ما هو الاندماج النووي وهل سينقذ الكوكب من أزمة المناخ

ما هو الاندماج النووي؟

الاندماج النووي (في هذه الحالة نحن نتحدث عن الاندماج الحراري النووي) هو رد فعل

اندماج النوى الذرية الخفيفة في نوى أثقل ،تحدث في درجات حرارة عالية جدًا ويصاحبها إطلاق كميات هائلة من الطاقة. مثل هذا التفاعل هو عكس انشطار الذرات: في الحالة الأخيرة ، يتم إطلاق الطاقة بسبب انقسام النوى الثقيلة إلى نوى أخف.

وفقًا للفيزياء الفلكية الحديثةمن المفاهيم ، المصدر الرئيسي لطاقة الشمس والنجوم الأخرى هو الاندماج النووي الحراري الذي يحدث في أعماقها. في ظل الظروف الأرضية ، يتم تنفيذه بانفجار قنبلة هيدروجينية. الاندماج النووي الحراري مصحوب بإطلاق هائل للطاقة لكل وحدة كتلة من المواد المتفاعلة (حوالي 10 ملايين مرة أكثر من التفاعلات الكيميائية). لذلك ، من المهم إتقان هذه العملية ، وعلى أساسها ، إنشاء مصدر طاقة رخيص وصديق للبيئة. ومع ذلك ، على الرغم من حقيقة أن الفرق العلمية والتقنية الكبيرة في العديد من البلدان المتقدمة منخرطة في أبحاث حول الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة (CTF) ، لا تزال هناك العديد من المشكلات المعقدة التي يتعين حلها قبل أن يصبح الإنتاج الصناعي للطاقة النووية الحرارية حقيقة واقعة.

محطات الطاقة النووية الحديثة باستخدام العمليةالانشطار ، يفي جزئيا فقط باحتياجات الكهرباء في العالم. تعمل العناصر المشعة الطبيعية اليورانيوم والثوريوم كوقود لها ، وفرة واحتياطيات الطبيعة محدودة للغاية ؛ لذلك تواجه العديد من الدول مشكلة استيرادها. المكون الرئيسي للوقود النووي الحراري هو نظير الهيدروجين الديوتيريوم ، الموجود في مياه البحر. احتياطياتها متاحة بشكل عام وكبيرة جدًا (يغطي المحيط العالمي حوالي 71 ٪ من مساحة سطح الأرض ، ويمثل الديوتيريوم حوالي 0.016 ٪ من إجمالي عدد ذرات الهيدروجين التي تشكل الماء).

بالإضافة إلى توافر الوقود ، تتمتع مصادر الطاقة النووية الحرارية بالمزايا الهامة التالية على محطات الطاقة النووية:

  • يحتوي مفاعل CTS على مواد مشعة أقل بكثير من مفاعل الانشطار النووي ، وبالتالي فإن عواقب الإطلاق العرضي للمنتجات المشعة أقل خطورة ؛
  • تولد التفاعلات النووية الحرارية نفايات مشعة طويلة العمر ؛
  • يسمح TCB بالتوليد المباشر للكهرباء.

يعتمد التنفيذ الناجح لتفاعل الاندماج على خصائص النوى الذرية المستخدمة وإمكانية الحصول على بلازما كثيفة ذات درجة حرارة عالية ، وهو أمر ضروري لبدء التفاعل.

كيف يتم إطلاق الطاقة أثناء الاندماج؟

إطلاق الطاقة أثناء الاندماج النووي بسببقوى جذب شديدة للغاية تعمل داخل القلب ؛ تعمل هذه القوى على تماسك البروتونات والنيوترونات التي تشكل النواة. إنها شديدة جدًا وتتحلل بسرعة كبيرة مع المسافة. بالإضافة إلى هذه القوى ، فإن البروتونات موجبة الشحنة تخلق قوى طاردة للكهرباء الساكنة. إن نصف قطر عمل القوى الكهروستاتيكية أكبر بكثير من القوى النووية ، لذلك تبدأ في السيادة عند إزالة النوى من بعضها البعض.

