دراسة جديدة ترسم جدوى الاندماج النووي الاقتصادية

تعد طاقة الاندماج بمستقبل يتميز بطاقة شبه غير محدودة، تُولد مع تقليل التلوث إلى حدٍ شبه معدوم.

ذلك لأن الاندماج النووي، على عكس الطاقة النووية التقليدية، لا يستخدم أو ينتج عناصر مشعة ثقيلة مثل اليورانيوم أو البلوتونيوم أو الثوريوم. بل يحول الهيدروجين أو عناصر خفيفة أخرى إلى عناصر أثقل قليلًا وغير مشعة لتوليد الطاقة.

(يمكنك قراءة المزيد حول كيف يعمل الاندماج النووي في تقريرنا المتخصص حول هذا الموضوع)

كانت طاقة الاندماج في السابق مفهومًا شبه خياليًا علميًا، دائمًا ما يُقال إنها تبعد حوالي 30 سنة عن المستقبل. يتغير ذلك بسرعة، كما هو موضح في DOE Fusion Roadmap الذي نُشر مؤخرًا. تقترب العديد من الشركات التجارية من إنتاج أول مفاعل اندماج لها، وعلى وجه الخصوص Helion Energy و General Fusion (GFUZ ) , Proxima Fusion، و Commonwealth Fusion Systems.

مع ذلك، فإن النماذج الأولية التي لم تنتج بعد عوائد طاقة إيجابية لا تخبرنا كثيرًا عن ربحية مفاعلات الاندماج النووي في المستقبل. ليس فقط ضرورة تحقيق التقاط طاقة إيجابية، بل يجب أيضًا أخذ تكلفة العمالة والبحث والتطوير والمواد طوال عمر المفاعل في الاعتبار.

أجرى دراسة جديدة باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT – الولايات المتحدة) وRutherford Energy Ventures (شركة استثمار واستشارات تركز على تجاريّنة طاقة الاندماج النووي) تبحث في هذا السؤال بالذات. طوروا طريقة تقييم مستقلة عن القدرة المطلقة للمحطة، غير متحيزة لتفاصيل تقنية الاندماج الخاصة بها، ويمكن تطبيقها على أي مفهوم احتجاز للاندماج.

نشروا نتائجهم في مجلة طاقة الاندماج ¹، تحت عنوان “معايير الجدوى الاقتصادية لمحطات طاقة الاندماج”.

لا ربح بدون ربحية تشغيلية

في صميم ربحية محطات طاقة الاندماج المستقبلية تكمن قدرتها على توليد كهرباء بكمية أكبر مما تستهلكه لبدء الاندماج. يتم تحديد ذلك بواسطة “Lawson criterion”، وهو معيار رياضي غير متحيز بالنسبة لتقنية الاندماج المستخدمة.

محاكاةً لمعيار لوسون، تطور الدراسة ما يعادلها الاقتصادي، مع معدلات كسب وفقدان الطاقة مُطَبَّقة على سطح التحكم، حيث يتم استخراج الطاقة فعليًا.

تُحدد الاقتصاديات من خلال توازن فترات الكسب والخسارة الاقتصادية على مدى عمر محطة طاقة الاندماج. يُفترض أن للمحطة فترتان: واحدة لإنتاج الطاقة وأخرى لاستبدال المكونات على سطح التحكم.

لذلك، بينما يقيّم معيار لوسون ما إذا كان يتم إنتاج طاقة صافية، يحتاج عامل الكسب الاقتصادي Qecon في الدراسة إلى أن يكون أعلى من 1 لكي يكون للمحطة فرصة أن تكون قابلة للاستمرار.

«تحقيق هذا الحدّ ضروري، لكنه غير كافٍ لتحقيق الجدوى التجارية في الواقع لأن، بحكم التعريف، يمكن تضمين معظم التكاليف ولكن ليس جميعها في النموذج. ومع ذلك، بدون Qecon>1، لا توجد آفاق لعوائد صافية.»

عامل مهم آخر هو الربحية المحتملة لمحطة الاندماج، بما في ذلك تكلفة رأس المال، وسعر الطاقة، ومتانة المكونات، وعمر المحطة ككل، وغيرها.

