الاندماج النووي – الحل النهائي للطاقة النظيفة في الأفق

قوة النجوم

Nuclear power has a bad reputation with many people. It is partly justified, with disasters like Chernobyl or Fukushima having stained its reputation.

يملك الكثير من الناس سمعة سيئة للطاقة النووية. وهذا مبرر جزئيًا بسبب الكوارث مثل تشيرنوبيل أو فوكوشيما التي شوهت سمعتها.

يملك آخرون رأيًا معاكسا، معتبرين أن أي شيء أقل من انقسام الذرات هو طريقة بدائية وغير فعّالة لإنتاج الطاقة. كما يشيرون إلى الانبعاثات الكربونية المنخفضة والطاقة الأساسية المستقرة للغاية التي يمكن للطاقة النووية توفيرها.

من المحتمل أن تكون الطاقة النووية جزءًا من مزيجنا المستقبلي للطاقة, especially as الجيل الرابع من المفاعلات النووية يبدأ في العمل, which will be cleaner, safer, and more efficient.

ومع ذلك، تعتمد جميع هذه المفاعلات على مفهوم الانشطار النووي. فهي تأخذ ذرات ثقيلة جدًا مثل اليورانيوم أو الثوريوم أو البلوتونيوم، وتستخلص الطاقة عندما تنقسم إلى عناصر أخف.

شكل آخر من الطاقة النووية هو fusion. يعتمد على أخذ عناصر خفيفة جدًا وجعلها تندمج لتصبح أثقل.

الاندماج النووي هو حرفيًا ما يمد الكون بالطاقة، فكل نجم هو مفاعل اندماج نووي هائل. كل ثانية، الشمس تستهلك 600 مليون طن من الهيدروجين. وللتوضيح، يعني هذا أن الشمس تستهلك كمية من الهيدروجين تعادل كتلة الأرض بأكملها كل 70,000 سنة.

ومن المضحك أن هذا يعني أن الطاقة الشمسية (وكذلك طاقة الرياح والكتلة الحيوية وحتى الوقود الأحفوري في النهاية) هي في الواقع مجرد طاقة اندماج نووي (من الشمس)، فقط مع خطوات إضافية.

لذلك، إذا استطعنا تكرار جزء صغير فقط من ذلك على الأرض، فسنتمكن من الحصول على إمداد طاقة شبه غير محدود. وعلى عكس اليورانيوم أو الثوريوم، اللذين هما نادران نسبيًا، فإن الهيدروجين يشكل 74٪ من كل المادة المتاحة في الكون.

الانشطار مقابل الاندماج

عندما نحرق جزيئات مثل الغاز الطبيعي أو النفط، نطلق الطاقة المخزنة في الروابط الكيميائية للجزيء. هذه طاقة مرتفعة إلى حد ما لكنها لا تقارن بالمستوى نفسه للطاقة المخزنة في الذرات نفسها.

لهذا السبب 1 كغ من اليورانيوم يحتوي على نفس كمية الطاقة التي تحتويها 2.7 مليون كغ من الفحم. والهيدروجين، عند خضوعه للاندماج، يكون أكثر قوة.

عند مناقشة الطاقة النووية، قد يكون من المربك فهم لماذا يمكن الحصول على الطاقة من كل من الاندماج والانشطار.

السبب هو أن الطاقة المخزنة في نواة الذرة تختلف حسب وزن العنصر. نوى العناصر الثقيلة تحتوي على طاقة أكثر من نوى العناصر المتوسطة الوزن، لذا عندما تنقسم، تُطلق جزءًا من تلك الطاقة على شكل حرارة وإشعاع. هذه الحرارة هي ما نجمعه لإنتاج الطاقة في محطات الطاقة النووية.

لكن العناصر الخفيفة جدًا أكثر طاقة. لذا عندما نجمعها لتصبح عناصر متوسطة الوزن، تُطلق طاقة أكبر.

المصدر: Nature

وبالتالي، يمكن للاندماج النووي أن ينتج طاقة تعادل 3-10 أضعاف ما ينتجه انقسام الذرات.

وبالاشتراك مع الوفرة الهائلة لأخف عنصر ممكن، وهو الهيدروجين، يجعل هذا نظريًا الاندماج النووي مصدرًا للطاقة غير المحدودة، يقتصر فقط على إجمالي كمية المادة في الكون بأكمله.

