تويت
أول وأكبر ماكنة من نوعها هي الآن تحت الإنشاء في مركز البحوث الفرنسي كاداراخه Cadarache المتخصص في بحوث الطاقة النووية.
يطلق على هذه الماكنة ITER وهي كلمة لاتينية تعني “الطريق” ومتوقع أن تبدأ حقبة جديدة من توليد الطاقة الكهربائية بواسطة الاندماج النووي.
الطريقة تتمثل بدمج نوعين من الهيدروجين يطلق على أحدهما ديتيريوم والآخر تريتيوم معا فتقوم الماكنة بتوليد 500 ميغاواط من الطاقة, و ذلك أكثر بعشر مرات من الطاقة اللازمة لتشغيل تلك الماكنة.
مجرد اكتمالها, سوف تكون الـ ITER ذات قياس 100 قدم (30 متر) بالقطر والارتفاع, ممثلة بذلك نوع جديد من ماكنات الاندماج النووي. إذا حدث و وصلت إلى درجات الطاقه المتوقعة ستكون الأولى من نوعها التي تسد الثغرات من بحوث الاندماج في المختبرات إلى طاقة الاندماج المتوفرة للمدن.
اعتبارا من يوليو 2015, تكاليف إنشاء هذه الماكنة قد تخطت 14 مليار دولار أمريكي ولكن يؤكد الخبراء أنها في النهاية سوف تستحق كل ذلك العناء والتكلفة. على كل حال؛ الاندماج النووي هو عملية تستمد النجوم مثل شمسنا طاقتها منها وتوفر بذلك أفضليات عن الطاقة الحالية إذا استطعنا تسخيرها هنا على الأرض.
ويتمثل ذلك بالخصائص التالية :
1- الاندماج يولد مخلفات غير مشعة يمكن تدويرها خلال 100 سنة كاملة بخلاف ما تنتجه مفاعلات الانشطار النووي الحالية من مخلفات سامة.
2- انعدام وجود فرصة تفاعل غير مرغوب لأن أي عطل يسبب تعثر في عملية الاندماج, فلا يوجد خطر انصهار نووي.
3- مصدر نظيف من الطاقة مقارنة بالفحم والغاز الطبيعي والنفط الخام.
4- يمكن تشغيل مفاعلات الاندماج على مياه البحر, وتقدم بذلك مصدر من الطاقة يمكن تجديده نسبيا.
ما هي مشاكل الاندماج؟
المشكلة الكبيرة تتمثل بأن ماكنات الاندماج تحتاج من الطاقة لتشغيلها أكثر مما تطلقه كناتج, وهذا بالضبط هو عكس ما نحتاجه في محطات توليد الطاقة الكهربائية. تنبع المشكلة من البلازما العالية الحرارة التي تنتجها ماكنات خاصة يطلق عليها “توكاماكس tokamaks” المكان الذي تحدث فيه عمليات الاندماج.
رغم أن الوصول إلى تلك الدرجات العالية هو عمل هندسي في حد ذاته إلا أن توكاماكس لا تستطيع تحمل تدفق البلازما لمدة طويلة, أطول مدة يمكن تحملها لتدفق البلامزا هو 6 دقائق و30 ثانية وهو ما تم تحقيقه بواسطة توكاماكس فرنسي في عام 2003.
هذا السلوك النبضي الذي يأتي من خلال تشغيل وإغلاق البلازما بشكل متتابع هو ما حاول العلماء تجنبه لعدة عقود لأن هذا السلوك النبضي يكلف طاقة عالية تحول دون استغلالها في ربح صافي من الطاقة.
عوضا عن هذا, الطريقة المثالية التي يجب أن تتبع هي ببناء ماكنة تستطيع إنتاج بلازما تحافظ على نفسها, وهنا يأتي عمل ماكنة ITER حيث أن درجة حرارة البلازما داخل هذه الماكنة سوف تصل الى 150 مليون درجة سيليزيوس أي عشر أضعاف درجة الحرارة داخل مركز الشمس فتكون بذلك كافية لصهر الديتيريوم والتريتيوم.
ناتج ثانوي مهم لهذه العملية هو الهيليوم وبالتحديد نواة ذرة الهيليوم. حيث تقفز هذه الأنوية مشكلة طاقة حرارية مما يساعد على إبقاء البلازما حارة بشكل فعال بدون الحاجة إلى أي طاقة خارجية إضافية.