في ظل الظروف العادية ، الطاقة الحركية للنواةذرات الضوء أصغر من أن تتغلب على التنافر الكهروستاتيكي ، يمكنها الاقتراب والدخول في تفاعل نووي. ومع ذلك ، يمكن التغلب على التنافر بالقوة "الغاشمة" ، على سبيل المثال ، عن طريق اصطدام النوى بسرعة نسبية عالية.

لماذا يقوم العلماء بالاندماج النووي؟

الباحثون يطورون نووي حراريمفاعل قادر على توليد طاقة أكثر مما يستهلك ، أظهر في سلسلة من الأعمال الحديثة أن تصميماته يجب أن تعمل ، واستعادة التفاؤل بأن هذا المصدر النظيف غير المحدود للطاقة سيساعد في التخفيف من أزمة المناخ

مجموعة من الباحثين من ولاية ماساتشوستسأعلن معهد التكنولوجيا (MIT) ومعاهد أخرى أن مفاعل الاندماج المدمج SPARC سيعمل في الواقع. على الأقل من الناحية النظرية ، كما يزعمون في سلسلة من الدراسات المنشورة مؤخرًا.

ويشير الفريق إلى أنه خلال مراحل التخطيط لالم يتم العثور على عقبات أو مفاجآت غير متوقعة. جاء ذلك في سبع مقالات كتبها 47 باحثًا من 12 مؤسسة علمية مختلفة.

على الرغم من أن المفاعل الجديد لا يزال في مرحلة مبكرةفي مرحلة التطوير ، يأمل العلماء أن تتمكن بحلول نهاية العقد من البدء في إنتاج الكهرباء. قال مارتن غرينوالد ، أحد كبار العلماء في المشروع ، لصحيفة الغارديان إن الدافع الرئيسي لجدول زمني طموح هو تلبية احتياجات الطاقة في بيئة دافئة. وقال: "يبدو الاندماج كأحد الحلول الممكنة للخروج من كارثة المناخ الوشيكة".

ما هي مشكلة الاندماج وكيف يمكن أن يساعد الكوكب؟

الاندماج النووي ، وهي عملية فيزيائيةيحدث تزويد الشمس بالطاقة عندما تتصادم الذرات معًا في درجات حرارة وضغوط عالية للغاية ، مما يؤدي إلى إطلاق كميات هائلة من الطاقة عن طريق الاندماج مع الذرات الثقيلة.

منذ اكتشافه لأول مرة في الماضيفي القرن الماضي ، سعى العلماء إلى استخدام الاندماج الحراري النووي ، وهو شكل كثيف للغاية من الطاقة ، ووقوده - نظائر الهيدروجين - وفير ومتجدد. علاوة على ذلك ، لا ينتج الاندماج غازات الاحتباس الحراري أو الكربون ، وعلى عكس مفاعلات الانشطار النووي ، لا ينطوي على مخاطر الانصهار.

ومع ذلك ، فإن استخدام هذا الشكل من الطاقة النوويةثبت أنه صعب للغاية لأنه يتطلب تسخين "حساء من الجسيمات دون الذرية" - البلازما ، لمئات الملايين من الدرجات - ساخنًا جدًا لأي حاوية. للتغلب على هذا ، صمم العلماء حجرة على شكل كعكة دائرية ذات مجال مغناطيسي قوي يمر عبرها ، تسمى توكاماك ، والتي تثبت البلازما في مكانها.

ما الذي يتم تطويره بالفعل؟

علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجياوبدأت شركة كومنولث فيوجن سيستمز التابعة لها في تصميم مفاعل جديد ، أكثر إحكاما من سابقاتها ، في أوائل عام 2018 ، على أن يبدأ البناء في النصف الأول من العام المقبل. إذا سار جدولهم الزمني وفقًا للخطة ، يمكن لمفاعل يسمى Sparc أن ينتج الكهرباء للشبكة بحلول عام 2030 ، وفقًا للباحثين ومسؤولي الشركة. سيكون هذا أسرع بكثير من مبادرات طاقة الاندماج الرئيسية الحالية.