المصدر: Journal of Fusion Energy

الحصول على المعايير الصحيحة

الجزء من الحساب الذي يقيس المال المتولد من المحطة بسيط نسبيًا.

يأخذ في الاعتبار إنتاج الطاقة الصافية، والذي يُنظر إليه في هذا السياق كمتوسط إنتاج الكهرباء طوال عمر المحطة. بينما يمكن استخدام الاندماج لأغراض أخرى مثل الحرارة الصناعية أو إنتاج الوقود، فإنها ليست الحالة الاستخدامية الرئيسية ولا السوق الأكبر.

ثم تُحوَّل هذه الطاقة الصافية إلى دولارات عبر «سعر الطاقة» بوحدة $/MWh. يمكن أن تشمل حسابًا بديلًا جميع المنتجات التي تبيعها محطة طاقة الاندماج، بما في ذلك منتجات سوق الطاقة (الكهرباء، الحرارة، الوقود) ومنتجات غير طاقة يمكن ربط سعرها بإنتاج الطاقة الصافية (منتجات التحويل، المياه المُحلاة، إلخ).

العنصر التالي هو عامل الاستخدام، الذي يأخذ في الاعتبار أن مكون السطح سيتطلب استبدالًا دوريًا بسبب الضرر الناتج عن الحرارة الشديدة والتفاعلات النووية.

من المتوقع حدوث ضرر أو اضطراب كبير على المستوى الذري نتيجة للجسيمات المشحونة عالية الطاقة أو الفوتونات أو النيوترونات غير المشحونة، مما يؤدي إلى تدهور تراكمى. كما أن تراكم الهيليوم، ناتج تفاعل الاندماج، يفرض تحديات على المكونات الصلبة.

يُقدَّر التدهور كحد أقصى لتدفق الطاقة الذي يمكن أن يمر عبر السطح.

«عند الوصول إلى هذا الحد، يصبح السطح غير عملي، ويجب إيقاف عمليات طاقة الاندماج، ويجب استبداله»

اقتصاديًا، تكلفة السطح، وكذلك الوقت المستغرق لإيقافه واستبداله، هما العاملان الأكثر تأثيرًا. عوامل مهمة أخرى ستكون تكاليف التأهيل خارج الموقع، والتركيب، والتخلص.

يجب الإشارة إلى أنه في معظم الحالات يُتوقع أن يكون الوقود جزءًا صغيرًا جدًا من إجمالي تكاليف التشغيل، مما يجعل اقتصاديات محطات الاندماج مشابهة لاقتصاديات محطات الطاقة النووية الانشطارية، ومختلفة جذريًا عن محطات الوقود الأحفوري.

تقنيات الاندماج المختلفة

ستظهر تقنيات الاندماج المختلفة تكاليف تشغيل مختلفة وستمتلك “مستهلكات” مختلفة إلى جانب الوقود النووي نفسه.

«الاندماج الانفعالي المدفوع بالليزر يتضمن هدفًا كرويًا وجهاز توصيله، بينما الاندماج بالقيادة غير المباشرة يشمل حجرة الهدف (hohlraum) التي تُستهلك بالكامل مع كل حدث اندماجي. في الاندماج المغناطيسي النبضي، يشمل ذلك هدف الوقود وأي أقطاب أو أسلاك تُستهلك عمدًا في نبضة أو عدد محدود من النبضات».

هذا يعني أن التقنيات المختلفة قد تمتلك اقتصاديات مختلفة جذريًا، حتى مع نجاح تقني مماثل في إنتاج صافي الطاقة. ستختلف بحسب تكلفة المواد الخام، صعوبة التصنيع وتكاليفه، تعقيد التركيب، المهارات التقنية المطلوبة من الطاقم، وسرعة استبدال السطح.

التمويل والاستهلاك

مثل أي محطات طاقة أخرى ومشاريع بنية تحتية كبرى، ستحتاج محطات الاندماج إلى تمويل، وسيجب على تدفقاتها النقدية تغطية تكلفة رأس المال.