حتى في النظام الشمسي، تحتوي الكواكب الغازية وسحب المذنبات على كمية هيدروجين هائلة تفوق كتلة الأرض بأكملها.

في الواقع، حتى إذا استخدمت حضارة بشرية استهلاك طاقة يساوي ألف مرة استهلاكنا الحالي، فلن تنفد الوقود أبدًا.

والأفضل من ذلك، أن المنتج الناتج عن اندماج الهيدروجين، وهو الهيليوم، هو غاز غير سام وخفيف وغير تفاعلي كيميائيًا. لذا لا توجد نفايات نووية ضارة للتعامل معها بعد انتهاء العملية.

الاندماج صعب

لماذا لم نتمكن بعد من تزويد حضارة الإنسان بالطاقة عبر الاندماج النووي؟

حسنًا، السبب هو أن الاندماج النووي صعب التحقيق. نوى ذرات الهيدروجين تحمل شحنة كهربائية موجبة وتتنافر طبيعيًا. لذا قد يكون من الصعب جدًا تقريبها من بعضها البعض للاندماج، مثل مغناطيسين فائقين القوة يتنافران.

في الطبيعة، لا تكون قوة الجاذبية الهائلة لنجم كامل كافية لدفع ذرات الهيدروجين لتقترب بما يكفي لتشغيل الاندماج. حتى شيء كبير مثل المشتري لا يزال “صغيرًا جدًا” لتحقيق ذلك.

لذلك، جعل ذرات الهيدروجين تقترب من بعضها على الأرض أمر صعب جدًا.

ومع ذلك، تم ذلك لأول مرة في الخمسينات بواسطة آلة اندماج. أظهرت هذه الآلات إمكانية إنشاء الاندماج لكنها فشلت في إرجاع طاقة كافية مقارنة بالطاقة المستخدمة لتشغيل الاندماج.

(تقنيًا، تم تحقيق الاندماج النووي على نطاق واسع في عام 1952 مع أول قنبلة حرارية نووية، لكن هذه ليست تقنية قابلة للاستخدام لإنشاء إمداد طاقة آمن.)

مشكلة أخرى في الاندماج هي أن بلازما الاندماج النووي شديدة الحرارة، عادةً فوق 100 مليون درجة مئوية. لذا يجب احتواؤها بشكل كامل وإلا ستذيب المفاعل.

نظرًا لكل هذه المشكلات التي يجب حلها، كان الاندماج النووي مجالًا يتقدم ببطء، مع التعليق الساخر “الاندماج دائمًا 30 سنة في المستقبل“.

استبدال الجاذبية

هذه المشكلة المتعلقة بإنشاء طاقة كافية من الاندماج مقارنةً بالطاقة المستخدمة لتشغيل تفاعل الاندماج النووي هي مشكلة متكررة في المجال. نظرًا لصعوبة تحقيق الاندماج، فإن ضغط حتى عدد قليل من ذرات الهيدروجين يتطلب طاقة هائلة.

تم اقتراح عدة طرق حتى الآن.

كل منها تم إثبات فعاليته، بمعنى أنه يسبب اندماج الهيدروجين أو عناصر خفيفة أخرى لتصبح عناصر أثقل وتطلق طاقة.

التوكاماك

تخلق مفاعلات الاندماج مساحة على شكل دونات باستخدام الحقول المغناطيسية، حيث يمكن احتواء بلازما الاندماج النووي.

هذا هو حاليًا أحد التصاميم التي يُعتقد أن لديها أعلى فرصة لتصبح مفاعل اندماج تجاري. تم بناء أول توكاماك في عام 1958 وهو المفهوم الأساسي لـ ITER (المفاعل التجريبي الدولي للاندماج الحراري)، وهو أكبر جهد بحثي لتطوير الاندماج التجاري، مع مشاركة تقريبًا جميع الدول المتقدمة تكنولوجيًا في المشروع.

المصدر: DOE

مع ذلك، كان ITER مشروعًا متعثرًا مع تأخيرات كبيرة. مؤخرًا، تم الإعلان أن التفاعلات المنتجة للطاقة قد لا تحدث قبل عام 2039.

