التوليف والانشطار: ما الفرق؟
الاندماج والانشطار عمليتان مختلفتان لإنتاج الطاقة النووية.
تنتج هذه الطاقة النوويةالانشطار ، يتم التقاطه داخل المفاعلات ويستخدم لتسخين الماء إلى بخار ، والذي يحول التوربينات ويولد الكهرباء. لكن هذه العملية تخلق نفايات يمكن أن تظل مشعة لملايين السنين. أظهر الوضع في المفاعلات في فوكوشيما وتشيرنوبيل كيف يمكن أن يحدث هذا.
من ناحية أخرى ، لن يؤدي الاندماج النووي الحراريلتشكيل نفايات نووية طويلة الأمد ، ويمكن إعادة تدوير المواد الضرورية في غضون 100 عام. كما أنه لا يوجد خطر وقوع حادث ، لأن العملية تعتمد على تفاعلات درجات الحرارة العالية التي تتوقف في غضون ثوان قليلة في حالة تعطل الجهاز. وبما أن هذه التفاعلات تستخدم كمية صغيرة نسبيًا من الوقود ، فلا يوجد خطر من استخدامها لإنتاج أسلحة نووية.
في مجال أبحاث الاندماج النووي ، هناكالعلماء الذين يسعون جاهدين لتحقيق هدف واحد - إعادة إنشاء العمليات التي تستخدمها الشمس نفسها لإنتاج كمية هائلة من الطاقة. تحبس قوى الجاذبية الهائلة الهيدروجين من الغلاف الجوي للشمس وتستخدم حرارة وضغطًا شديدين لتحويل الغاز إلى بلازما. في ذلك ، تتصادم النوى بسرعة عالية ، وتشكل الهيليوم وتطلق الطاقة.
عامل رئيسي آخر هو الجاذبية.إن قوى الجاذبية الهائلة للشمس أكبر بحوالي 28 مرة من قوى الجاذبية الموجودة على الأرض. كان على العلماء أن يكونوا مبدعين في الحد من الوقود اللازم لتفاعلات الاندماج النووي. النهج الأكثر تفضيلاً في الوقت الحالي هو استخدام المجالات المغناطيسية، والتي يمكن استخدامها للاحتفاظ بنوعين ثقيلين من الهيدروجين، الديوتيريوم والتريتيوم، في جهاز يسمى توكاماك.
توكاماك - آمال كبيرة
كلمة "توكاماك" في حد ذاتها ليست شيئًالا يدل على أنه مجرد اختصار، والذي أصبح فيما بعد كلمة كاملة. يتم استخدامه ليس فقط في روسيا، ولكن أيضًا في الخارج، حيث تم اختراع هذا الشيء في بلدنا وهنا تم تطويره بنشاط لفترة طويلة.
توكاماك هي غرفة حلقية ذات ملفات مغناطيسية. هذا كل شئ.
يكمن جوهر التوكاماك في الإبداعالمجال المغناطيسي الذي سيحدث فيه تفاعل الاندماج النووي الحراري. وبما أن درجة حرارة مثل هذا التفاعل ليست مرتفعة فحسب، بل إنها باهظة حرفيًا (عدة ملايين من الدرجات المئوية)، فلا يمكن إجراؤه ببساطة داخل حجرة ما - فسوف يذوب قبل وقت طويل من الوصول إلى درجة حرارة التشغيل.
يتم تحقيق درجة الحرارة هذه بسبب حقيقة ذلكداخل التوكاماك، تكون المادة في حالة التجميع الرابعة، والتي يتم تحقيقها عند درجات الحرارة المرتفعة. تسمى هذه الحالة البلازما، على الأرض، لا توجد البلازما في البيئة الطبيعية إلا في البرق والأضواء الشمالية، وفي الفضاء يتكون منها كل شيء حرفيًا - النجوم والسدم والفضاء بين النجوم.
داخل المبنى الذي سيضم أكبر مفاعل توكاماك في العالم.
أول من اقترح استخدام الطاقة النووية الحراريةالتوليف ، بما في ذلك للأغراض الصناعية ، كان الفيزيائي السوفيتي O.A. لافرينتيف. لقد فعل هذا في عمله عام 1950. كان من خلال عمله أن دراسة طرق استخدام الاندماج النووي الحراري بدأت.
