفاق لا تصدق لحل بعض أصعب مشاكل العالم الحديث، الوقت يمر، ويقول العديد من الخبراء أنه حتى لو كان الاندماج قاب قوسين أو أدنى، فإن الوقت ليس في صالحنا. وفي حين أنه من المأمول أن يتم إطلاق ITER بحلول عام 2025 وأن يعمل بكامل طاقته بحلول عام 2035 تقريبًا، فقد يكون هذا قد فات الأوان. وبالعودة إلى عام 2019، جادل خبراء المناخ بأن الموعد النهائي المحدد بـ 12 عامًا الذي منحته اللجنة الحكومية الدولية للعالم لعكس الوضع المتغير للكوكب قد يتعين تقليصه إلى 18 شهرًا. وقد أوضح هانز يواكيم شيلنهوبر من معهد بوتسدام للمناخ الأمر بهذه الطريقة قبل عام: "إن الرياضيات المناخية واضحة وضوح الشمس: فرغم أن العالم قد لا يتعافى في السنوات القليلة المقبلة، فإنه قد يتعرض لإصابة قاتلة بسبب الإهمال قبل عام 2020".
ومع ذلك ، فقد عادت الآمال هذا الأسبوع إلى الطاقة النظيفة.
مشروع SPARC
العلماء يطورون نسخة مدمجةتم عرض مفاعل الاندماج النووي في سلسلة من الأوراق البحثية للعمل، مما أحيا الآمال في إمكانية تحقيق الهدف بعيد المنال المتمثل في تقليد إنتاج الطاقة الشمسية والمساهمة في نهاية المطاف في مكافحة تغير المناخ.
مركز أبحاث البلازما والنووي الحرارييقوم معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بالتعاون مع شركة كومنولث فيوجن سيستمز (CFS) بتطوير مشروع مفهوم SPARC. إنها تجربة مدمجة عالية الجهد بطاقة نووية حرارية نقية. من المتوقع أن يكون SPARC بحجم أجهزة الانصهار متوسطة المدى الحالية ، ولكن مع مجال مغناطيسي أقوى بكثير. بناءً على قوانين الفيزياء ، يأمل العلماء أن ينتج الجهاز 50-100 ميجاوات من الطاقة النووية الحرارية. ستكون مثل هذه التجربة أول دليل على إنشاء طاقة نظيفة وإمكانية إنشاء جهاز مبني باستخدام تقنية جديدة فائقة التوصيل. تعد SPARC جزءًا من استراتيجية شاملة لتسريع تطوير الاندماج من خلال استخدام مغناطيسات فائقة التوصيل عالية الحرارة وعالية التوصيل (HTSC).
ستكون محطة Sparc الاندماجية صغيرة نسبيًا ، كما هو موضح في هذه الصورة لغرفة التفاعل.
T. Henderson / CFS / MIT-PSFC
وقت البناء
ومن المتوقع أن يتم إنشاء المفاعل تحتقال باحثون ومسؤولون في الشركة إن اسم SPARC ، الذي يتم تطويره من قبل باحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وإحدى الشركات التابعة لشركة Commonwealth Fusion Systems ، سيبدأ الربيع المقبل وسيستغرق ثلاث أو أربع سنوات.
على الرغم من وجود العديد من المشكلات الخطيرة ،وقالت الشركة إن البناء سيتبعه تجارب ، وإذا نجحت ، محطة كهرباء يمكن أن تستخدم طاقة الاندماج لتوليد الكهرباء ابتداء من العقد المقبل
هذا الجدول الزمني الطموح أسرع بكثير منأكبر مشروع للطاقة الاندماجية في العالم، وهو مشروع متعدد الجنسيات في جنوب فرنسا يسمى ITER. وهذا المفاعل قيد الإنشاء منذ عام 2013، وعلى الرغم من أنه غير مصمم لتوليد الكهرباء، فمن المتوقع أن ينتج تفاعلات اندماجية بحلول عام 2035.