مفاعلات الاندماج المغناطيسية الأخرى

إلى جانب التوكاماك، تستخدم تصاميم أخرى المغناطيسات لضغط البلازما واحتوائها. وهذا يشمل الستيلاريتور، السفيروماك، والطوريات المدمجة.

في المفاعل النجمي، يكون شكل الدونات غير منتظم/مُلتوي. نظريًا، يمكن أن يسمح بمدة أطول لتفاعلات الاندماج وبلازما أكثر استقرارًا. عمليًا، من الصعب جدًا بناؤه وقد اعتُبر أصعب من التوكاماك. هذا المستوى الإضافي من التعقيد جعل نمذجته على الحاسوب صعبًا جدًا، مما يجعل التنبؤ به أصعب وتكلفة بنائه أعلى.

السفيروماك مشابهة للتوكاماك لكنها تختلف إلى حد ما في طريقة توليد الحقل المغناطيسي.

الطوريات المدمجة تحاول إنشاء الاندماج دون ملف مغناطيسي في مركز الطور (شكل الدونات)، مما يقلل الحاجة إلى مغناطيسات معقدة.

الليزر

بدلاً من ضغط ذرات الهيدروجين معًا باستخدام مغناطيس، يحاول نهج آخر يستخدم الليزر جعلها ساخنة جدًا لتصطدم ببعضها، مما يخلق فورًا موجات صدم تدفع ذرات الهيدروجين معًا.

مثال جيد هو المرفق الوطني للإشعال في الولايات المتحدة (NIF)، الذي يوجه ويضخم ويعكس ويركّز 192 شعاعًا ليزريًا قويًا إلى هدف بحجم ممحاة قلم رصاص. هذا يوفّر 500 تريليون وات من القدرة القصوى في نقطة واحدة.

المصدر: Britannica

هذا هو التصميم الرئيسي الآخر الذي يُنظر إليه على أنه قد يقدم يومًا ما اندماجًا تجاريًا قابلاً للتطبيق.

يواجه الاندماج القائم على المغناطيسات صعوبات في الرياضيات المعقدة وعلوم مواد الموصلات الفائقة. بينما يواجه الاندماج الناتج عن الليزر صعوبات في توصيل الطاقة بشكل صحيح والحفاظ على كثافة الوقود وتجانسه بما يكفي لحدوث الاندماج.

الدفع الكهربائي

طريقة أخيرة محتملة لتحقيق الاندماج صناعيًا هي استخدام التيارات الكهربائية لتوليد الحقل المغناطيسي الذي يضغط البلازما أكثر، أو الاندماج المستهدف المغنطَس (MTF).

إحدى هذه الطرق هي Z-pinch، وطريقة أخرى تستخدم مكابس هوائية وضخ البلازما. قد يتمكن مسرّع الجسيمات أيضًا من تحقيق نفس المبدأ.

المصدر: IEEE

بشكل عام، تميل هذه التصاميم إلى أن تكون أكثر تجميعًا من الاندماج القائم على التوكاماك أو الليزر.

ومن الجدير بالذكر أن هذه الطريقة هي المفضلة لدى شركات الاندماج الخاصة مثل General Fusion وHelion.

خطوات نحو الاندماج التجاري

العائدات

كما تم شرح ذلك أعلاه، لا يزال الاندماج مجالًا تجريبيًا إلى حد كبير، دون مسار واضح نحو تصميم تجاري قابل للتطبيق حتى الآن.

بشكل عام، يتحسن عائد مفاعلات الاندماج، مما يعني أنها تبدأ تدريجيًا في إنتاج طاقة اندماج أكبر من الطاقة التي تُحقن فيها لتشغيل الاندماج.

في عام 2022، أعلن الباحثون في المرفق الوطني للإشعال بالولايات المتحدة أنهم “أنشأوا تفاعلًا ينتج طاقة أكثر مما أدخلوه“.

في الواقع، هذا الادعاء مضلل قليلًا: التصميم المدعوم بالليزر قدم بالفعل 2.05 ميغاجول من الطاقة وخلق 3 ميغاجول من الطاقة عبر الاندماج.