وبعد عام، قال فيزيائيون آخرون – أ.د.ساخاروف وإي. تام - طور الفكرة وقال إن التفاعل النووي الحراري يجب أن يستمر داخل غرفة حلقية مغلقة. لإنشاء مجال مغناطيسي داخل التوكاماك، فإنه يتكون من مقاطع بها ملفات ملفوفة بداخلها. نظرًا لأنها تمتد على طول الحجرة بالكامل وتخلق ما يشبه النفق المغلق، فإن المجال المغناطيسي الناتج يسمى حلقيًا. هذه هي منطقة عمل التثبيت.
داخل الصين التجريبية المتقدمة فائقة التوصيل Tokamak (EAST).
عندما تكون الغرفة ممتلئة، فإنها تخلقمجال كهربائي دوامي يحافظ على البلازما داخل الحجرة، وفي الوقت نفسه يسخنها، ليصل إلى نفس درجة الحرارة التي تبلغ عدة ملايين من الدرجات.
بما أن الحقل والتدفئة يتم إنشاؤهما بسبب زيادة التيار في المحث، ولكن لا يمكن أن يزيد إلى أجل غير مسمى، فإن عمر البلازما في حالة مستقرة لا يتجاوز عدة ثواني. وهذا هو السبب الرئيسي وراء عدم قدرتنا حتى الآن على استخدام التوكاماك كمصدر لإنتاج الطاقة الصناعية. هناك طرق لحل هذه المشكلة، بما في ذلك استخدام إشعاع الميكروويف، ولكن حتى الآن لا يزال العمل في هذا الاتجاه جاريا.
كثير من الناس يعملون على تحقيق ذلكالأهداف، لدينا آمال كبيرة لجهاز الجيل القادم الذي هو قيد الإنشاء حاليًا. يعد ITER، أو المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي، واحدًا من أكثر مشاريع الطاقة طموحًا التي نفذتها البشرية على الإطلاق، بمشاركة علماء ومهندسين من 35 دولة. وعند اكتماله في عام 2025، سيكون أكبر جهاز اندماج نووي في العالم.
رغم أن معظم طموحات البشريةوفي مجال الاندماج النووي المرتبط بـ ITER، هناك فرص أخرى مثيرة. بما في ذلك مفاعل نووي حراري آخر مع الحبس المغناطيسي - وهو نجمي.
Stellator - تقليد نجم
مثل التوكاماك، تم تصميم النجوم من أجلتحتوي على تيارات البلازما في غرفة مغلقة باستخدام ملفات مغناطيسية، ولكن مع بعض الاختلافات الرئيسية. بدلاً من شكل الكعكة المتناظر اللطيف، يرسل النجم البلازما إلى دوائر غير منتظمة تدور وتدور باستخدام سلسلة معقدة بشكل لا يصدق من الملفات المغناطيسية. يبدو هذا غير بديهي، لكنه في الواقع يخلق استقرارًا أكبر في البلازما بسبب الاختلافات في التيار الداخلي، كما كتب نيو أطلس.
في حد ذاته ، النجم هو نوع من المفاعلاتتنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة. الاسم يأتي من اللات. ستيلا - نجم ، يشير إلى تشابه العمليات التي تحدث في النجم وداخل النجوم. اخترع الفيزيائي الأمريكي إل سبيتزر في عام 1950 ، أول نموذج أولي تم بناؤه تحت قيادته في العام التالي كجزء من مشروع ماترهورن السري.
Wendelstein 7-X (W7-X) - تجريبيتركيب لأبحاث البلازما عالية الحرارة ، وتقع في مدينة جرايفسفالد في ألمانيا. تم تنفيذ بنائه من قبل معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما من 2005 إلى 2014. الغرض من المرفق هو اختبار الملاءمة الصناعية لمفاعل الاندماج من النوع النجمي ، وكذلك للبحث وتحسين المكونات التقنية والتقنيات في مجال الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه.
في مثل هذه المفاعلات الاندماجيةتتميز الغرفة الحلقية بشكل معقد ومتعرج، كما هو الحال مع المجالات المغناطيسية التي تنشأ حولها. وهذا التصميم غير العادي، وفقًا للنظرية، يساعد هذه المفاعلات على العمل في وضع مستمر، مما يستهلك طاقة أقل بكثير من المفاعلات "الزوجية" التقليدية. مفاعلات من نوع توكاماك. بالإضافة إلى ذلك، فإن التكوين المعقد للمجال المغناطيسي يجعل من الممكن احتواء البلازما ذات درجة الحرارة العالية بشكل موثوق، مما يقلل من خطر ملامستها للجدران الداخلية لغرفة المفاعل. ومع ذلك، فإن هذه المزايا لها ثمن يكمن في تعقيد تصميم وتصنيع المفاعل نفسه.