بوب مومجارد ، الرئيس التنفيذي للكومنولثقال Fusion ، وأحد مؤسسي الشركة ، إن الهدف من مشروع SPARC هو تطوير اندماج نووي حراري في الوقت المناسب للعب دور في التخفيف من آثار الاحتباس الحراري. وقال "نحن نركز على الحصول على الطاقة النووية الحرارية في أسرع وقت ممكن".
الاندماج النووي الحراري، الذي فيه الذرات الخفيفةأصبح التجمع معًا في درجات حرارة تصل إلى عشرات الملايين من الدرجات لإطلاق الطاقة وسيلة للعالم للتعامل مع تأثيرات تغير المناخ الناتجة عن توليد الكهرباء.
ومثلها كمثل محطة توليد الطاقة بالانشطار النووي التقليدية، التي تقسم الذرات، فإن محطة الاندماج لن تحرق الوقود الأحفوري ولن تنتج انبعاثات غازات الدفيئة.
نقد المشروع
على الرغم من طموحات المشروع ، معوقات في طريقهإن إنشاء آلة قادرة على تكوين بلازما الاندماج والتعامل مع سحابة من الذرات شديدة الحرارة تدمر أو تدمر كل ما تلمسه أمر هائل.
يقول بعض العلماء الذين عملوا في مجال الطاقة النووية الحرارية لعقود من الزمان أنه في حين أنهم متحمسون لآفاق Sparc ، فإن الجدول الزمني قد يكون ببساطة غير واقعي.
قراءة هذه الوثائق (أوراق بحثية- تقريبا. ed.) يعطيني الشعور بأن المطورين سيكون لديهم بلازما حرارية نووية حرارية مضبوطة التي نحلم بها جميعًا ، "قال كاري فورست ، عالم الفيزياء في جامعة ويسكونسن والذي لم يشارك في المشروع. ومع ذلك ، فهو غير متأكد مما إذا كان الجدول الزمني للمشروع واقعيًا.
وفقا للدكتور Mumgaard ، فإن SPARC سيكون كثيراأصغر من ITER - حجم ملعب التنس مقارنة بملعب كرة القدم - وأرخص بكثير من مشروع دولي ، وفقًا للتقديرات الرسمية ، سيكلف حوالي 22 مليار دولار ، لكن هذا الرقم ليس الحد الأقصى. جمعت شركة كومنولث فيوجن ، التي تأسست عام 2018 ويعمل بها حوالي 100 موظف ، 200 مليون دولار حتى الآن لمشروعها.
الاختلافات بين Sparc وITER
منذ أن بدأت منذ ما يقرب من قرن من الزمانفي تجارب الاندماج النووي، ظل احتمال إنشاء جهاز اندماج عملي يمكنه إنتاج طاقة أكثر مما يستخدم أمرًا بعيد المنال.
ولكن وفقا لما توصل إليه العلماء في مجلة فيزياء البلازما، فإن مشروع SPARC سينجح وسينتج طاقة أكثر بعشر مرات مما يستهلك.
البحث "يؤكد أن المشروعقال مارتن غرينوالد ، نائب مدير مركز إم آي تي لأبحاث البلازما والدمج وأحد العلماء الرئيسيين في المشروع ، "من المرجح أن يعمل الجهاز الذي نعمل من أجله". الدكتور غرينوالد هو مؤسس كومنولث فيوجن ولكنه ليس تابعًا للشركة حاليًا.
يستخدم SPARC نفس نوع الجهاز مثلITER: توكاماك ، أو غرفة على شكل كعكة دائرية ، يحدث فيها تفاعل الاندماج. لأن سحابة البلازما شديدة الحرارة - أكثر سخونة من الشمس - يجب أن تمنعها القوى المغناطيسية.
يقوم ITER بهذا باستخدام ملفات كهرومغناطيسية ضخمة تحتوي على أسلاك فائقة التوصيل يجب تبريدها بالهيليوم السائل.
