تزويد المستقبل بالمعادن اليومية

لطالما كانت طاقة الاندماج في الأخبار خلال العامين الماضيين، وتتحمس الأوساط العلمية حول المفاعلات المستقبلية. لكن خلف الكواليس، بعض أكثر المعادن شيوعًا تمكّن بصمت قفزة الاندماج من المختبر إلى الشبكة. التنجستن، النحاس، والليثيوم — العناصر التي نتعامل معها يوميًا — تثبت أنها لا غنى عنها في السعي نحو طاقة نظيفة لا حدود لها.

توكناماك التنجستن WEST يحقق رقمًا قياسيًا في الاندماج لمدة 6 دقائق

في إنجاز كبير لطاقة الاندماج، سجّل جهاز WEST (بيئة التنجستن (W) في توكناماك الحالة المستقرة) في فرنسا رقمًا قياسيًا جديدًا. حافظ WEST على بلازما اندماجية بدرجة حرارة 50 مليون درجة مئوية لمدة ست دقائق، مضخماً 1.15 جيجا جول من الطاقة. يضاعف هذا الإنجاز كثافة البلازما ويُقدّم طاقة أعلى بنسبة 15٪ مقارنةً بالرقم القياسي السابق لـ WEST.

يتم تشغيل WEST من قبل اللجنة الفرنسية للطاقة البديلة والطاقة الذرية (CEA). وهو جزء من برنامج التنسيق الدولي لتحديات التشغيل طويل الأمد (CICLOP) التابع للوكالة الدولية للطاقة الذرية. وزارة الطاقة الأمريكية Princeton Plasma Physics Laboratory لديها شراكة طويلة مع WEST وCICLOP.

“نحتاج إلى توفير مصدر جديد للطاقة، ويجب أن يكون المصدر مستمرًا ودائمًا. هذه نتائج رائعة. لقد وصلنا إلى نظام ثابت على الرغم من وجودنا في بيئة صعبة بسبب جدار التنجستن هذا.”

– العالِم في CEA ورئيس CICLOP Xavier Litaudon

أساسيات الاندماج

الاندماج يزوّد الشمس والنجوم. يحدث عندما تُسخّن عناصر خفيفة مثل الهيدروجين إلى درجات حرارة مرتفعة للغاية، لتشكل بلازما. في هذه الحالة، تتصادم جسيمات البلازما وتندمج، مطلقة كميات هائلة من الطاقة.

على الأرض، تستخدم أجهزة الاندماج المسماة توكناماك حقولًا مغناطيسية قوية لحجز البلازما في حجرة على شكل دونات. الهدف هو تحقيق تفاعل اندماج ذاتي الاستدامة يولّد طاقة أكثر مما يُدخل، مما قد يوفر مصدر طاقة غير محدود، آمن وخالٍ من الكربون.

مع ذلك، يبقى الحفاظ على هذه التفاعلات لفترة كافية لاستخلاص طاقة صافية تحديًا كبيرًا. يجب تسخين البلازما إلى درجات حرارة أعلى من نواة الشمس والحفاظ على استقرارها لفترات طويلة. على عكس معظم توكناماك التي تستخدم جدران داخلية من الكربون التي تحتفظ بكمية زائدة من الوقود تجعلها غير صالحة للمفاعلات، يتم استكشاف مواد بديلة.

جدران التنجستن في WEST: تقدم ذو صلة بالمفاعل

WEST مُبطّن بالتنجستن، وهو مرشح رائد للمفاعلات الاندماجية المستقبلية. يحتفظ التنجستن بكمية أقل بكثير من الوقود مقارنةً بالكربون، وهو أمر ضروري لتشغيل المفاعل بكفاءة. ومع ذلك، حتى إذا تم تتبع التنجستن في البلازما، يمكنه أن يبرد بسرعة عبر الإشعاع. يشرح لويس ديلغادو-أباريسيو من PPPL:

“بيئة جدار التنجستن أكثر تحديًا بكثير من استخدام الكربون. هذا ببساطة الفرق بين محاولة الإمساك بقطتك في المنزل ومحاولة مداعبة أقوى أسد بري.”

على الرغم من الصعوبة، فإن لقطة WEST التي استمرت 6 دقائق بجدران التنجستن تمثل خطوة كبيرة إلى الأمام. إنها ضعف مدة الرقم القياسي في سلف WEST ذو الجدران الكربونية، Tore Supra. إظهار نبضات طويلة بمواد ذات صلة بالمفاعل أمر حاسم لأهداف CICLOP ومصانع الطاقة المستقبلية.

تشخيص الأشعة السينية المبتكر يتيح اختراقًا

تم تشخيص اللقطة القياسية باستخدام نظام تصوير أشعة سينية مبتكر طورته PPPL. تم تعديل كاميرا الأشعة السينية الناعمة متعددة الطاقة (ME-SXR) من شركة DECTRIS خصيصًا من قبل PPPL لقياس خصائص البلازما بتفصيل غير مسبوق.