يقول جوناثان مينارد Jonathan Menard مدير منشأة الاندماج PPPL لصحيفة بيزنز انسايدر Business Insider : “على ذلك النحو سوف تكون تقريبا محافظة على ذاتها بشكل كامل” .
هذا النوع من الاندماج مشابه جدا لما يحصل من عمليات احتراق داخل نواة شمسنا.
ما هو مستقبل هذا الاندماج؟
ماكنة أخرى تم تشغيلها مؤخرا ولأول مرة في المانيا يطلق عليها “فيندلشتاين 7-اكس Wendelstein 7-x” ويتوقع أن تولد بلازما محافظة على ذاتها. على كل حال؛ قال مينارد أنه من غير المحتمل أن تولد هذه الماكنة فائض طاقة كافي لدعم محطة توليد طاقة كهربائية بالاندماج النووي وهذا بالفعل ما صممت الماكنة ITER من أجله.
شكل آخر من أشكال الاندماج النووي يستخدم الليزر عوضا عن البلازما, مثل منشأة “ناشيونال ايغنيشن National Ignition” في ولاية كاليفورنيا, لكن هذه الطريقة لا تزال تحتاج المزيد لتكون توكاماكس العصر.
يقول مينارد : “أنظمة الليزر هذه غير فعالة إلى حد ما ونحن نعتقد أن أنظمة الاندماج البلازمية أقرب إلى تحقيق ربح صافي من الطاقة”.
بدأت عمليات إنشاء الماكنة ITER في عام 2007 و يتوقع أن يتم الانتهاء منها في عام 2019 وافتتاحها في عام 2020. يتوقع أن تصل الماكنة الى اندماج ديتيريوم وتريتيوم كامل لتكوين ربح صافي من الطاقة في عام 2027. في الوقت الراهن فإن منشآت بحوث الاندماج حول العالم ومن ضمنها منشأة PPPL تبحث في النواحي المختلفة لكيفية عمل الماكنة ITER.
أخيرا يقول مينارد : “نحن نستقصي وعلى وجه الخصوص كيفية حصر جزيئات الألفا أو نوى ذرات الهيليوم” .
يطلق على هذه الماكنة ITER وهي كلمة لاتينية تعني “الطريق” ومتوقع أن تبدأ حقبة جديدة من توليد الطاقة الكهربائية بواسطة الاندماج النووي.
الطريقة تتمثل بدمج نوعين من الهيدروجين يطلق على أحدهما ديتيريوم والآخر تريتيوم معا فتقوم الماكنة بتوليد 500 ميغاواط من الطاقة, و ذلك أكثر بعشر مرات من الطاقة اللازمة لتشغيل تلك الماكنة.
مجرد اكتمالها, سوف تكون الـ ITER ذات قياس 100 قدم (30 متر) بالقطر والارتفاع, ممثلة بذلك نوع جديد من ماكنات الاندماج النووي. إذا حدث و وصلت إلى درجات الطاقه المتوقعة ستكون الأولى من نوعها التي تسد الثغرات من بحوث الاندماج في المختبرات إلى طاقة الاندماج المتوفرة للمدن.
اعتبارا من يوليو 2015, تكاليف إنشاء هذه الماكنة قد تخطت 14 مليار دولار أمريكي ولكن يؤكد الخبراء أنها في النهاية سوف تستحق كل ذلك العناء والتكلفة. على كل حال؛ الاندماج النووي هو عملية تستمد النجوم مثل شمسنا طاقتها منها وتوفر بذلك أفضليات عن الطاقة الحالية إذا استطعنا تسخيرها هنا على الأرض.
ويتمثل ذلك بالخصائص التالية :
1- الاندماج يولد مخلفات غير مشعة يمكن تدويرها خلال 100 سنة كاملة بخلاف ما تنتجه مفاعلات الانشطار النووي الحالية من مخلفات سامة.
2- انعدام وجود فرصة تفاعل غير مرغوب لأن أي عطل يسبب تعثر في عملية الاندماج, فلا يوجد خطر انصهار نووي.
3- مصدر نظيف من الطاقة مقارنة بالفحم والغاز الطبيعي والنفط الخام.
