دراسة أمريكية تكشف مساراً بديلاً لتحقيق اندماج نووي مستدام

قد يمثل وجود كميات ضئيلة من معدن التنغستن عائقاً أمام تحقيق الاندماج النووي العملي، على الرغم من استخدام هذا المعدن لحماية المفاعلات من الحرارة الشديدة. تشير الأبحاث الجديدة إلى أن دخول أثر بسيط من التنغستن إلى الوقود فائق السخونة يمكن أن يجعل عملية الاندماج أكثر صعوبة بشكل ملحوظ.

تحديات التلوث بالمعادن الثقيلة

يتميز التنغستن بنقطة انصهار استثنائية ويُعتبر مادة مثالية لبطانة مفاعلات الاندماج المستقبلية. لكن الحسابات تظهر أن تركيزاً يعادل جزءاً واحداً من كل عشرة آلاف قد يضاعف الضغط اللازم للوصول إلى نقطة الاشتعال، وهي المرحلة التي تنتج فيها تفاعلات الاندماج حرارة كافية للاستمرار ذاتياً دون حاجة للتسخين الخارجي.

في الآلات المغناطيسية للاندماج، لا يعد هذا الأمر هيناً؛ إذ إن ارتفاع ضغط البلازما مقارنة بالمجال المغناطيسي الحاصر يزيد من مخاطر عدم الاستقرار. وفي بعض الحالات، يقترح النموذج أن الضغط المطلوب للاشتعال قد يتجاوز ما تستطيع البلازما تحمله بشكل مستقر. كما تشير الحسابات إلى أن المجالات المغناطيسية القوية جداً، التي تُرى كطريق لمفاعلات أصغر حجماً، قد تقدم خسائر إشعاعية إضافية تعقد عملية الاشتعال.

استراتيجية العكس في التسخين والكثافة

وجد باحثون في مختبر فيزياء البلازما التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في برينستون (PPPL) طريقة ذكية محتملة للوصول إلى الاشتعال. تقترح حساباتهم أنه بدلاً من زيادة كثافة الوقود ثم تسخينه، يمكن للمفاعلات استخدام طاقة أقل بكثير عبر عكس هذه العملية: تسخين البلازما أولاً، ثم إضافة الوقود لزيادة كثافتها.

طور الفيزيائيون لويس ديلغادو-أباريسيو، وماسايوكي أونو، وجوناثان مينارد إطاراً رياضياً يأخذ في الاعتبار تعقيدات غالباً ما تُدرس بشكل منفصل. تشمل هذه التعقيدات رماد الهيليوم المتراكم مع استهلاك الوقود، والشوائب الداخلة من جدران المفاعل، والإشعاع المنبعث من الإلكترونات أثناء حركتها عبر المجالات المغناطيسية، والحرارة الهاربة من البلازما.

يقارن الباحثون هذا المسار الجديد بمحاولة عبور سلسلة جبلية؛ فبدلاً من الصعود مباشرة إلى أعلى قمة واستنزاف الطاقة، يمكن إيجاد ممر منخفض يؤدي إلى الجانب الآخر بجهد أقل. يحدد النموذج منطقة تسمى "سرج كوردي"، وهو ممر أدنى يفصل بين البلازما المسخنة خارجياً والاندماج المستدام ذاتياً. في الحالة المثالية، يحدث هذا الممر عند مكسب اندماج يعادل خمسة أضعاف قوة التسخين الخارجي، مما يمثل خطوة وسيطة مفيدة نحو الاشتعال الكامل.

مآخذ على المعيار التقليدي للاشتعال

يعتمد العلماء منذ عقود على مبدأ طوره الباحثون في الخمسينيات يعرف باسم "معيار لوسون". يصف هذا المعيار مزيج درجة الحرارة وكثافة الوقود وحصر الطاقة اللازم لاستمرار الاندماج ذاتياً. ومع ذلك، فإن التعامل مع هذا المعيار كعتبة بسيطة يخفي المشكلة الحقيقية؛ فهو يحدد الظروف المستهدفة دون كشف بالضرورة عن الطريقة الأكثر كفاءة لتحقيقها.

البلازما الحقيقية أكثر فوضوية بكثير من النماذج النظرية. فعندما يتم إهمال تأثيرات مثل تلوث التنغستن والخسائر الإشعاعية، يبدو التصميم ناجحاً. يقول أونو في بيان صادر عن المختبر: "عندما تترك هذه التأثيرات خارج الحسابات، تقول إن التصميم سيعمل بشكل جيد. عندما تضعها في الحسبان، تتغير الصورة بالكامل."

مسارات واقعية نحو الطاقة النظيفة

يقترح الإطار الجديد طرقاً محتملة للالتفاف حول مشكلة التنغستن. إحدى هذه الطرق تتضمن طلاء جدران المفاعل بالليثيوم السائل، مما قد يساعد في منع تلوث التنغستن مع تحسين احتباس الحرارة في البلازما. خيار آخر هو استخدام وقود مستقطب مغزلياً، حيث يتم محاذاة الأنوية لزيادة احتمالية حدوث تفاعلات الاندماج.

من المثير للاهتمام أن الباحثين وجدوا أن بعض خسائر الطاقة التي تجعل الاشتعال أصعب قد تساعد في منع الزيادة المفرطة في درجات الحرارة، مما يجعل التحكم في الاندماج المستمر أسهل. ومع ذلك، لا يعني أي من هذا أن مفاعل اندماج تجاري أصبح في متناول اليد فجأة.

الأبحاث نظرية ولم يتم بعد إثبات نهج "التسخين أولاً" تجريبياً. يخطط الفريق لمزيد من التحقيق باستخدام المحاكاة الحاسوبية. هناك أيضاً تمييز مهم بين تحقيق اشتعال الاندماج وإنتاج الكهرباء المفيدة. حقق علماء منشأة الاشتعال الوطني في كاليفورنيا الاشتعال في ديسمبر 2022 باستخدام ليزر قوي لضغط هدف وقود صغير، لكن تلك التجربة اختلفت جوهرياً عن الحبس المغناطيسي المستدام المتوقع في محطات توليد الطاقة بالتوكاماك، ولم تنتج صافي كهرباء للشبكة.

لا يزال الاندماج التجاري يواجه تحديات هندسية هائلة، بما في ذلك إدارة المواد المشعة الناتجة عن قذف النيوترونات، وضمان كمية كافية من وقود التريتيوم، وتطوير أنظمة قادرة على العمل بشكل موثوق لفترات طويلة. لا يحل دراسة PPPL هذه المشكلات، لكنه يوفر طريقة أكثر واقعية لتقييم كيفية وصول مفاعلات الاندماج إلى الظروف اللازمة للتشغيل. وكما أوضح أونو: "تجارب الاندماج تكلف أموالاً طائلة، ولا تريد ارتكاب أخطاء كان بإمكانك اكتشافها مسبقاً." نُشر البحث في مجلة Physical Review Letters.