مفاعل الشمس الاصطناعية في الصين يحطم الحد الأقصى للاندماج النووي خطوة أقرب إلى طاقة نظيفة لا حدود لها تقريبًا.

الصيناخترق مفاعل الاندماج النووي في الصين، والذي يطلق عليه اسم “الشمس الاصطناعية“، حد الاندماج النووي الرئيسي بإطلاق البلازما إلى ما هو أبعد من نطاقه التشغيلي المعتاد، مما أدى إلى تقدم البشرية البطيء نحو طاقة نظيفة لا حدود لها تقريبًا.

احتفظ التوكاماك التجريبي المتقدم فائق التوصيل (EAST) بالبلازما ذات الطاقة العالية الحالة الرابعة للمادة – مستقرة عند الكثافات القصوى، والتي كان يُنظر إليها سابقًا على أنها عقبة رئيسية أمام تطوير الاندماج النووي، وفقًا لـ إفادة أصدرته الأكاديمية الصينجامعة العلوم

“تشير النتائج إلى مسار عملي وقابل للتطوير لتوسيع حدود الكثافة في التوكاماك وأجهزة دمج البلازما المحترقة من الجيل التالي” ، مؤلف مشارك في الدراسة. بينغ تشووقال البروفيسور في كلية الهندسة الكهربائية والإلكترونية بجامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين، في البيان.

الاندماج النووي يوفر إمكانية الحصول على طاقة نظيفة لا حدود لها تقريبًا. وبعبارة أخرى، الطاقة دون الكثير النفايات النووية أو الاحتباس الحراري انبعاثات الغازات الدفيئة يتم إطلاقه عن طريق حرق الوقود الأحفوري. النتائج الجديدة نشرت في 1 يناير في المجلة تقدم العلوم، يمكن أن يقرب جنسنا البشري خطوة واحدة من إطلاق مصدر الطاقة هذا، والذي يدعي بعض الباحثين أنه يمكننا تسخيره في غضون عقود.

ومع ذلك، فإن تكنولوجيا الاندماج النووي قيد التطوير منذ أكثر من 70 عامًا، ولا تزال علمًا تجريبيًا إلى حد كبير، حيث تستهلك المفاعلات عادةً طاقة أكثر مما يمكنها إنتاجها. وفي الوقت نفسه، يدعو علماء المناخ إلى التعمق تخفيضات لانبعاثات الغازات الدفيئة الآن كما آثار تغير المناخ يتم الشعور بها بالفعل في جميع أنحاء العالم. لذلك من غير المرجح أن يمثل الاندماج النووي حلاً عمليًا لأزمة المناخ الحالية، ولكنه قد يزود عالمنا بالطاقة في المستقبل.

تم تصميم مفاعلات الاندماج لدمج ذرتين خفيفتين في ذرة ثقيلة واحدة عن طريق الحرارة والضغط. ومن خلال القيام بذلك، فإنها تولد الطاقة بطريقة مشابهة للشمس. ومع ذلك، فإن الشمس لديها ضغط أكبر بكثير من مفاعلات الأرض، لذلك يعوض العلماء عن طريق محاصرة البلازما الساخنة في درجات حرارة أعلى بكثير من الشمس.

إن مفاعل إيست الصيني عبارة عن مفاعل احتجاز مغناطيسي، أو توكاماك، مصمم للحفاظ على احتراق البلازما بشكل مستمر لفترات طويلة. يقوم المفاعل بتسخين البلازما وحبسها داخل غرفة على شكل كعكة دونات باستخدام مجالات مغناطيسية قوية. لم تتمكن مفاعلات توكاماك بعد من تحقيق اشتعال الاندماج النووي، وهي النقطة التي تصبح عندها عملية الاندماج مكتفية ذاتيًا، لكن مفاعل إيست قام بزيادة مقدار الوقت الذي يمكن أن يستغرقه الحفاظ على حلقة ثابتة ومحدودة للغاية من البلازما.

إحدى العقبات التي تواجه الباحثين في مجال الاندماج هي حد الكثافة الذي يسمى حد غرينوالد، والذي تصبح البلازما بعده غير مستقرة عادةً. يمثل هذا الحد مشكلة، لأنه في حين أن كثافات البلازما الأعلى تمكن المزيد من الذرات من الاصطدام ببعضها البعض، وبالتالي خفض تكلفة الطاقة اللازمة للاشتعال، فإن عدم الاستقرار يقتل أيضًا تفاعل الاندماج.

للتغلب على حد غرينوالد، قام العلماء في EAST بإدارة تفاعل البلازما مع جدران المفاعل بعناية من خلال التحكم في معلمتين رئيسيتين عند بدء تشغيل المفاعل: ضغط غاز الوقود الأولي وضغط غاز الوقود الأولي. تسخين الرنين السيكلوتروني الإلكترونيأو التردد الذي تمتص به الإلكترونات الموجودة في البلازما الموجات الدقيقة. وهذا ما أبقى البلازما مستقرة عند كثافات شديدة تبلغ 1.3 إلى 1.65 مرة فوق حد غرينوالد – وهو أعلى بكثير من النطاق التشغيلي المعتاد للتوكاماك الذي يتراوح بين 0.8 إلى 1، وفقًا للدراسة.

هذه ليست المرة الأولى التي يتم فيها انتهاك حد غرينوالد. على سبيل المثال، مرفق الاندماج الوطني DIII-D التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في سان دييغو اخترق الحد في عامي 2022، و2024، أعلن الباحثون في جامعة ويسكونسن-ماديسون في ويسكونسن أنهم حافظوا على بلازما توكاماك مستقرة عند حوالي 10 أضعاف حد غرينوالد باستخدام جهاز تجريبي.

ومع ذلك، فإن الاختراق في EAST مكن الباحثين من تسخين البلازما إلى حالة نظرية سابقة تسمى “النظام الخالي من الكثافة” لأول مرة، حيث ظلت البلازما مستقرة مع زيادة الكثافة. يعتمد البحث على نظرية تسمى التنظيم الذاتي لجدار البلازما (PWSO)، الذي يقترح أن النظام الخالي من الكثافة يمكن أن يكون ممكنًا عندما يكون التفاعل بين البلازما وجدران المفاعل في حالة متوازنة بعناية، وفقًا للبيان.

إن التقدم المحرز في شرق الولايات المتحدة وفي الولايات المتحدة سيفيد في تطوير مفاعلات جديدة. الصين والولايات المتحدة كلاهما جزء من المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي برنامج (ITER) وهو عبارة عن تعاون بين عشرات الدول لبناء أكبر توكاماك في العالم في فرنسا.

سيكون ITER مفاعلًا تجريبيًا آخر مصممًا لإنشاء اندماج مستدام للأغراض البحثية، ولكنه يمكن أن يمهد الطريق لمحطات توليد الطاقة الاندماجية. ومن المتوقع أن يبدأ مفاعل ITER في إنتاج تفاعلات اندماجية واسعة النطاق في عام 2039.