هذا يتجاهل حقيقة أن إنشاء 2.05 ميغاجول من الليزر استهلك كمية إجمالية من الكهرباء تعادل 322 ميغاجول من الطاقة لإنشاء هذه الأشعة الليزرية. لذا في الواقع، ما يزال إجمالي العائد الطاقي أصغر بـ 100 مرة من المطلوب لجعله “عائدًا إيجابيًا حقيقيًا” بهذا النموذج. وحتى أقل من ذلك في الواقع لأن ليس كل الحرارة المتولدة يمكن تحويلها مرة أخرى إلى طاقة.

مع ذلك، يُعد هذا إنجازًا مهمًا وعلامة فارقة مثيرة للإعجاب.

استقرار البلازما ومدة التفاعل

الجزء الأساسي سيكون تقييم حالة تفاعل الاندماج المستدام ذاتيًا، حيث تكون الطاقة المتحررة السابقة كافية لتشغيل المزيد من الاندماج. حتى وقت قريب، استمرت تفاعلات الاندماج في أفضل الأحوال بضع عشرات من الثواني. في مفاعل تجاري مستقبلي، قد تستمر هذه التفاعلات لعشرات الدقائق أو حتى الساعات، بفضل بلازما أكثر استقرارًا.

قد يكون هذا أقرب مما توقع الكثيرون، مع سجل جديد لتفاعل اندماج استمر 6 دقائق كاملًا تم تحقيقه بواسطة جهاز WEST (بيئة التنجستين (W) في توكاماك ثابت) في فرنسا.

هذا يوضح كيف يمكن لاستخدام المواد المتقدمة مثل التنجستين أن يمهد الطريق لتحسين جذري مقارنةً بتصاميم مفاعلات الاندماج التقليدية. يمكنك قراءة المزيد عن التنجستين وفرص الاستثمار النادرة في هذا القطاع في مقالتنا “التنجستين – المعدن السري عالي التقنية“.

الموصلات الفائقة الرخيصة

هذه الخطوة ضرورية خاصةً لتصاميم مفاعلات الاندماج القائمة على المغناطيس، وكذلك للأنواع الأخرى، حيث تتطلب مستويات الطاقة عادةً استخدام مواد موصلات فائقة في مكان ما من النظام.

لحسن الحظ، تتطور الموصلات الفائقة الأفضل، أو حتى تقنية الموصل الفائق في درجة حرارة الغرفة، بسرعة. يمكنك قراءة تفاصيل هذا الموضوع في مقالتنا “التقدم في الموصلية الفائقة يمهد الطريق لثورة تكنولوجية جديدة“.

الذكاء الاصطناعي

البلازما حالة مادة معقدة للغاية، مختلفة جدًا عن الحالات الثلاث الأخرى (الصلبة، السائلة، الغازية). إنها شديدة الحرارة، وعموماً تصبح غير مستقرة بسرعة.

البلازما غير المستقرة تميل إلى عدم البقاء محتواة لفترة طويلة في المفاعل، مما يقطع عملية الاندماج النووي.

للتعويض، تحاول مغناطيسات المفاعل النووي تثبيت البلازما باستمرار، من خلال تعديل المجال المغناطيسي في الوقت الفعلي. الرياضيات المرتبطة بها معقدة بشكل مذهل، وحتى الحواسيب الفائقة قد تواجه صعوبة في معالجتها، خاصة إذا كان عليها تنفيذها بسرعة لتوجيه التفاعل الصحيح إلى مغناطيس المفاعل.

قد يتغير هذا بفضل التقدم في الذكاء الاصطناعي، كما أبلغنا في مقالة حديثة. هناك، شرحنا كيف تعلم الذكاء الاصطناعي التنبؤ بظهور عدم الاستقرار في البلازما قبل 300 مللي ثانية.

«لم نعد بحاجة إلى الانتظار حتى تحدث عدم الاستقرار ثم اتخاذ إجراء تصحيحي سريع قبل أن تتعطل البلازما»

السلامة

الاندماج النووي أكثر أمانًا بطبيعته من الانشطار النووي. يتوقف تفاعل الاندماج تلقائيًا عندما تتمدد البلازما، مما يعني عدم وجود أي خطر من تفاعل سلسلة غير متحكم فيه.

