قوارب الاندماج الكروية والمايونيز – إعادة تصور احتياجاتنا المستقبلية للطاقة

طاقة الاندماج قديمة قدم نظامنا الكوني. إنها تغذي الشمس والنجوم. ومع ذلك، لا يزال تطبيقها على كوكبنا تجريبيًا.

وفقًا لتقرير منتصف يوليو، ارتفعت الاستثمارات في المجال بأكثر من 900 مليون دولار هذا العام لتصل إلى حوالي 7.1 مليار دولار. ومع ذلك، يعتقد الخبراء أن نمو الاستثمارات لا يزال غير كافٍ. فهو أقل من الارتفاع البالغ 1.4 مليار دولار الذي تحقق العام الماضي و2.8 مليار دولار في عام 2022.

“النمو الذي شهدناه في الـ 12 شهرًا الماضية إيجابي، لكنه لن يكون كافيًا لتحقيق أهداف الاندماج الطموحة.”

كما هو الحال في أي قطاع آخر، لا يمكن تحقيق النمو إلا من خلال الابتكار. اليوم، سنستكشف أحد الابتكارات الفعّالة والحاسمة—الموجهة إلى القضاء على الحاجة إلى ملف تسخين أوميكي—والتي قد تكون أقوى محرك تصميم في تحقيق أنظمة مفاعلات توكاماك الاندماجية المدمجة والاقتصادية.

ولكن قبل الغوص أعمق في البحث وتبعاته، يجب أن نحصل على نظرة سريعة حول كيفية عمل علم طاقة الاندماج والدور الذي تلعبه أنظمة التوكاماك في ذلك.

علم طاقة الاندماج وأنظمة التوكاماك

إنه مجال علمي متعدد التخصصات يهدف إلى تطوير مصدر طاقة يعتمد على الاندماج المتحكم فيه. المبدأ الأساسي للاندماج يتضمن دمج نواتين لتكوين نواة.

على مستوى أكثر عملية، يتضمن الاندماج على الأرض خلق ظروف تؤدي إلى توليد بلازما مستمرة، وهي غازات حارة جدًا بحيث تنفصل الإلكترونات عن نوى الذرات. يستخدم الباحثون المجالات الكهربائية والمغناطيسية للتحكم في مجموعة الأيونات والإلكترونات الناتجة لأنها تحمل شحنات كهربائية. هذه الآلية هي ما يلهم اسم “الاندماج المتحكم”.

تساعد أنظمة التوكاماك على حجز البلازما باستخدام المجالات المغناطيسية على شكل حلقة دائرية تُسمى تورس. على مر السنين، برزت توكاماك كأهم مفهوم لحجز البلازما لمصانع طاقة الاندماج المستقبلية. البحث الذي سنناقشه في الفقرة التالية يتناول تحسين مساحة التوكاماك. 

قوارب الاندماج الكروية المدمجة: توكاماك أصغر كخيار اندماج أكثر اقتصادًا

قامت مجموعة موسعة من الباحثين برئاسة هذا البحث، بما في ذلك علماء من وزارة الطاقة الأمريكية (DOE)، مختبر فيزياء البلازما ببرينستون (PPPL)، الشركة الخاصة توكاماك إنرجي، وجامعة كيوشو في اليابان. اقتراحهم بسيط من حيث الفكرة: محطة تجريبية للاندماج الكروية المدمجة تسخن البلازما باستخدام الموجات الدقيقة فقط.

 استخدام الموجات الدقيقة سيقضي على الحاجة إلى ملف نحاسي ضخم يُسمى ملف أوميك يُوضع بالقرب من مركز الوعاء لتسخين البلازما.

أثناء توضيح فائدة إزالة طريقة التسخين الأوميكية التقليدية، قالت ماياسوكي أونو، الفيزيائية البحثية الرئيسية في PPPL والمؤلفة الرئيسية للورقة:

“تشبه بلازما توكاماك الكروية المدمجة تفاحة ذات نواة صغيرة نسبيًا، لذا لا يتوفر مساحة لملف التسخين الأوميكي. إذا لم نضطر إلى تضمين ملف التسخين الأوميكي، يمكننا ربما تصميم آلة أسهل وأرخص في البناء.”