تصميمات المفاعل الحالية كبيرة جدًاوالطرق لتوليد الكهرباء بالفعل للمستهلكين. باستخدام مغناطيسات فائقة القوة ومتطورة ، يأمل فريق MIT و Commonwealth Fusion في إنشاء مفاعل توكاماك مدمج وفعال وقابل للتطوير. قال غرينوالد: "ما فعلناه حقًا هو الجمع بين العلم الحالي والمواد الجديدة لفتح إمكانيات جديدة هائلة".

بعد إثبات أن جهاز Sparcيمكن نظريًا إنتاج طاقة أكثر مما هو مطلوب للتشغيل ، في الأوراق البحثية المنشورة في سبتمبر ، فإن الخطوة التالية هي بناء مفاعل ثم محطة تجريبية لتوليد الكهرباء على الشبكة.

كل مزايا وعيوب الاندماج النووي

لطالما وعد العلماء ورجال الأعمال بذلكأصبح الاندماج النووي الحراري قاب قوسين أو أدنى ، لكنه واجه مشاكل لا يمكن التغلب عليها. وقد تسبب هذا في إحجام عن الاستثمار فيه ، خاصة وأن مصادر الطاقة المتجددة والطاقة الشمسية وغيرها من مصادر الطاقة المتجددة ، على الرغم من أنها أقل قوة من الاندماج ، أصبحت أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.

لكن الوضع يتغير.في خطة بايدن التي تبلغ تكلفتها 2 تريليون دولار ، وصف التكنولوجيا النووية المتقدمة بأنها جزء من استراتيجية إزالة الكربون. دعم الديمقراطيون الطاقة النووية لأول مرة منذ عام 1972. كما تأتي استثمارات كبيرة من مصادر خاصة ، بما في ذلك بعض شركات النفط والغاز الكبيرة ، التي ترى الاندماج موطئ قدم أفضل على المدى الطويل من الرياح والشمس.

وفقًا لبوب مومغارد ، المدير التنفيذيمدير كومنولث فيوجن ، الهدف ليس استخدام الاندماج لاستبدال الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ، ولكن لاستكمالهما. قال "هناك أشياء سيكون من الصعب القيام بها فقط مع مصادر الطاقة المتجددة ، على نطاق صناعي ، على سبيل المثال ، بقوة المدن الكبيرة أو التصنيع" "هذا هو المكان الذي يمكن أن يكون التوليف فيه مفيدًا."

مجتمع البلازما ككل متحمس لتقدم Sparc ، على الرغم من أن البعض يشكك في الجدول الزمني الطموح بالنظر إلى العقبات التقنية والتنظيمية.

دانيال جيسبي ، 25 عامًا من البحث العلميزميل في مختبر برينستون لفيزياء البلازما ، متشكك فيما إذا كان مفاعل الاندماج مثل SPARC يمكن أن يصبح مصدر طاقة بديل محتمل. وقال إن التريتيوم ، وهو أحد نظائر الهيدروجين التي ستستخدمها سبارك كوقود ، لا يوجد في الطبيعة ويجب إنتاجه.

فريق ماساتشوستس التكنولوجييفترض المعهد أن هذه المادة سيتم تجديدها باستمرار عن طريق تفاعل التوليف نفسه. لكن جيسبي يعتقد أن هذا سيتطلب كمية هائلة من الكهرباء ، مما يجعل المفاعل باهظ التكلفة. ويخلص إلى أنه "عندما تعتقد أننا نحصل على الطاقة الشمسية وطاقة الرياح مجانًا ، سيكون من الحماقة الاعتماد على تفاعل الاندماج".

قراءة المزيد

البحث: لن يتمكن البشر من التحكم في آلات الذكاء الاصطناعي فائقة الذكاء

الإجهاض والعلم: ماذا سيحدث للأطفال الذين سينجبون

شاهد أجمل صور هابل. ما الذي شاهده التلسكوب خلال 30 عامًا؟