الإعلان عن أول مشروع اندماج نووي تجاري

الاندماج، المصدر النهائي للطاقة

مع تزايد الحاجة إلى إمدادات طاقة مستقرة وموثوقة ورخيصة ومحايدة كربونًا، تركز الأنظار على الحلول النووية.

هذا يشمل الانشطار النووي، أي تقسيم الذرات الثقيلة مثل اليورانيوم والثوريوم أو البلوتونيوم. هذه التقنية تشهد عودة دراماتيكية على خلفية إلغاء محطات الفحم والغاز، على الرغم من الحاجة إلى توليد طاقة أساسية، وكذلك اتجاهات كهربة النقل والتدفئة والإنتاج الصناعي.

ومع ذلك، ليست خالية من المشكلات، حتى بالنسبة للجيل الرابع الأكثر تقدمًا من محطات الطاقة النووية. الأكثر بروزًا، لا يزال يتضمن التعامل مع مواد مشعة للغاية، وهو أمر لا يزال الجمهور يتحفظ عليه ولن يكون محايدًا بيئيًا تمامًا.

هذا هو السبب في أن العلماء يبحثون عن وعود الاندماج النووي، الذي يجمع الذرات مثل الهيدروجين، وهو الظاهرة نفسها التي تغذي الشمس.

المصدر: Nature

سوف يستخدم هذا وقودًا هو العنصر الأكثر وفرة في الكون وينتج فقط هيليوم أو ليثيوم غير ضار. كما سيكون قويًا بما يكفي لتوفير طاقة شبه لا نهائية، دون أي خطر من الانفجار أو تفاعل سلسلة غير محكم.

المشكلة هي أن إنتاج الظروف المطلوبة صعب للغاية لدرجة أن أي مفاعل اندماج لم يقترب حتى الآن من التسويق التجاري.

قد يتغير هذا خلال أقل من عقد، على الأقل وفقًا لشركة Commonwealth Fusion Systems (CFS). أعلنت الشركة مؤخرًا أنها تتجه نحو بناء أول مفاعل اندماج تجاري في فرجينيا.

مشروع مفاعل CFS

تسعى Commonwealth Fusion Systems إلى أن يولد مفاعل ARC الخاص بها 400 ميجاواط لشبكة الطاقة في فرجينيا، وهو ما يكفي لتزويد 150,000 منزل بالطاقة.

هذا تقدم جذري في مجال الاندماج النووي، حيث كان يُعتقد دائمًا أن أول مفاعل توسيع نطاق سيستغرق 20-30 سنة. حتى المشروع الدولي الضخم ITER (المفاعل التجريبي الحراري النووي الدولي) لا يُتوقع أن يكتمل قبل عام 2039.

بالمقارنة، من المخطط بناء مفاعل CFS في موقع تملكه شركة الطاقة Dominion (D ). يرون أنه قابل للتنفيذ في أوائل الثلاثينيات.

“تستفيد احتياجات عملائنا المتزايدة للطاقة الخالية من الكربون والموثوقة من تنوع أكبر قدر ممكن من خيارات توليد الطاقة، وفي هذا الروح، نحن سعداء بمساعدة CFS في جهودهم.”
Edward H Baine – رئيس Dominion

أنظمة الاندماج الكومنولثية

تقنية CFS

لفهم مدى واقعية هذا المشروع، نحتاج إلى النظر في تاريخ CFS. تم إنشاء الشركة من معهد MIT في عام 2018 وقد جمعت 2 مليار دولار منذ ذلك الحين، لا سيما من شركة النفط الإيطالية العملاقة إيني. تطور CFS مفاعل اندماج يعتمد على تصميم “التوكاماك الكلاسيكي”، الذي يشكل بلازما في شكل تورس (دائري).