لتحقيق هدفها، يستفيد التجربة من تقنية تسمى ECCD، أي قيادة التيار بالدورة الإلكترونية، والتي يمكنها في الوقت نفسه توليد التيار وتسخين البلازما. طور الباحثون رمزًا حاسوبيًا يُدعى TORAY، والذي، بالاشتراك مع رمز آخر يُدعى TRANSP، يمكنه فحص زوايا توجيه الشعاع لتحديد أعلى كفاءة وتقليل الحاجة إلى الطاقة لتوليد التيار المطلوب.

حدّد الباحثون أيضًا نمط ECCD الذي سيعمل بأفضل شكل لكل مرحلة من مراحل عملية التسخين. الخيارات المحتملة تشمل نمطين:

• النمط O أو النمط العادي
• النمط X أو النمط الاستثنائي

كلا النمطين مفيدان ويساهمان في الأداء العام للنظام. يعمل النمط X بأفضل شكل عندما يحتاج المرء إلى رفع درجة حرارة البلازما والتيار. أما النمط O فهو الخيار الأنسب للحفاظ على درجة حرارة البلازما والتيار بعد مرحلة الارتفاع.

في تلخيص خيارات التسخين البديلة، قالت أونو:

“النمط O جيد لبلازما ذات درجة حرارة وكثافة عالية. لكننا وجدنا أن كفاءة النمط O تصبح ضعيفة جدًا عند درجات حرارة منخفضة، لذا تحتاج إلى شيء آخر يتولى التعامل مع نطاق درجات الحرارة المنخفضة.”

كما أبرز الباحثون أهمية إبقاء البلازما خالية من الشوائب. تحجز المجالات المغناطيسية القوية البلازما داخل توكاماك بشكل معين، لكن أحيانًا قد تقترب البلازما من الجدران الداخلية للتوكاماك، مما يسمح للذرات من الجدران بأن تتناثر وتدخل البلازما. 

بينما لا تزال مقترحات البحث تجريبية، يمكننا بالفعل رؤية مشاركة كيانات تجارية يمكنها دفع هذا الحل إلى الأمام، وتوسيع نطاقه، وجعل تطبيق طاقة الاندماج أكثر تحسينًا وكفاءةً في استهلاك الطاقة. في الفقرة القادمة، سنناقش شركة توكاماك، التي شاركت بالفعل في العملية. 

#1. توكاماك إنرجي إنك.

تقف توكاماك في طليعة تطوير التقنية المطلوبة لتسليم طاقة الاندماج بنجاح في ثلاثينيات القرن الحالي. رؤيتها هي جعل طاقة الاندماج نظيفة، آمنة، ميسورة التكلفة، ومتاحة بسهولة.

حتى الآن، حصلت الشركة على 77 عائلة من طلبات براءات الاختراع وجمعت ما مجموعه 250 مليون دولار أمريكي. من هذا المبلغ، جاء 200 مليون دولار من المستثمرين الخاصين، والباقي من حكومتي المملكة المتحدة والولايات المتحدة. 

خلال مسيرتها التشغيلية، أضافت الشركة العديد من الإنجازات إلى سجلها. على سبيل المثال، في عام 2022، أصبحت الشركة أول شركة خاصة للاندماج تحقق درجة حرارة أيون بلازما تبلغ 100 مليون درجة مئوية في توكاماك، وهو العتبة المطلوبة للاندماج على نطاق تجاري.

في نفس العام، حصلت أيضًا على أعلى “منتج ثلاثي” للبلازما بين جميع شركات الاندماج الخاصة، وهو مقياس رئيسي لدرجة حرارة البلازما ووقت الحجز.

لقد ناقشنا بالفعل التوكاماك الكروي، وهو أحد أكثر المسارات بحثًا وتقديرًا للاندماج. تشمل مزاياه الكفاءة التشغيلية، استقرار البلازما، والفعالية من حيث التكلفة. 

يُعد توكاماك ST40، التوكاماك الكروي المدمج عالي المجال، أحد الأكثر تقدمًا في هذا المجال. من خلاله، حققت توكاماك درجة حرارة أيون بلازما تبلغ 100 مليون درجة مئوية، أي أعلى بست مرات من مركز الشمس.

تقوم توكاماك أيضًا بإنشاء نظام Demo4 مغناطيسي في مرفق اختبار مخصص. يتألف النظام من 44 ملفًا عالي التيار الفائق (HTS) مُجمَّعًا في 14 ذراعًا ميدانيًا حلقيًا وملفين ميدانيين قطبيين في هيكل على شكل قفص. يمكنه العمل في فراغ عند 20 كلفن (-250°C) مع قوة مجال مغناطيسي تقريبًا مليون مرة أقوى من المجال المغناطيسي للأرض.