ومع ذلك، قبل أن يصبح مصدر طاقة على نطاق واسع، سيظل الاندماج النووي بحاجة إلى معالجة بعض قضايا السلامة:

• العديد من تصاميم المفاعلات تستخدم التريتيوم، حيث إن هذه التفاعلات الاندماجية أسهل في التحفيز من اندماج الديوتيريوم-ديوتيريوم. ومع ذلك، التريتيوم مشع، لذا قد يؤدي أي فشل في المفاعل إلى تلوث إشعاعي (صغير).
• عدم استقرار البلازما والفيزياء عالية الطاقة تحمل خطرًا جوهريًا. الحفاظ على سلامة المشغلين وسلامة المفاعل خلال عمليات إنتاج الطاقة المستمرة سيتطلب إجراءات سلامة جيدة وربما تحسين التصميم.
• الاندماج النووي ينتج أحيانًا نيوترونات، والتي ستتحول ببطء جدار المفاعل إلى نفايات مشعة. وعلى الرغم من صغر حجمها، سيتعين معالجة هذه النفايات بشكل صحيح في نهاية عمر المكونات أو المفاعلات ككل.

مواضيع ذات صلة

دفع الاندماج في الفضاء

حاليًا، يُسعى إلى الاندماج النووي أساسًا لإمكاناته في توليد الطاقة على الأرض. قطاع آخر سيستفيد كثيرًا من إتقان الاندماج النووي هو استكشاف الفضاء والاستعمار.

بفضل كفاءتها العالية جدًا مقارنةً بكتلة الوقود، وكذلك درجات الحرارة المرتفعة للغاية، تُعد مفاعلات الاندماج النووي أنظمة دفع مثالية للفضاء العميق.

نظريًا، يمكنها توفير تسارع سريع جدًا ووقت سفر قصير، مع متطلبات وقود منخفضة، وسلامة محسنة للطاقم مقارنةً بالبدائل مثل محركات الوقود الكيميائي أو الانشطار النووي. سهولة الوصول إلى الهيدروجين وفوائده الوفيرة في الفضاء هي مكافأة إضافية.

عمليًا، قد يكون من الصعب جعل مفاعل الاندماج صغيرًا وخفيفًا بما يكفي ليتناسب مع سفينة فضائية، حتى بعد إتقان التصميم على الأرض.

إذا أصبح الاندماج النووي تجاريًا، فسيُحدث ذلك ثورة كاملة في آفاق اقتصاد قائم على الفضاء (الذي نناقشه مع وبدون الاندماج في مقالتنا هنا), وسيجعل البشرية فوريةً نوعًا من الكائنات القادرة على السفر في الفضاء.

الاندماج البارد

الاندماج البارد موضوع مثير للجدل. في المفهوم، هي فكرة أن الاندماج النووي يمكن تحقيقه دون بلازما وفي درجات حرارة منخفضة.

طريقة مقترحة هي استخدام مواد تغير شكلها بطريقة تحبس ذرات الهيدروجين وتدفعها للاندماج معًا. تم اقتراح معادن مشبعة بالهيدروجين مثل البلاديوم والإربيوم والتيتانيوم لتحقيق ذلك.

في عام 1989، ادعى الباحثان ستانلي بونز ومارتن فليشمان تحقيق مثل هذا الاندماج. للأسف، سنوات من محاولات المجتمع العلمي لتكرار النتائج لم تنجح حتى الآن، مما أدى إلى اتهامات بالعلم الرديء أو حتى الاحتيال الصريح.

ستؤدي الجدل التالي إلى إضرار دائم بصورة هذا المفهوم. ومع ذلك، لا يزال عدد قليل من العلماء يعملون على ذلك، عادةً تحت أسماء التفاعلات النووية منخفضة الطاقة (LENR)، علم نووي للمادة المكثفة (CMNS)، أو التفاعلات النووية المدعومة كيميائيًا (CANR).

ظهر اهتمام متجدد بالمجال في عقد 2020، سعيًا لتجاوز وصمة البحث غير الجدي. ومن الجدير بالذكر أن وكالة الحكومة الأمريكية ARPA-E أعلنت في 2023 عن عدد قليل من المنح لتمويل مجموعات بحثية تبحث في التفاعلات النووية منخفضة الطاقة (LENR), بعد نتائج مثيرة حققها باحثو ناسا في 2020.