المصدر: DOE

(يمكنك معرفة المزيد عن الاندماج النووي وتصاميم المفاعلات المختلفة في “Nuclear Fusion – The Ultimate Clean Energy Solution on the Horizon” والموصلية الفائقة في “Progress In Superconductivity Making Way For A New Technological Revolution“)

CFS تستخدم مغناطيسات فائقة التوصيل ذات درجة حرارة عالية (HTS) تم تطويرها بالتعاون مع MIT. سيتحكمون ويضغطون بلازما الديوتيريوم-تريتيوم لإنشاء الاندماج النووي.

بطانية سائلة “تلتقط” تلك الطاقة كحرارة، ثم تنقلها إلى الماء الذي يدير توربين بخاري لتوليد الطاقة. الديوتيريوم متوفر تقريبًا في كل مكان ويمكن استخراجه من مياه البحر، بينما بطانيات ARC ستنتج التريتيوم طبيعيًا.

في عام 2021، طورت مغناطيس HTS بقوة 20 تسلا, تحسينًا يتراوح بين 100 إلى 1000 مرة مقارنة بأداء المغناطيسات السابقة وأكبر مغناطيس تم بناؤه على الإطلاق.

هذه المغناطيسات الآن مُجمعة في تصميم جديد يحقق رقمًا قياسيًا يُدعى Central Solenoid Model Coil (CSMC). في عام 2024، نشرت الشركة أيضًا تقنيتها لكابل فائق التوصيل عالي الكثافة والذي يزود هذه المغناطيسات بالطاقة.

استخدام الوقود سيكون مدمجًا جدًا، كما هو الحال في جميع تقنيات الاندماج النووي:

“نظرًا لأن الكميات المطلوبة قليلة فقط، يمكن توصيل وقود ARC لمدة 30 سنة بشاحنة واحدة عند افتتاح محطة جديدة، دون مخاطر تغير الأسعار في المستقبل ولا ارتباط بسلاسل إمداد عالمية معقدة.”

السلسلة القادمة من المفاعلات

ستُستخدم مغناطيسات HTS لبناء SPARC, بهدف أن تكون أول مفاعل اندماج صافي الطاقة، أي أنها ستنتج طاقة أكثر من الاندماج مما تستهلكه عن طريق إشعال بلازما الهيدروجين.

يتم حاليًا بناء SPARC في حرم CFS بولاية ماساتشوستس، لكنه لم ينتج البلازما الأولى بعد.

المصدر: CFS

إذا سارت الأمور على ما يرام مع نموذج SPARC التجريبي، فإن ARC, الذي سيُبنى في فرجينيا, هو الخطوة التالية.

المصدر: CFS

بينما يهدف SPARC إلى اختبار التقنية، سيختبر ARC اقتصاديات التصميم. كل ARC سيكون بحجم متجر كبير تقريبًا مع احتياجات موقع مماثلة.

المصدر: CFS

تأييدات جادة

ليس CFS مدعومًا فقط من قبل Dominion وEni بل أيضًا من قبل وكالة الطاقة الذرية البريطانية، التي وقع معها اتفاقية تعاون لمدة خمس سنوات في عام 2022.

تم تمويل جهود البحث لـ CFS من خلال جوائز من مبادرتين تابعتين لوزارة الطاقة الأمريكية، وكالة أبحاث الطاقة المتقدمة (ARPA–E) وعلوم طاقة الاندماج (FES).

خبراء MIT أيضًا مشاركون عن كثب مع CFS:

“بينما كانت مهمة TFMC هي إظهار قوة ثابتة، كان على CSMC إظهار السرعة.

لقد لمست مئات الأيادي هذا الملف، من لحظة تصوره على لوحة التصميم إلى برنامج الاختبار الطويل والمعقد. كانت الابتكار والمثابرة والقلب الذي أظهره هذا الفريق المتماسك مثيرة للإعجاب بقدر الملف الذي نشأ من جهودهم.”

تيد جولفينوبولوس، أحد الباحثين الرئيسيين في MIT في مجال مفاعلات الاندماج.

تقييم CFS

إنجازات Commonwealth Fusion Systems في تقنية المغناطيسات من الطراز العالمي. قد يثبت الحجز المغناطيسي المستقر، المفهوم المركزي لمفاعل التوكاماك، أنه المفتاح المفقود لحل لغز الاندماج النووي.