هذا يعني وجود تكلفة ثابتة مرتبطة بسداد أصل القرض والفوائد للتمويل المستخدم في البناء والتسليم. قد تؤثر تغيّرات أسعار الفائدة بشكل كبير على اقتصاديات محطة الاندماج، ويمكن للدول التي تسهّل التمويل أن يكون لها تأثير كبير على الربحية النهائية.

بالإضافة إلى ذلك، ستكون هناك تكاليف ثابتة للتشغيل والصيانة (O&M) سنويًا مرتبطة بموظفي المحطة، والامتثال، والصيانة الروتينية خارج استبدال السطح.

يجب الإشارة إلى أن فئات معينة من التكاليف الأولية (مثل العبء التنظيمي، تكاليف التطوير) تم استبعادها افتراضيًا من هذا الإطار. ذلك لأن هذه التكاليف الأولية عادةً ما تصبح أقل أهمية نسبياً مع نضوج الصناعة، حيث الهدف هو تقييم ربحية الاندماج النووي على المدى الطويل، وليس للوحدات التجارية الأولى. لذا فإن الدراسة ستكون أكثر ملاءمة لمحطات الاندماج من نوع NOAK (Nth Of A Kind) أو عندما تُنتج التقنية على نطاق واسع، مقارنةً بالمشروعات/النماذج الأولية التجارية.

تقدير الربحية الفعلية لمحطات الاندماج

قد يكون من الصعب تقدير الاقتصاد الفعلي لمحطات الاندماج عندما تكون التقنية لا تزال في مرحلة تجريبية. لكن المقارنة يمكن أن تكون مفيدة.

على سبيل المثال، استخدم الباحثون صيغتهم الرياضية مع بعض الافتراضات:

• تم أخذ زمن الاستبدال 0.1 سنة (حوالي 5 أسابيع) من زمن إعادة تعبئة محطة طاقة انشطارية نمطي.
• من المتوقع أن تكون عمر المحطة عدة عقود، وفترة تمويل تتراوح بين 15 إلى 30 سنة.
• متوسط سعر التجزئة المعدل للتضخم للكهرباء في الولايات المتحدة خلال العقد الماضي هو 160 دولارًا/ميغافولت-ساعة.
• تم تقدير معدل الفائدة الحقيقي بنسبة 2 % استنادًا إلى هدف التضخم لمجلس الاحتياطي الفيدرالي الأمريكي.

بافتراض أن كثافة طاقة الاندماج تُعتبر عموماً عالية بما يكفي لتحقيق الجدوى الاقتصادية (2-5 ميغاواط/م²)، ينتج عن ذلك نتيجة مثيرة للاهتمام: نقطة التعادل تحدث عندما يتقاطع “Cnet” مع الصفر، أو عند كثافة طاقة الاندماج 1.9 ميغاواط/م².

المصدر: Journal of Fusion Energy

يجب الإشارة إلى أن هذا العتبة ثابتة بشكل ملحوظ. يتضح أن قيمة مماثلة قدرها 2 ميغاواط/م² هي المستوى المطلوب للربحية عند تعديل معلمات أخرى مثل كفاءة تحويل الطاقة أو تكلفة السطح.

المصدر: Journal of Fusion Energy

ثم ترتفع هذه الربحية بسرعة، قبل أن تستقر عند كثافة طاقة عالية جدًا، حيث يصبح استخراج الطاقة هو العامل المحدد، وليس إنتاجها. وبالتالي، ستحقق محطة الاندماج أقصى ربحية اقتصادية، حتى مع إنتاج “غير محدود” للطاقة.

«هذا يؤكد قوة استخدام نموذج اقتصادي “من أعلى إلى أسفل” كما تم تطويره هنا؛ وعلى الرغم من ضرورة تبسيطه، يبدو أنه نجح في التقاط القيد الكمي لتصميم كثافة طاقة الاندماج فيما يتعلق بجعل الاندماج اقتصاديًا قابلًا للتحقق».