الاندماج البارد غير مؤكد ومجرد تكهن في الوقت الحالي. ومع ذلك، قد يوضح عودة أبحاث جدية وممولة جيدًا إلى المجال الوضع ويحدد ما إذا كان هذا يمكن أن يصبح مسارًا قابلاً للتطبيق لتحقيق الاندماج النووي.

اندماج الفقاعات

فكرة أخرى هي أن الاندماج النووي قد يحدث داخل فقاعات عند انهيارها؛ على سبيل المثال، قد تتشكل فقاعات في الماء عند تعرضه للموجات فوق الصوتية، وهي فكرة تُسمى أحيانًا السونوفيوجن.

نظريًا، قد تكون موجات الصدمة التي تُنشأ عند انهيار الفقاعة في سائل قوية بما يكفي لتسبب الاندماج، وهذا ليس مختلفًا تمامًا عن طريقة موجات الصدمة التي يولدها الليزر. قد يفسر ذلك ظاهرة الضوء الفقاعي (انبعاث الضوء غير المفهوم حتى الآن عندما تنهار الفقاعة).

الفكرة مثيرة للجدل مثل الاندماج البارد، مع انتقاد واسع للمروج الرئيسي لها.

مع ذلك، قد لا تكون الفكرة ميتة كما يبدو من جدل العقدين الماضيين.

في مايو 2024، نشرت ورقة علمية بعنوان “ملاحظة انبعاث النيوترونات أثناء التجويف الصوتي لمسحوق التيتانيوم المزدوج” في مجلة نيتشر المرموقة للغاية، زعمت اكتشاف أحداث اندماج محتملة داخل فقاعات من الماء الثقيل المختلط بجسيمات التيتانيوم.

تمكنا من الحفاظ على إنتاج النيوترونات لعدة ساعات وكرّرنا التجربة عدة مرات تحت ظروف مختلفة. نفترض أن النيوترونات الملحوظة تنشأ من اندماج نووي لأيونات الديوتيريوم المذابة في شبكة التيتانيوم نتيجةً للضغط الميكانيكي لتيارات التجويف المتصادمة.

إن مزيج شبكة التيتانيوم (كما في الاندماج البارد) مع التجويف (الفقاعات) أكثر من مجرد إبهار، وقد يؤدي النشر في مجلة علمية محكمة جدية إلى إحياء الاهتمام بالقطاع، وربما يصبح “اندماج الفقاعات الباردة” اختراقًا علميًا غير متوقع.

دخول القطاع الخاص

منذ نشأتها، كان مجال فيزياء البلازما والاندماج النووي مدفوعًا في الغالب بأبحاث حكومية تمولها الأموال العامة.

هذا منطقي، إذ كانت مفيدة جدًا لبرامج تطوير الأسلحة النووية، على سبيل المثال، تم تطوير المرفق الوطني للإشعال في الولايات المتحدة في البداية لاستبدال اختبارات الأسلحة النووية أكثر من استكشاف الاندماج النووي.

كقطاع من العلوم لا يمتلك تطبيقات تجارية مباشرة، كان تمويل الاندماج يجب أن يأتي في الغالب من القطاعين العام والأكاديمي.

يتغير هذا بفضل تقارب 3 عوامل:

1. عقود من الخبرة في القطاع أنشأت مجموعة كبيرة من المعرفة المتاحة مجانًا وعلماء مدربين يمكنهم العمل في الشركات التجارية.
2. يبدو أن الاندماج النووي أقرب من أي وقت مضى إلى تحقيق تجاري، مما يزيد حماس المستثمرين. وأسلوب الاستثمارات “المهمة القمرية” أصبح شائعًا الآن، حيث قد يكون الاندماج النووي المهمة القمرية النهائية إلى جانب تعدين الكويكبات، مما يحل بشكل دائم مشكلات الندرة في الطاقة والمواد الخام.
3. تتقارب تغيرات المناخ، الجيوسياسة، واستنزاف الموارد لزيادة الطلب على مصدر طاقة وفير خالٍ من الكربون.

لذا فإن موجة جديدة من جهود الاندماج النووي تقودها الآن الشركات الخاصة، التي تسعى لإعادة تصميم المفاعلات من المبادئ الأولى، واستكشاف طرق جديدة، ومحاولة تكرار ما حققته شركات مثل SpaceX في مجال رحلات الفضاء (مثل إعادة استخدام الصواريخ التي كانت تُعتبر مستحيلة سابقًا) لقطاع الاندماج.