#2. هيليون

شركة أخرى تقوم بعمل تغيير قواعد اللعبة في هذا المجال هي هيليون. تدعي الشركة أنها بنت أول محطة طاقة اندماجية في العالم. مولد الاندماج الخاص بهيليون قادر أيضًا على رفع حرارة الوقود إلى أكثر من 100 مليون درجة مئوية. علاوة على ذلك، يمكنه استخراج الكهرباء باستخدام نهج نبضي عالي الكفاءة.

من الناحية التقنية، تستفيد حلّة هيليون من تقنية الاندماج المغناطيسي-القصوري. تتميز تقنية هيليون بثلاث ميزات بارزة تجعلها مختلفة عن الأساليب الأخرى المتاحة في هذا المجال. للسماح بتعديل مخرجات الطاقة حسب الحاجة، تستفيد الشركة من نظام اندماج نبضي غير إشعالي.

مشابهًا لكيفية عمل نظام الكبح المتجدد في السيارة الكهربائية، يمكن لنظام هيليون استعادة الكهرباء مباشرة. يجعل هذا نظام هيليون أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، حيث الأنظمة المتاحة الأخرى تسخّن الماء لتوليد البخار الذي يدير التوربين، مما يفقد الكثير من الطاقة في العملية. 

تستخدم هيليون الديوتيريوم والهيليوم-3 (D-³He) كوقود. ينتج اندماج هذين العنصرين جسيمات مشحونة يمكن استعادتها مباشرة ككهرباء، مما يحافظ على صغر حجم النظام، كفاءته، سرعته، وتكلفته المنخفضة. يساعد استخدام الديوتيريوم والهيليوم-3 على تقليل انبعاثات النيوترونات ويقلل بشكل كبير من التحديات الهندسية التي تنشأ عند استخدام وقود الاندماج الديوتيريوم-تريتيوم.

من المهم أن الشركة تعتقد أن طاقة الاندماج الخاصة بها قد تصبح أحد أقل مصادر الكهرباء تكلفة، حيث يمكنها إنتاج الكهرباء بمعدل 0.01 دولار أمريكي لكل كيلوواط ساعة.

وفقًا لأحدث المعلومات المتاحة، الشركة التي تأسست في عام 2008 قد جمعت 500 مليون دولار بحلول نهاية عام 2021، لتصل إلى تقييم قدره 1.25 مليار دولار. قاد هذه الجولة سام ألتمان، الرئيس التنفيذي لشركة OpenAI، الذي استثمر شخصيًا 375 مليون دولار، مما يبرز الإيمان القوي بإمكانات هيليون لإحداث ثورة في إنتاج الطاقة عبر تقنية الاندماج. الآن إجمالي التمويل يبلغ 577 مليون دولار، وسيُوجه نحو إكمال النموذج السابع لهيليون، بولاريس، والاقتراب من تجاريّة طاقة الاندماج بحلول 2024.

يساعد العمل التكنولوجي المتقدم من شركات مثل توكاماك وهيليون على دفع مجال طاقة الاندماج إلى خطوات كبيرة. البحث المحدد الذي استشهدنا به لبدء مناقشتنا كان نتيجة لشراكة بين القطاعين العام والخاص. وهو يُظهر وجود نقل مستمر ومنهجي للمعرفة والقدرات بين مؤسسات البحث والشركات التجارية.

مستقبل قوارب الاندماج: التفكير الابتكاري نحو تحسين الموارد

أن يصبح النجاح في مجال الاندماج يتطلب الغوص أعمق في علمه. العلماء الآن أكثر فضولًا من أي وقت مضى.

المايونيز يساعد الباحثين في حل تحديات طاقة الاندماج المعقدة

فريق من باحثي جامعة لهاي يستخدم المايونيز كمكوّن أساسي في أبحاثهم المستمرة حول مراحل عدم استقرار ريللي-تايلور. قد تُفيد هذه الأبحاث في تصميم عمليات الاندماج القمعية المستقبلية للحصول على طاقة نظيفة.