تصميم مفاعل الاندماج من أجل المال

لفترة طويلة جدًا، بل لعقود، كان مفاعل الاندماج تحديًا علميًا وهندسيًا. وهذا يعني أن اقتصاديات المفاعل النهائي غالبًا ما لم تكن أولوية البحث والتطوير. ومع اقترابنا من الاستخدام التجاري، سيتغير ذلك.

للأسف، تجنبت الصناعة ومجتمع علم الاندماج السؤال إلى حد كبير حتى الآن.

“مع اقتراب مشاريع الاندماج أكثر من مشاريع محطات الطاقة التقليدية، من المؤسف وجود ما يُسمى بـ “التعتيم الذاتي” فيما يتعلق بفعالية التكلفة. سيكون من غير المقبول وجود عوامل عدم اليقين بمقدار 2-3 في نتائج علم الاندماج، لذا من غير الواضح لماذا تم قبول مثل هذه الدقة المنخفضة في حساب التكلفة.”

فئة من العوامل مثل تكلفة رأس المال، وأسواق الطاقة، وإلى حد ما حتى تكلفة البناء ستكون ذات تأثير في الواقع، لكنها خارجة عن سيطرة مصممي المفاعلات، لذا فهي أقل صلة من منظور التصميم واختيارات التقنية.

في المقابل، كثافة طاقة الاندماج، وكفاءة التحويل الصافية، وحجم السطح ومتانته هي أسئلة هندسية يمكن تحسينها.

عنصر آخر يجب أخذه في الاعتبار هو أن تحقيق أداء عالٍ للغاية في مجال واحد سيكون صعبًا، وقد يفرض تنازلات يمكن تجنبها. لذا فإن مزيجًا من النتائج “الكافية” في حلول هندسية متعددة من المرجح أن يحقق نتائج أفضل، وهي فكرة يمكن تمثيلها بصريًا.

“تشير الفحص البصري للمنحنيات إلى وجود مناطق من الإيزوكوانت حيث يصبح زيادة المخاطر التقنية غير مبررة لأن العوائد الاقتصادية تشبع.”

المصدر: Journal of Fusion Energy

ما الذي يجعل مفاعل الاندماج مربحًا؟

تظهر التحليلات بضع معايير قد تكون ضرورية لتحقيق الربحية الاقتصادية:

• وقت استبدال سطح الضرر الناتج عن الإشعاع أقل من ربع ^th من السنة، مع عدم تجاوز 5 أسابيع كخيار أفضل.
• تكاليف استبدال السطح أقل من 0.3 مليون دولار/م².
• تحسينات الائتمان مثل ضمانات القروض الحكومية، أو ائتمانات الضرائب الاستثمارية، أو عقود الفروقات ستعزز فعليًا الجدوى الاقتصادية دون تعديل معايير الهندسة.
• الموثوقية، لا سيما القليل أو عدم وجود أعطال غير مخطط لها، يمكن أن تولد عوائد إضافية من خلال توفير إمداد قابل للجدولة لشبكات الكهرباء. لذلك، فإن مفاعل الاندماج القابل للجدولة الذي يمكنه جدولة الانقطاعات خلال فترات انخفاض الأسعار سيكون أكثر ربحية.
• نهاية عمر محطات الطاقة قد تشمل تكاليف مثل التفكيك ومعالجة النفايات، ولكن أيضًا أرباحًا من قيمة الإنقاذ للمكونات القابلة لإعادة الاستخدام: مغناطيسات HTS، التوربينات، أنظمة التفريغ، الإلكترونيات الكهربائية، إلخ.

أحد الاستنتاجات الأخيرة لهذه الدراسة هو أنه مع تأثير معايير الهندسة المختلفة على الربحية بطرق متفاوتة، قد تكون تصاميم الاندماج المختلفة أكثر ملاءمة لبيئات اقتصادية مختلفة. على سبيل المثال، قد يفضّل ارتفاع تكلفة رأس المال مفاعلات رخيصة الإنتاج ولكن أغلى تشغيلًا، أو قد يفرض فائض الطاقة المتجددة قيمة أعلى للمفاعلات السهلة البدء والإيقاف مع صيانة مجدولة وموثوقية عالية.