شركات الاندماج

حاليًا، لا توجد أي من الشركات المخصصة لجعل الاندماج النووي تجاريًا مدرجة في البورصة. وهذا يشمل Helion، General Fusion، Commonwealth Fusion، TEA Technologies، ZAP Energy، وNEO Fusion. يمكنك العثور على قائمة شاملة للشركات الناشئة في مجال الاندماج النووي على صفحة Dealroom المخصصة.

1. General Fusion

General هي إحدى الشركات الناشئة التي تقود الجهود لجعل الاندماج مشروعًا خاصًا، بدلاً من مشروع فيزياء ممول من القطاع العام.

تم تأسيس الشركة منذ عام 2002 لتطوير تقنية الاندماج المستهدف المغنطَس (MTF).

تتوقع الشركة أن تكون تقنية MTF مسارًا أقصر نحو اندماج إيجابي للطاقة وأقل تكلفة بكثير. كانت General Fusion الأولى في العالم التي بنت وشغّلت حقن بلازما طورية مدمجة على نطاق محطة طاقة في عام 2010 وحققت العديد من الإنجازات الأخرى منذ ذلك الحين.

المصدر: General Fusion

تهدف الشركة إلى تحقيق الاندماج بدرجة حرارة 100 مليون درجة مئوية في عام 2025 والتقدم نحو تعادل الطاقة (عائد إيجابي من الاندماج النووي) في عام 2026. قبل ذلك، تم إنشاء نموذج بحجم 1/5^th في عام 2023 وتطابق أداؤه التوقعات المستندة إلى نماذج الحاسوب.

بشكل عام، قضت General Fusion عقدين من الزمن في بناء كل تقنية أساسية من تصميمها النهائي خطوة بخطوة، واختبار كل منها على طول الطريق والتحقق بنجاح من الفكرة، على الأقل حتى الآن.

كشركة خاصة، لم تضطر إلى مناقشة أو التفاوض بشأن أي تعديل في التصميم، على عكس المشاريع الدولية مثل ITER. كما يمكنها اختيار التقنية بناءً على جدارتها دون الحاجة إلى اتخاذ قرار ما إذا كان يجب أن تحصل دولة معينة على العقد بغض النظر عن الأسباب السياسية.

المصدر: General Fusion

لهذا يتوقع الكثيرون أن تدير General Fusion وبعض منافسيها ما قد لا تستطيع المشاريع الحكومية الكبيرة تحقيقه.

2. Lockheed Martin Corporation

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

عملت Lockheed منذ أوائل عام 2010 على الاندماج المدمج، وهو مفاعل اندماج نووي توقعت أن يكون جاهزًا بحلول عقد 2020. ومع ذلك، تم الإعلان لاحقًا أن العمل على المشروع توقف في عام 2021.

كانت الشركة حذرة جدًا بشأن هذا المشروع بعد إعلان عام أولي. 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، خاصةً مع الاستثمارات في عام 2024 في Helicity، شركة ناشئة تطور محرك اندماج.

الفكرة هي دفع المركبات الفضائية بانفجارات قصيرة من الاندماج. تخطط Helicity لاستخدام مدفع بلازما، وهو النهج نفسه الذي تتبعه General Fusion.

من المحتمل أن نتائج Lockheed الداخلية أظهرت أن تصميمها لا يمكنه الحفاظ على الاندماج بطريقة تتوافق مع إنتاج الطاقة.

ولكن ربما في الوقت نفسه، تكون الانفجارات القصيرة كافية لاحتياجات الدفع في الفضاء وتقترب كثيرًا من أن تصبح منتجًا فعليًا؟ كما أنها تتناسب بشكل أفضل مع ملف الشركة العام الذي يركز على الفضاء والدفاع.

3. TAE Technologies

كانت تُعرف سابقًا باسم Tri Alpha Energy، وتتركز الشركة التي تتخذ من كاليفورنيا مقرًا لها على تطوير تقنية طاقة الاندماج. تقوم TAE Technologies حاليًا بترقية منصة الاندماج الخاصة بها، Norman، إلى آلة من الجيل السادس تُدعى كوبيرنيس.

