علماء الفيزياء يحققون إنجازا هاما في مجال تطوير الطاقة عالميا!

يقترب علماء الفيزياء الذين يعملون على نوع من مفاعل الاندماج يسمى النجمي (stellarator)، من تسخير قوة الاندماج النووي.

وكشفت ورقة بحثية جديدة، أن جهاز Wendelstein 7-X النجمي في ألمانيا قادر الآن على احتواء حرارة تصل إلى ضعف درجات الحرارة الموجودة في قلب الشمس. وهذا يعني أن علماء الفيزياء كانوا قادرين على تقليل فقد الحرارة - وهي خطوة كبيرة إلى الأمام في تكنولوجيا النجوم.

وقال الفيزيائي نوفيمير بابلانت، من مختبر Princeton لفيزياء البلازما (PPPL): "إنها حقا أخبار مثيرة أن هذا التصميم كان ناجحا. إنه يظهر بوضوح أن هذا النوع من التحسين يمكن القيام به".

وتعد قوة الاندماج محور جهود تطوير الطاقة حول العالم. ومن الناحية النظرية، تعتمد على تسخير الطاقة المنبعثة عندما تندمج النوى في البلازما لإنتاج عنصر أثقل: العملية نفسها التي تحدث في قلوب النجوم. وإذا تمكنا من تحقيق ذلك، فستكون الفوائد هائلة - طاقة نظيفة عالية المخرجات لا تنضب عمليا.

ومع ذلك، فإن قول ذلك أسهل من فعله. فالاندماج عملية نشطة للغاية، وليس من السهل احتواؤها. وتم البحث عن طاقة الاندماج لأول مرة في الأربعينيات؛ بعد عقود، ما زالت مفاعلات الاندماج لا تنتج قدرا كبيرا من الطاقة التي تفقدها، بهامش كبير جدا - على الرغم من أن الفجوة تضيق.

وتُعرف تقنية الاندماج التي تحطم سجلات درجات الحرارة حاليا بـ"توكاماك" - حلقة بلازما على شكل دونات محصورة في غلاف من المجالات المغناطيسية، مدفوعة بسرعة عالية في نبضات سريعة. 

ومن ناحية أخرى، تعتمد Stellarators على تكوين معقد بشكل لا يصدق للمغناطيسات التي حُددت بواسطة AI الذي يمكنه توجيه البلازما للحفاظ على تدفقها. ومن الصعب جدا تصميمها وبناؤها، ما أدى إلى تسريب Stellarators قدرا كبيرا من الطاقة الناتجة عن الاندماج، في شكل فقد الحرارة، وهو نتيجة لعملية تسمى النقل الكلاسيكي الجديد، حيث يتسبب اصطدام الأيونات في مفاعل الاندماج في انتشار البلازما للخارج.

ونظرا لأن "توكاماك" لها أوجه قصور خاصة بها، سعى الباحثون في PPPL ومعهد "ماكس بلانك" لفيزياء البلازما إلى تشكيل المغناطيس في W7-X لمحاولة تقليل تأثيرات النقل الكلاسيكي الجديد. والآن، أظهرت القياسات، المأخوذة باستخدام أداة تسمى مقياس الطيف البلوري للتصوير بالأشعة السينية (XICS)، درجات حرارة عالية جدا داخل المفاعل.

وتُدعم من خلال قياسات التحليل الطيفي لإعادة تركيب تبادل الشحنات (CXRS)، والتي يُعتقد أنها أكثر دقة من قياسات XICS، ولكن لا يمكن أخذها في جميع الظروف.

ولكن مع اتفاق مجموعتي البيانات، يبدو أن النجم كان قادرا على تحقيق درجات حرارة تقارب 30 مليون كلفن.

ووجد الفريق أن هذا لن يكون ممكنا إلا إذا كان هناك انخفاض حاد في النقل الكلاسيكي الجديد. وأجروا نمذجة لتحديد مقدار الحرارة التي ستفقد عبر النقل الكلاسيكي الجديد إذا لم يتم تحسين W7-X، ووجدوا أن 30 مليون كلفن كانت بعيدة عن المنال.

وقال بابلانت: "أظهر هذا أن الشكل الأمثل لـ W7-X قلل من النقل الكلاسيكي الجديد وكان ضروريا للأداء الذي شوهد في تجارب W7-X. كانت طريقة لإظهار مدى أهمية التحسين".

وتمثل هذه النتيجة المثيرة خطوة مهمة إلى الأمام في تحسين التصميم النجمي، خطوة ستعلم وتشكل الجهود المستقبلية. إنها أيضا خطوة مهمة نحو مفاعل اندماج عملي، على الرغم من وجود الكثير من العمل الذي يتعين القيام به. ولكي يكون مفاعل الاندماج عمليا، لا يحتاج فقط إلى درجات حرارة عالية، ولكن يجب أن يحتوي على كثافة مناسبة للبلازما وأوقات احتجاز مناسبة. 

ومع وجود تقنيات مختلفة لمفاعل الاندماج النووي قيد التطوير حاليا، يبدو أنها مسألة وقت فقط قبل أن يسلّم أحدها. وقد يستغرق الأمر بعض الوقت حتى تصل الطاقة المتولدة من الاندماج إلى شبكات الطاقة لدينا، ولكن عندما يحدث ذلك، قد يؤدي إلى تغيير العالم.

ويخضع W7-X حاليا للترقيات، وسيستأنف عملياته في عام 2022.

ونُشر البحث في مجلة Nature.