في ديسمبر 2017، أكملت W7-X دورتها الثانيةمرحلة التجارب التي تم فيها استخدام أنظمة تسخين وقياس البلازما المحسنة. وكان العنصر الرئيسي الذي تم اختباره في المرحلة الثانية هو نظام إزالة الحرارة، والذي لا ينبغي أن يؤثر تشغيله على سلك البلازما. تتكون هذه الأداة من سلسلة من المغناطيسات التي تشكل مجالات مغناطيسية معقدة، مما يتسبب في مرور البلازما على مقربة من 10 ألواح مشتتة حرارية. أي انحراف في المجالات المغناطيسية يستلزم انحراف سلك البلازما، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الصفائح والتبريد المفرط وتدمير سلك البلازما.
يتم التحكم في تشغيل المغناطيسات الكهربائية ، التي تخلق مجالًا مغناطيسيًا ، بواسطة نظام تحكم معقد يستخدم العديد من التغذية المرتدة.
لأن النجوم لا تتطلب الكثيرالتيار الداخلي ويوفر بطبيعته استقرارًا أكبر من التوكاماك ، يقول هول إنهم قد يكونون أكثر ملاءمة لتزويد الشبكة بالطاقة. لكن هذا بشرط أن البنية التحتية المعقدة بشكل لا يصدق يمكن بناؤها بطريقة غير مكلفة وبنفس القيود ، وهذا ليس هو الحال في شكلها الحالي.
يعد الاحتفاظ بالقصور الذاتي نهجًا جذريًا
بالإضافة إلى منطقة الحبس المغناطيسي ،مناهج أخرى للاندماج النووي التي تندرج تحت ما يسمى بالحبس بالقصور الذاتي. الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه بالقصور الذاتي هو أحد أنواع الاندماج النووي الحراري ، حيث يتم الاحتفاظ بالوقود الحراري النووي بواسطة قوى القصور الذاتي الخاصة به. تتمثل الفكرة في تسخين الوقود النووي الحراري بسرعة وبشكل متساوٍ ، بحيث يكون للبلازما الناتجة وقتًا للتفاعل قبل التشتت. وبالتالي ، عند استخدام هذا المبدأ ، سيتم نبض المفاعل. يتضمن هذا الخط الجديد من البحث في الاندماج النووي استخدام أشعة الليزر أو الأشعة الأيونية المستهدفة بدقة شديدة لتسخين حبيبات الوقود التي ستتكون من الديوتيريوم والتريتيوم.
الفكرة هي أن التأثير على هؤلاءستسبب كريات الوقود مثل هذا التسخين المفاجئ والعنيف قوى ضغط هائلة تؤدي إلى حدوث تفاعل متسلسل عبر طبقات المواد التي يمكن أن يحدث فيها الاندماج النووي ، مما يؤدي إلى إطلاق كميات هائلة من الطاقة. تتطلع HB11 Energy ومقرها أستراليا إلى التخلص من وصفة الديوتيريوم والتريتيوم التقليدية لصالح نهج غير مشع يتضمن الهيدروجين والبورون-بي 11.
بيليه صغير من وقود البورون الهيدروجينيوضع في كرة كبيرة ويضرب بواسطة ليزرين في وقت واحد لإطلاق تفاعل اندماجي يولد الكهرباء مباشرة دون استخدام التوربينات البخارية.
تدعي الشركة لتجنب العديد من المشاكل ،التي اتبعت الاندماج النووي لعقود من الزمن، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أنها لا تحاول تسخين وقودها إلى درجات حرارة عالية إلى حد الجنون. قام بتعريض كريات الوقود الخاصة به إلى اثنين من أشعة الليزر، أحدهما لإنشاء حقل حبس مغناطيسي والثاني لتحفيز تفاعل متسلسل من اندماج الهيدروجين والبورون الذي يخلق جسيمات يمكنها بدورها توليد تيار كهربائي.
وفقا للخبراء، هذا التيار يمكن أن يكون تقريبامباشرة إلى نظام الطاقة الحالي. لن تكون هناك حاجة لمولد توربين بخاري أو مبادل حراري، ولن يكون هناك خطر الانهيار. الفريق متفائل جدًا بشأن تقنيته ويقول إن تجاربه تظهر سرعة رد فعل أفضل بمليار مرة مما كان متوقعًا ويعتقد أن خطة التطوير الخاصة به ستكون أسرع وأرخص بكثير من الأساليب الأخرى.