4- يمكن تشغيل مفاعلات الاندماج على مياه البحر, وتقدم بذلك مصدر من الطاقة يمكن تجديده نسبيا.
ما هي مشاكل الاندماج؟
المشكلة الكبيرة تتمثل بأن ماكنات الاندماج تحتاج من الطاقة لتشغيلها أكثر مما تطلقه كناتج, وهذا بالضبط هو عكس ما نحتاجه في محطات توليد الطاقة الكهربائية. تنبع المشكلة من البلازما العالية الحرارة التي تنتجها ماكنات خاصة يطلق عليها “توكاماكس tokamaks” المكان الذي تحدث فيه عمليات الاندماج.
رغم أن الوصول إلى تلك الدرجات العالية هو عمل هندسي في حد ذاته إلا أن توكاماكس لا تستطيع تحمل تدفق البلازما لمدة طويلة, أطول مدة يمكن تحملها لتدفق البلامزا هو 6 دقائق و30 ثانية وهو ما تم تحقيقه بواسطة توكاماكس فرنسي في عام 2003.
هذا السلوك النبضي الذي يأتي من خلال تشغيل وإغلاق البلازما بشكل متتابع هو ما حاول العلماء تجنبه لعدة عقود لأن هذا السلوك النبضي يكلف طاقة عالية تحول دون استغلالها في ربح صافي من الطاقة.
عوضا عن هذا, الطريقة المثالية التي يجب أن تتبع هي ببناء ماكنة تستطيع إنتاج بلازما تحافظ على نفسها, وهنا يأتي عمل ماكنة ITER حيث أن درجة حرارة البلازما داخل هذه الماكنة سوف تصل الى 150 مليون درجة سيليزيوس أي عشر أضعاف درجة الحرارة داخل مركز الشمس فتكون بذلك كافية لصهر الديتيريوم والتريتيوم.
ناتج ثانوي مهم لهذه العملية هو الهيليوم وبالتحديد نواة ذرة الهيليوم. حيث تقفز هذه الأنوية مشكلة طاقة حرارية مما يساعد على إبقاء البلازما حارة بشكل فعال بدون الحاجة إلى أي طاقة خارجية إضافية.
يقول جوناثان مينارد Jonathan Menard مدير منشأة الاندماج PPPL لصحيفة بيزنز انسايدر Business Insider : “على ذلك النحو سوف تكون تقريبا محافظة على ذاتها بشكل كامل” .
هذا النوع من الاندماج مشابه جدا لما يحصل من عمليات احتراق داخل نواة شمسنا.
ما هو مستقبل هذا الاندماج؟
ماكنة أخرى تم تشغيلها مؤخرا ولأول مرة في المانيا يطلق عليها “فيندلشتاين 7-اكس Wendelstein 7-x” ويتوقع أن تولد بلازما محافظة على ذاتها. على كل حال؛ قال مينارد أنه من غير المحتمل أن تولد هذه الماكنة فائض طاقة كافي لدعم محطة توليد طاقة كهربائية بالاندماج النووي وهذا بالفعل ما صممت الماكنة ITER من أجله.
شكل آخر من أشكال الاندماج النووي يستخدم الليزر عوضا عن البلازما, مثل منشأة “ناشيونال ايغنيشن National Ignition” في ولاية كاليفورنيا, لكن هذه الطريقة لا تزال تحتاج المزيد لتكون توكاماكس العصر.
يقول مينارد : “أنظمة الليزر هذه غير فعالة إلى حد ما ونحن نعتقد أن أنظمة الاندماج البلازمية أقرب إلى تحقيق ربح صافي من الطاقة”.
بدأت عمليات إنشاء الماكنة ITER في عام 2007 و يتوقع أن يتم الانتهاء منها في عام 2019 وافتتاحها في عام 2020. يتوقع أن تصل الماكنة الى اندماج ديتيريوم وتريتيوم كامل لتكوين ربح صافي من الطاقة في عام 2027. في الوقت الراهن فإن منشآت بحوث الاندماج حول العالم ومن ضمنها منشأة PPPL تبحث في النواحي المختلفة لكيفية عمل الماكنة ITER.
أخيرا يقول مينارد : “نحن نستقصي وعلى وجه الخصوص كيفية حصر جزيئات الألفا أو نوى ذرات الهيليوم” .