وفقًا لأرندام بانيرجي، أستاذ ميكانيكا الهندسة والآليات في جامعة لهاي ورئيس قسم MEM في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة P.C. Rossin:

“الفريق لا يزال يعمل على نفس المشكلة، وهي سلامة كبسولات الاندماج المستخدمة في الاندماج القمعي، ولا يزال مايونيز هيلمان الحقيقي يساعدنا في البحث عن حلول.”

يساعد المايونيز الفريق من خلال عمله كصلب يبدأ بالتدفق عندما يتعرض لتدرج ضغط. مشكلة ريللي-تايلور، وهي مشكلة معروفة في الفيزياء، تتضمن الظاهرة التي تحدث بين مواد ذات كثافات مختلفة عندما تكون تدرجات الكثافة والضغط في اتجاهين متعاكسين، مما يخلق طبقة غير مستقرة. يساعد استخدام المايونيز في تجربة حلول محتملة مع إلغاء الحاجة إلى درجات حرارة وضغوط عالية، وهي ظروف يصعب التحكم فيها بشكل كبير.

الاندماج البارد دون درجات حرارة قصوى

اختراق حديث آخر في الاندماج البارد أعاد الأمل في تحقيق طاقة نظيفة بدون الحاجة إلى درجات حرارة عالية جدًا وبلازما، المرتبطة تقليديًا بالاندماج النووي.

هذا التطور، الذي كان يُنظر إليه طويلاً على أنه علم هامشي، يتضمن استخدام علم المواد، المعادن النادرة، وعمليات كيميائية محددة لتحقيق الاندماج النووي عند درجات حرارة أقل.

كان المجتمع العلمي قد رفض سابقًا الاندماج البارد بسبب عدم القدرة على تكرار النتائج التجريبية الأولية، لكن دراسة محكمة جديدة نُشرت في مجلة Nature تشير إلى مسار محتمل من خلال ملاحظة انبعاثات النيوترونات أثناء تجارب مع مسحوق التيتانيوم المزدوج تحت تجويف صوتي. قد يفتح هذا الاكتشاف الطريق لمزيد من البحث في الاندماج البارد كمصدر طاقة بديل قابل للتطبيق، مع إمكانية توفير طاقة نظيفة، شبه لا نهائية.

تتحدى نتائج الدراسة المعتقد السائد منذ زمن طويل بأن الاندماج النووي يتطلب الظروف القصوى الموجودة في النجوم، مثل ملايين الدرجات من الحرارة والحقول المغناطيسية القوية. بدلاً من ذلك، يستكشف هذا النهج الجديد إمكانية تحقيق الاندماج عبر آليات مختلفة، مما قد يثوّر مشهد الطاقة من خلال توفير طريقة أكثر وصولًا وأقل استهلاكًا للموارد لتوليد الطاقة.

إذا نجح، يمكن للاندماج البارد أن يتجاوز البنية التحتية الضخمة ومتطلبات الطاقة العالية التي تتطلبها طرق الاندماج التقليدية، مما يجعله عاملًا محوريًا في السعي نحو حلول طاقة مستدامة ونظيفة.

الذكاء الاصطناعي: عامل تغيير قواعد اللعبة في استقرار تفاعلات الاندماج النووي

مع تزايد التعقيد والقدرات المتنامية، يُعيد الذكاء الاصطناعي تشكيل مجال الاندماج النووي من خلال توقع ومنع عدم استقرار البلازما، التي عرقلت تاريخيًا استدامة تفاعلات الاندماج.

طور الباحثون في جامعة برينستون ومختبر فيزياء البلازما بوزارة الطاقة الأمريكية نموذجًا للذكاء الاصطناعي قادرًا على توقع اضطرابات البلازما، مثل اضطرابات وضع التمزق، قبل حدوثها بما يصل إلى 300 مللي ثانية. يتيح ذلك للذكاء الاصطناعي إجراء تعديلات فورية على معلمات المفاعل، مما يحافظ على استقرار البلازما ويمنع انتهاء التفاعل مبكرًا.

تأتي القدرة التنبؤية للذكاء الاصطناعي من تدريبه على بيانات تجارب سابقة، مما يمكّنه من الاستجابة ديناميكيًا للاحتمالات غير المستقرة بطرق لا تستطيع النماذج الفيزيائية التقليدية تحقيقها.

نظرًا لأن البلازما بطبيعتها غير مستقرة ومعقدة، كان الحفاظ على استقرارها تحديًا كبيرًا في استدامة الاندماج النووي. ركّزت الأساليب التقليدية على تخفيف عدم الاستقرار فقط بعد أن يبدأ في تعطيل البلازما، وغالبًا ما يكون ذلك متأخرًا لإنقاذ التفاعل.