“مجموعة الأشعة السينية في قسم المشاريع المتقدمة بـ PPPL تطور جميع هذه الأدوات المبتكرة لتوكاماك والستيلاريتر حول العالم.”

– Delgado-Aparicio، رئيس المشاريع المتقدمة في PPPL

عادةً ما تستخدم تشخيصات الاندماج مستوى أو مستويين من طاقة الأشعة السينية. تقوم ME-SXR من PPPL بأخذ قراءات متزامنة عند ثماني مستويات طاقة بين 11 و18 كيلوفولت إلكتروني (keV). توفر هذه النطاقات بيانات واضحة عن نواة البلازما مع استبعاد التداخل من موجات التسخين الراديوية.

تقيس ME-SXR مباشرة درجات حرارة الإلكترونات في نواة البلازما عبر مقارنة شدة الإشعاع عند طاقات مختلفة. كما تحدد كثافة شوائب التنجستن المتنقلة من الجدران، وهي بيانات حيوية لتحسين تشغيل النبضات الطويلة مع الجدران المعدنية. وفقًا لمنسق WEST ريمي دومون:

“هذا النظام المحدد هو الأول من نوعه مع تمييز الطاقة. إنه رائع. بفضل هذه القياسات الجديدة، سنتمكن من قياس التنجستن داخل البلازما وفهم نقل التنجستن من الجدار إلى النواة.”

النتائج القياسية تفتح الأبواب لتطوير المفاعلات

وجد فريق PPPL، بقيادة ديلغادو-أباريسيو والباحث توليو باربوي، أن بلازما WEST وصلت إلى 4-4.5 كيلوفولت ثابت (ما يقرب من 50 مليون°C) في النواة طوال اللقطة التي استمرت 6 دقائق. ظلت كل من ملفات الشوائب وملفات الحرارة مستقرة.

تم تأكيد هذه النتائج بمحاكاة متقدمة من علماء CEA. وفقًا لليتاودون:

“ستفتح هذه الكاميرا التي تحل الطاقة مسارًا جديدًا في التحليل. بفضل هذه التشخيصات، يمكننا فهم هذه المشكلة والوصول إلى جذور الفيزياء لكل من القياس والمحاكاة.”

يهدف PPPL وWEST إلى تحسين التحكم في درجة الحرارة وشوائب التنجستن لتمكين عمليات أطول وأكثر استقرارًا. بالإضافة إلى ذلك، يشارك PPPL تقنية ME-SXR مع توكناماك حول العالم لتسريع البحوث ذات الصلة بالمفاعلات.

“ME-SXR هو جزء فقط من مساهمة تشخيصية أوسع من PPPL إلى CEA/WEST. هذه الشراكة تساعدنا كثيرًا. مع هذا الجمع من التشخيصات، سنتمكن من إجراء قياسات دقيقة جدًا في البلازما والتحكم فيها في الوقت الحقيقي.”

– دومون

المعادن اليومية التي تُشغّل الاندماج: التنجستن، النحاس، الليثيوم

بينما تهيمن البلازما على المشهد، يعتمد مستقبل الاندماج أيضًا على مكوناته الملموسة. ثلاثة معادن تثبت أهميتها: التنجستن، النحاس، والليثيوم.

يُقدّر التنجستن بسبب أعلى نقطة انصهار له تبلغ 3422°C، وهي الأعلى بين جميع العناصر. يتيح ذلك تحمله للحرارة الشديدة لبلازما الاندماج. شركة Xiamen Tungsten Co., Ltd. الصينية، المدرجة في بورصة شنغهاي، تُعد من أكبر المنتجين عالميًا.

في عام 2023، رغم انخفاض إيراداتها التشغيلية بنسبة 18.30٪ إلى 39.398 مليار يوان، شهدت الشركة زيادة صافية بنسبة 10.75٪ للمساهمين لتصل إلى 1.602 مليار يوان. توسّع Xiamen Tungsten في طاقة الإنتاج وتحسين الكفاءة يعزّز موقعها كمورد رئيسي للتنجستن عالي النقاء لتطبيقات الاندماج، مما يجعلها فرصة جذابة للمستثمرين.

النحاس هو العمود الفقري للإلكترونيات الاندماجية بفضل توصيله الكهربائي والحراري المتميز. تعتمد الملفات المغناطيسية، الحواجز، ومبادلات الحرارة جميعها على النحاس لإدارة التيارات والحرارة الشديدة للاندماج.

Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) أكبر منتج نحاس مدرّج في البورصة العامة ومقره الولايات المتحدة، حافظ على صحة مالية قوية في عام 2023 بإيرادات بلغت 24.6 مليار دولار وصافي دخل 4.2 مليار دولار. احتياطياته الضخمة من النحاس، التزامه بالاستدامة، وتقدمه التكنولوجي يعزّزان آفاق نموه، خاصة مع الطلب المتزايد على النحاس من الطاقة المتجددة والمركبات الكهربائية.