المصدر: TAE

تعتمد تقنية TAE على مسرعات الجسيمات لحقن الطاقة في البلازما و”تعمل كعامل تكثيف يجعلها أكثر قابلية للتحكم”.

تستخدم الشركة أيضًا الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع في تصنيع كوبيرنيس، مما يسمح بتكرارات سريعة لأجزاء جديدة وحل المشكلات بسرعة أكبر. على سبيل المثال، نجحت في طباعة بعض مكونات المفاعل بوزن نصف ما كان ستحقه التصنيع التقليدي.

المصدر: TAE

إذا سارت الأمور بسلاسة، تتوقع الشركة بناء أول محطة طاقة نموذجية يمكن ربطها بالشبكة في أوائل الثلاثينيات، وتوسيعها لتطوير طاقة تجارية “متينة وموثوقة” سيستمر طوال العقد. وفقًا للرئيس التنفيذي ميخل بندرباور، سيقودنا الاندماج إلى “نموذج وفرة”.

على مدار الـ 25 سنة الماضية، تعمل الشركة بنموذج “المال حسب الإنجاز”، حيث يتم الحصول على كل جولة تمويل فقط بناءً على تحقيق الإنجازات التي وُعد بها المستثمرون.

في عام 2022، استثمرت Google وChevron في TAE Technologies كجزء من جمع تمويل الشركة بقيمة 250 مليون دولار. في الواقع، تتعاون Google مع TAE منذ عقد من الزمن وتوفر للشركة الذكاء الاصطناعي وقوة الحوسبة.

كما تقدم الشركة خدمات العلوم الحياتية (علاج التقاط النيوترونات بالبور – BNCT) وحلول طاقة مثل البطاريات والتنقل الكهربائي.

4. Helion

تهدف Helion إلى إنشاء الاندماج باستخدام الديوتيريوم والهيليوم-3، بدلاً من النهج الأكثر شيوعًا الذي يركز على الاندماج باستخدام التريتيوم.

عادةً ما يكون الهيليوم-3 صعبًا جدًا العثور عليه. لكن Helion لديها طريقة لإنتاجه من الديوتيريوم في مفاعلها الخاص. وإلا لكانت هناك حاجة إلى بدائل مثل التعدين غير المثبت له على القمر.

مثل معظم المشاريع الخاصة في مجال الاندماج، تستخدم Helion تقنية حقن البلازما.

ميزة فريدة أخرى هي استهداف التقاط الكهرباء مباشرة من البلازما، باستخدام قانون فاراداي لتوليد التيار، متجاوزةً دورة تسخين البخار الشائعة في محطات الطاقة النووية.

هذه الخطوة جريئة إلى حد ما، لكنها قد تزيد من عائد محطات الطاقة المستقبلية بمقدار 2-3 أضعاف، حيث أن تحويل الحرارة إلى بخار ثم إلى طاقة عادةً ما يكون بكفاءة منخفضة جدًا. كما أنها عملية تتطلب استثمارات رأس مال عالية.

من المتوقع أن يكون لمفاعل طاقة الاندماج الخاص بـ Helion تكلفة وقود لا تكاد تُذكر، وتكلفة تشغيل منخفضة، وتوافر عالي، وتكلفة رأس مال تنافسية. تتطلب آلاتنا تكلفة أقل بكثير على المعدات الرأسمالية لأننا نستطيع إجراء الاندماج بكفاءة عالية ولا نحتاج إلى توربينات بخار ضخمة أو أبراج تبريد أو غيرها من المتطلبات المكلفة للنهج التقليدي للاندماج.

تشغل Helion حاليًا Trenta، مفاعلها من الجيل السادس الذي حقق أكثر من 10,000 نبضة ودرجة حرارة 100 مليون درجة مئوية.

المصدر: Helion

تنتقل حاليًا إلى Polaris، نموذجها التالي المتوقع أن يكون أسرع بـ 100 مرة من Trenta، مما سيجعله أول اندماج نووي ينتج فائضًا صافيًا من الكهرباء.

من الجدير بالذكر أن Polaris سيكون بطول 19 مترًا، بعيدًا عن كونه تركيبًا ضخمًا مقارنةً بتصاميم مفاعلات الاندماج الكلاسيكية الأخرى.