على أي حال، ستكون تقنية ذات قيمة عالية، ليس فقط لتطبيقات الاندماج.

مع ذلك، لا يزال من المبكر قليلاً القول إلى أي مدى أهداف CFS والجدول الزمني متفائلان. الاندماج النووي مجال مليء بالنماذج الأولية الواعدة التي تبين أنها أقل استقرارًا أو إنتاجية مما كان متوقعًا.

لذا، من غير الواضح ما إذا كانت القوة الإضافية لمغناطيسات CFS كافية لإنتاج بلازما اندماج موثوقة ومربحة.

كمثال على القضايا المحتملة غير المحلولة، قد لا تكون البطانية المنتجة للتريتيوم داخل المفاعل منتجة أو متينة كما هو متوقع، حتى وإن سارت عملية توليد البلازما بسلاسة. جمع الطاقة وتحويلها إلى كهرباء دون إتلاف المفاعل على مدى عقود من التشغيل قد يكون أيضًا صعبًا.

ومع ذلك، فإن الثقة التي أظهرها CFS وDominion Energy تُظهر أن الاندماج النووي يحرز تقدمًا كبيرًا. بالتعاون مع الذكاء الاصطناعي القادر على تطوير مواد جديدة أو تثبيت البلازما في الوقت الحقيقي, قد نكون على بعد عقد إلى عقدين فقط من طاقة غير محدودة ورخيصة تمكننا فورًا من نشر التحلية، واستكشاف الفضاء، والزراعة الداخلية، وغيرها.

شركات الاندماج

حاليًا، لا توجد أي من الشركات المخصصة حصريًا لجعل الاندماج النووي تجاريًا مدرجة في البورصات. وهذا يشمل Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy, وNEO Fusion.

يمكنك العثور على قائمة شاملة للشركات الناشئة في مجال الاندماج النووي على صفحة Dealroom المخصصة.

مع ذلك، هناك شركة مدرجة في البورصة نشطت في مجال الاندماج، مع تحويل مفهومها من إنتاج الطاقة إلى الدفع الفضائي: Lockheed Martin (LMT ).

شركة لوكهيد مارتن

استثناء ملحوظ من هيمنة الشركات الناشئة الخاصة على المجال هو الشركة المتداولة علنًا Lockheed Martin Corporation, عملاق صناعة الدفاع.

عملت لوكهيد منذ أوائل العقد 2010 على Compact Fusion, مفاعل اندماج نووي توقع أن يكون جاهزًا بحلول العقد 2020. ومع ذلك، تم الإعلان لاحقًا أن العمل على المشروع توقف في عام 2021.

كانت الشركة متحفظة جدًا بشأن هذا المشروع منذ الإعلان العام الأولي. وحتى اليوم، لا يزال غير واضح ما الذي قد دفع الشركة إلى التخلي عن الفكرة.

في الوقت نفسه، يبدو أنها لم تتخلى تمامًا عن المفهوم، لا سيما مع الاستثمارات في عام 2024 في Helicity، شركة ناشئة تطور محرك اندماج.

الفكرة هي دفع المركبات الفضائية بانفجارات قصيرة من الاندماج. تخطط Helicity لاستخدام مسدس بلازما، وهو النهج نفسه الذي تتبعه General Fusion. من المحتمل أن نتائج لوكهيد الداخلية أظهرت أن تصميمها لا يمكنه الحفاظ على الاندماج بطريقة تتوافق مع إنتاج الطاقة.

لكن ربما، في الوقت نفسه، هل الانفجارات القصيرة كافية لتلبية الحاجة إلى الدفع في الفضاء وتقترب أكثر من أن تصبح منتجًا فعليًا؟ كما أنها ستكون أكثر توافقًا مع ملف الشركة العام الذي يركز على الفضاء والدفاع.

يمكنك معرفة المزيد عن لوكهيد، بما في ذلك نشاطها الرئيسي في تصنيع الأسلحة، في تقرير مخصص من نوفمبر 2024.