الطاقة التي يتم إطلاقها نتيجة لذلكالتفاعل قادر على تسخين الوقود المحيط ، وإذا كانت درجة الحرارة مرتفعة بدرجة كافية ، فيمكنه أيضًا بدء تفاعل نووي حراري. الغرض من هذه التركيبات هو القدرة على تحقيق "احتراق" نووي حراري ، عندما تؤدي عملية إطلاق الحرارة إلى تفاعل ارتباط يؤثر على جزء كبير من الوقود. كرة الوقود النموذجية هي حجم رأس الدبوس وتحتوي على حوالي 10 ملليجرام من الوقود. من الناحية العملية ، يمكن استخدام جزء صغير فقط من هذا الوقود في تفاعل نووي حراري ، ولكن إذا تم استخدام كل هذا الوقود ، فإنه سيطلق طاقة مكافئة لحرق برميل من النفط.
قال ماثيو هولي: "هذا علم مثير للاهتمام".خبير الاندماج النووي وباحث في الجامعة الوطنية الأسترالية على دراية بـ HB11 والباحثين العاملين في المشروع في نيو أطلس - لكن لا أستطيع أن أقول أن هناك أدلة دامغة على أنه يمكنك تحويله إلى محطة طاقة على سطح الأرض. نطاق أسرع من ITER أو الحبس المغناطيسي الحلقي."
وفقا لهول، فإن المشكلة الرئيسية في هذاالنهج هو أن هذه التفاعلات تحدث في غمضة عين. لكي يتم تطبيق التكنولوجيا على محطة طاقة عملية، يجب أن تتطور من تفاعلات قصيرة المدى لمرة واحدة إلى شيء ينتج مصدرًا ثابتًا للطاقة، مثل النار المشتعلة.
Z- قرصة - الحصان الاسود
مثال آخر مثير للاهتمام للنهج بالقصور الذاتيالحصر في الاندماج النووي هو القرص Z. في أبحاث طاقة الاندماج، هو نوع من نظام حصر البلازما الذي يستخدم تيارًا كهربائيًا في البلازما لإنشاء مجال مغناطيسي يضغطها.
وبعبارة أخرى، بدلا من استخدامملفات مغناطيسية كبيرة ومعقدة لتثبيت تيارات البلازما في مكانها، وهو نهج يستخدم المجال الكهرومغناطيسي الذي يتم توليده داخل البلازما نفسها. يمكننا القول أن هذا هو الحصان الأسود في سباق الاندماج النووي. منذ ظهوره في الخمسينيات من القرن الماضي، وعد تأثير القرص بتكوين أبسط من التوكاماك أو النجوم. ولكن مثل هذه الأجهزة، فهي أيضًا تخضع لعدم الاستقرار في البلازما التي تمتد إلى ما وراء خطوط المجال المغناطيسي.
نظام الاستبقاء على شكل Z-pinch في جامعة واشنطن
توصل علماء من جامعة واشنطن إلى هذه الفكرةطريقة لتخفيف هذه المطبات عن طريق تعديل ديناميكا البلازما. في حين أن الحل الواعد لمشكلة الطاقة ، مثل نهج الليزر HB11 ، لا يزال Z-pinch يواجه تحديات كبيرة عندما يتعلق الأمر بتوصيل الطاقة المستمرة. المشكلة هي أنها أيضًا مندفعة في طبيعتها
ما هو الحد الأدنى؟
ITER = الحبس المغناطيسي الحلقيوتصميم التوكاماك هما الأكثر تقدمًا على الإطلاق. ومع ذلك، يستخدم الباحثون في مجال الاندماج النووي أساليب مختلفة، ولكل منها مزاياه وعيوبه. ولسوء الحظ، وبغض النظر عن النهج المتبع، فإن العملية لا تزال تتطلب طاقة أكبر مما تعود به. لكن حل هذه المشاكل الهندسية والفيزيائية لإنتاج طاقة نظيفة، رغم صعوبة الأمر بشكل لا يصدق، سيكون أحد أعظم إنجازات البشرية.
قراءة المزيد
تم إنشاء أول خريطة دقيقة للعالم. ما هو الخطأ مع أي شخص آخر؟
تم استخدام الأشعة تحت الحمراء من أيدي الإنسان للتشفير
حصل أورانوس على مكانة أغرب كوكب في المجموعة الشمسية. لماذا؟
Torus (حلقي) - حجميالشكل الناتج عن دوران الحلقة حول مركز الدوران. من الأمثلة الخشنة للحلقة دونات أو الخبز أو أنبوب دراجة تم إزالته من عجلة.