نموذج لمفاعل الاندماج ITER (المقطع العرضي)
CC BY-SA 2.0 fr
وفقًا لغرينوالد ، يستخدم SPARCفوائد التكنولوجيا الكهرومغناطيسية الجديدة التي تستخدم ما يسمى بالموصلات الفائقة عالية الحرارة ، والتي يمكن أن تخلق مجالًا مغناطيسيًا أقوى بكثير. نتيجة لذلك ، فإن البلازما أصغر بكثير.
تظهر الوثائق أن “هذا المسار مع ارتفاعقال الدكتور غرينوالد: "لا يزال الحقل يبدو قابلاً للحياة". "إذا تمكنا من التغلب على التحديات الهندسية ، فإن هذه الآلة ستعمل كما نتوقع."
وقالت منظمة كومنولث فيوجن إنها ستعلن عن مكان وجود SPARC في غضون بضعة أشهر.
من غيره يعمل على الطاقة النووية الحرارية وهل هناك أمل؟
كومنولث فيوجن هو مجرد واحد من العديدالشركات العاملة على تطوير وتسويق الطاقة الاندماجية بالشراكة مع المؤسسات البحثية ، بدعم من مئات الملايين من الدولارات في الاستثمار.
على سبيل المثال، شركة TAE Technologies، ومقرهاتعمل شركة في جنوب كاليفورنيا على تصميم يستخدم جهازًا خطيًا يطلق سحابتين من البلازما على بعضهما البعض لإنتاج الاندماج النووي.
تستخدم شركة First Light Fusion ، التابعة لجامعة أكسفورد في إنجلترا ، الطاقة لضغط وضغط الوقود النووي الحراري.
وقال الدكتور فورست:باستخدام مجالات مغناطيسية أقوى، يمكن القول أن SPARC أكثر "تحفظًا". "وهذا ما يميزها تمامًا عن جميع الشركات الناشئة، والتي هي بحكم تعريفها أكثر ويؤكد أن هذا أمر محفوف بالمخاطر.
وليام دورلاند ، عالم فيزياء في جامعة ماريلاند ووقال رئيس تحرير مجلة The Journal of Plasma Physics ، إن المجلة طلبت من ممثلي بعض مشاريع الاندماج هذه "التحدث عن دعائمها المادية". وقال إن مجموعة MIT ومجموعة Commonwealth Fusion اتفقتا بسرعة.
"من وجهة نظري ، هذه هي المجموعة الأولى من هذه المجموعات ،التي لديها أموال خاصة ، وهو أمر واضح للغاية بشأن ما يفعلونه ، "قال الدكتور دورلاند. - يختلف الأشخاص المعقولون حول ما إذا كان يعمل. لكنني سعيد فقط لأنهم تقدموا وأخبرونا ، باستخدام العلوم العادية ، بما يحدث ".
في النهاية ، ما هي العواقب المتوقعة منتطوير مفاعل الاندماج؟ إذا تم تصحيح العمليات التكنولوجية والتحكم فيها ، فسيؤدي ذلك إلى إنقاذ البشرية. ستعمل الطاقة النظيفة الناتجة عن اندماج الذرات بدلاً من انشطارها على حماية الكوكب على الأقل من النفايات النووية.
ما هو الحد الأدنى؟
على الرغم من كل خطورة وتعقيد المشاريع علىتطوير الاندماج النووي الحراري، لا يبدو أن البشرية لديها أي بدائل. إن إمكانيات الكوكب محدودة، على عكس احتياجات الإنسان. سيحدد الوقت ما إذا كانت SPARC أو ITER أو أي شركة ناشئة ستفي بوعودها.
اقرأ أيضا
ابتكر عالم طلاء يمكنه استبدال الألواح الشمسية باهظة الثمن
وجدت مهمة CHEOPS كوكبًا يعاني من أقسى الظروف في الكون. الشيء الرئيسي
اكتشف علماء الفلك مسرعًا قمريًا من الستينيات. إنه يتجه نحو الأرض