الاستثمار في الاندماج النووي

General Fusion Group Ltd

بينما قد يصبح الاعتبار العام للربحية قريبًا the الاهتمام الرئيسي لصناعة الاندماج، لا يزال تحقيق إنتاج صافي للطاقة بنموذج تجاري هو الأولوية.

أصبح بإمكان المستثمرين الآن الوصول إلى شركات الاندماج النووي في السوق العامة منذ دمج SPAC لشركة General Fusion في يوليو 2026.

تسعى الشركة إلى تحقيق التحقق من الأنظمة والمكونات التجارية بحلول نهاية العقد الثاني من القرن الحالي، والبدء في بيع محطات تجارية في منتصف العقد الثالث.

المصدر: General Fusion

يجب أن يمنح الاختيار التكنولوجي وتصميم الاندماج المستهدف المغناطيسي من قبل General Fusion، نظريًا، ميزة، حيث يقدم توازنًا جيدًا في المتطلبات التقنية للحفاظ على ظروف الاندماج: مع كل من زمن احتجاز الطاقة المعتدل وكثافة البلازما.

بالنسبة لهذين المقياسين، فإن التقنيات المنافسة الرئيسية (الاحتجاز الانفعالي والاحتجاز المغناطيسي) تتجه كل واحدة نحو الطرف المتطرف، مما يجعل تحقيقها بشكل موثوق ورخيص أكثر تحديًا.

المصدر: General Fusion

يتيح ذلك لـ General Fusion تجنب المغناطيسات الفائقة التوصيل والليزر عالي الطاقة، بالإضافة إلى استخدام مواد موجودة لآلات متينة وإنتاج طاقة فعال من حيث التكلفة. قد يكون هذا التركيز على المكونات القائمة والكفاءة الاقتصادية، على المدى الطويل، أكثر أهمية من المعايير التقنية البحتة مثل إنتاج الطاقة الصافي.

طريقة عمله هي تشكيل تجويف داخل وعاء الاندماج. ثم يُحقن البلازما المغناطيسية في التجويف وتُضغط باستخدام معدن سائل.

الضغط والحرارة التي يولدها يشعلان الاندماج، مما ينتج حرارة إضافية يمكن استردادها لتوليد الطاقة. تُكرر العملية نفسها عدة مرات كل ثانية، ليس بخلاف المكابس في محرك الاحتراق، إلا أن الوقود هو الهيدروجين وعملية الاحتراق تُستبدل بالاندماج النووي.

المصدر: General Fusion

مع وجود 133 موظفًا فقط، لا تزال General Fusion شركة ناشئة تركز على البحث والتطوير والتقنية، وقد أجرت أكثر من 200,000 تجربة بلازما وتمتلك 210 براءات اختراع.

هذا ملف تعريف يحتاج المستثمرون إلى تذكره عند النظر في سهم الشركة، مع الكثير من النمو من تقييم لا يزال متواضعًا، ولكن أيضًا هناك الكثير من الأمور التي قد تسوء قبل منتصف الثلاثينيات.

لذلك يمكن لاحقًا أن يُكمل الاستثمار في الشركة استثمارات في تقنيات الاندماج الأخرى، بمجرد أن تقوم شركات مثل TAE Technologies بطرح أسهمها للاكتتاب العام (تستهدف TAE نهاية عام 2026)، وكذلك الاستثمار في تقنيات طاقة أخرى.

(يمكنك قراءة المزيد عن الاندماج النووي في تقريرنا المخصص حول هذه التقنية، وعلى طرح أسهم General Fusion في المقال الذي يغطي هذه الشركة على وجه الخصوص)

آخر أخبار وتطورات سهم General Fusion (GFUZ)

الدراسة المشار إليها

^{1. D. G. Whyte وآخرون، معايير الجدوى الاقتصادية لمحطات طاقة الاندماج. مجلة طاقة الاندماج. 10 يوليو 2026. المجلد 45، رقم المقال 49. https://doi.org/10.1007/s10894-026-00577-9}