من خلال الاستفادة من قدرة الذكاء الاصطناعي على التنبؤ ومواجهة هذه الاضطرابات مسبقًا، يصبح عملية الاندماج أكثر استقرارًا وقابلية للتطبيق، مما يقترب من تحقيق طاقة اندماج عملية ومستدامة. لا تعزز هذه التطورات آفاق الاندماج كمصدر طاقة لا نهائي فحسب، بل تؤكد أيضًا الدور الحاسم للذكاء الاصطناعي في تجاوز أصعب العقبات في أبحاث الاندماج.

ماذا يحمل المستقبل؟

سوف يرى المستقبل شركات تبتكر حلول طاقة الاندماج التي تُحسّن من استغلال المساحة واستخدام الموارد من حيث الطاقة والتكلفة. وفقًا لعمر هوريكان، قائد برنامج في مختبر لورنس ليفرمور الوطني، حيث يقع مرفق الإشعال الوطني:

“الاندماج يبدو الآن أكثر قابلية للتحقق مقارنةً قبل عشر سنوات كمصدر طاقة مستقبلي.”

في عام 2023، العلماء حققوا اختراقًا عندما أنشأوا تفاعلًا نوويًا يمكنه توليد طاقة أكثر مما يستهلك. وفقًا للتقارير، استخدم التجربة مجموعة من 192 ليزرًا لتسليم 2.05 ميجا جول من الطاقة إلى أسطوانة ذهبية بحجم حبة البازلاء تحتوي على حبيبة مجمدة من نظائر الهيدروجين الديوتيريوم والتريتيوم.

كانت الطاقة شديدة للغاية لدرجة أنها انهيرت الكبسولة. درجة الحرارة التي تم الوصول إليها لا يمكن مطابقتها إلا بالنجوم والأسلحة الحرارية النووية. بعبارة أكثر تحديدًا، وفقًا للمختبر، تم إطلاق 3.15 ميجا جول من الطاقة—أكثر بنسبة 54٪ من الطاقة المدخلة إلى التفاعل وأكثر من ضعف الرقم القياسي السابق البالغ 1.3 ميجا جول.

آمن العديد من الباحثين أن نتائج التجربة تحمل إمكانات كبيرة للمستقبل. وفقًا لمايكل كامبل، المدير السابق لمختبر الاندماج في جامعة روتشستر بولاية نيويورك وأحد المدافعين الأوائل عن NIF أثناء وجوده في مختبر لورنس ليفرمور، قد يعزز الاختراق الثقة في وعد طاقة الاندماج بالليزر ويفتح في النهاية الباب أمام برنامج جديد يركز على تطبيقات الطاقة. اعتقد كيم بونديل، مدير مختبر لورنس ليفرمور، أن ذلك يمثل “الكتلة الأساسية لمخطط طاقة الاندماج القمعي”.

أظهرت التجربة ونجاحها أيضًا الحاجة إلى العديد من التطورات المستقبلية التي تجعل العملية أكثر صلابة. على سبيل المثال، لكي تصبح التجربة عملية قابلة للتطبيق، يجب أن ينمو طاقة الإطلاق مقارنةً بالطاقة المستخدمة لإنتاج نبضات الليزر بما لا يقل عن مرتبتين من الأوامر.

كما يحتاج المستقبل إلى زيادة هائلة في معدل إنتاج الليزر للنبضات ومدى سرعة إخلاء حجرة الهدف لإعدادها لحرق آخر.

بينما ستستمر هذه الجهود في الأيام القادمة، سنختتم مناقشتنا اليوم بذكر مشروع حيوي آخر في هذا المجال – مشروع ITER بقيمة 22 مليار دولار أمريكي، وهو تعاون بين الصين، والاتحاد الأوروبي، والهند، واليابان، وكوريا، وروسيا، والولايات المتحدة. يعمل المشروع نحو تحقيق الاندماج المستدام ذاتيًا، حيث ينتج طاقة الاندماج طاقة اندماج أخرى.

ببطء وثبات، مع اقتراب التجارب الحالية من نهايتها، ستصبح طاقة الاندماج أكثر فعالية من حيث التكلفة، ومُحسّنة، وجاهزة لتبني أوسع على نطاق جماهيري.