الليثيوم، أخف المعادن، يصبح أساسًا للاندماج بفضل إمكاناته الكهروكيميائية المتميزة. أغطية الليثيوم يمكنها إنتاج وقود التريتيوم، وبطاريات الليثيوم يمكنها تخزين طاقة الاندماج بكفاءة. Albemarle Corporation (ALB) (ALB ) ، أحد كبار منتجي الليثيوم، أعلن عن إيرادات سنوية قياسية بلغت 9.62 مليار دولار في 2023، بزيادة 31٪ عن العام السابق.

على الرغم من التحديات مثل تراجع الطلب على السيارات الكهربائية وانخفاض أسعار الليثيوم، شهدت وحدة تخزين الطاقة في Albemarle نموًا ملحوظًا في الحجم بنسبة 35٪، مدفوعة أساسًا بمصنع La Negra الموسّع في تشيلي. تركّز الشركة على خفض التكاليف، المرونة المالية، والاستثمارات النامية لتؤمن موقعًا قويًا في سوق الليثيوم المتنامي، رغم أن سعر سهمها شهد تراجعًا كبيرًا خلال العام الماضي.

مع تقدم الاندماج، سيزداد الطلب على هذه المعادن. قد يفتقر التنجستن، النحاس، والليثيوم إلى بريق البلازما، لكنهم يشكّلون العمود الفقري لمستقبل الاندماج المشرق. قد يشهد الموردون القادرون على توفير مواد نقية عالية الجودة على نطاق واسع دفعة قوية مع بداية عصر الاندماج.

الشراكات الرائدة تدفع التقدم

ينبع هذا الاختراق من تعاون بين مؤسسات الاندماج الرائدة. طورت PPPL، الرائدة في تشخيص البلازما، نظام ME-SXR بتمويل من وزارة الطاقة الأمريكية عبر منح للباحثين الجدد وتطوير التشخيصات. يوفر توكناماك WEST التابع لـ CEA، الجهاز الوحيد عالميًا ذو جدران من التنجستن لاستكشاف اللقطات طويلة المدة، بيئة اختبار مثالية.

قدمت شركة DECTRIS، الرائدة عالميًا في كواشف الأشعة السينية، التقنية الأساسية التي عدّلتها PPPL لتصبح نظام ME-SXR المبتكر. وفقًا لرئيس مبيعات DECTRIS نيكولا بيليه:

“كان مجتمع الاندماج البلازمي من أوائل من اختبروا تقنية عدّ الفوتونات الهجينة لمراقبة ديناميكيات البلازما. نحن فخورون للغاية بالمساهمة في هذا التطور بمنتجاتنا ومتحمسون لتعاوننا الممتاز.”

سجل WEST هو أيضًا انتصار لـ CICLOP، برنامج الوكالة الدولية للطاقة الذرية الذي ينسق الجهود العالمية لتحديات النبضات الطويلة. من خلال دمج الخبرات والموارد، يهدف CICLOP إلى حل القضايا الرئيسية التي تعيق عمليات الاندماج المستمرة. صرّح ليتادون:

“يمثل هذا الإنجاز خطوة مهمة نحو أهداف برنامج CICLOP. عمل PPPL في WEST مثال ممتاز.”

في مسار الطاقة النظيفة للاندماج

سجل WEST لمدة 6 دقائق بجدران التنجستن يمثل تقدمًا مهمًا لطاقة الاندماج. يثبت أن توكناماك ذات المواد ذات الصلة بالمفاعل يمكنها حجز البلازما باستدامة عند درجات الحرارة اللازمة للطاقة الاندماجية العملية. تمكّن التشخيصات المبتكرة مثل ME-SXR من PPPL الباحثين من قياس وتحسين البلازما بدقة غير مسبوقة.

لا يزال هناك الكثير من العمل للقيام به لتطوير مفاعل اندماج قابل للتطبيق. يجب أن تمتد مدة النبضات من دقائق إلى شهور مع زيادة الكثافة والحفاظ على الاستقرار. المواد المتقدمة، المغناطيسات، وأنظمة استخراج الحرارة ضرورية. ومع ذلك، يحول العلماء إمكانات الاندماج الهائلة إلى واقع خطوة بخطوة.

للطاقة الاندماجية القدرة على توفير مصدر طاقة آمن، خالٍ من الكربون، ولا ينضب تقريبًا. هذا يمكن أن يساعد في التخفيف من تغير المناخ، تحسين أمن الطاقة، ودعم العصر التالي من التنمية البشرية. بشكل عام، كما يظهر WEST وCICLOP، التعاون العالمي هو المفتاح لتجاوز تحديات الاندماج وتقديم فوائده الضخمة للعالم.

انقر هنا لتتعرف على كل ما يتعلق بالاستثمار في المعادن الثمينة.