الانصهار المتحكم به - الطاقة النووية .. الفيزياء
الانصهار المتحكم به
بالرغم من كثافة الابحاث الجارية في كافة انحاء العالم ، لم يتوصل الانسان ، حتى يومنا هذا ، الى تسخير التفاعلات النووية ( أو التفاعلات النووية الحرارية كما تسمى احيانا ) للاغراض السلمية فهناك ثلاثة أنواع من المشاكل الرئيسية التي ما زالت تعترض هذا السبيل هي : بلوغ درجة حرارة الاشتعال ، حصر التفاعل في اناء ( بسبب تبخر جميع المواد المعروفة على بضعة آلاف درجة مئوية ) واسترجاع الطاقة الناتجة عن التفاعل .
توصل العلماء عالم ١٩٦٣ الى بلوغ درجة حرارة الاشتعال اللازمة لصهر الدوتريوم مع الثريثيوم داخل انبوب خاص ولفترة وجيزة جدا ( مدتها ٣ ميكرو ثانية ) . وقد تم ذلك من تمرير نبضة كهربائية شديدة داخل مزيج غازي وعلى ضغط منخفض ، مما أدى الى خلق مجال مغنطيسي كان من الشدة بحيث منع جسيمات البلازما من ملامسة جدران الانبوب بسبب قدرة المجال على تحريك الجسيمات المشحونة في خطوط لولبية تحيط بخطوط القهوة وتتقارب كلما زادت شدة المجال نفسه ولهذا لا تستطيع الجسيمات الا ان تتحرك
( الى اعلى ) رسم تخطيطي لمفاعل انصهار .
( في الوسط ) الوسائط الثلاثة في تفاعل الانصهار .
( الى اسفل ) حبس البلازما .
حبس البلازما في قضيب البيسبول ( الى اليسار ) وانبوب الحبس المغنطيسي المحاط بمرايا مغنطيسية ( الى اليمين ) .
بين اعلى الانبوب واسفله ولا تستطيع عبوره على الاطلاق . هذا التقلص لمادة البلازما بواسطة المجال المغنطيسي يدعى اثر القرص وهو يحل عمليا مسألة حصر التفاعل في مكان صغير نسبيا . الا انه لسوء الحظ ، لا تكون البلازما المحبوسة مستقرة ، ولو لبرهة وجيزة ، بسبب التواءات تحدث فيها وتجعلها عرضة لملامسة جدران الانبوب . ولذلك تتجه معظم الابحاث الحالية والمتعلقة بالانصهار الى تصميم أجهزة كفيلة بجعل البلازما المحبوسة مغنطيسيا قادرة على البقاء على حالة الاستقرار لفترة كافية لاستخراج الطاقة الناتجة عن التفاعل نفسه .
تحتاج النبضة اللازمة لخلق البلازما ورفع درجة حرارتها الى درجة الاشتعال الى كمية كبيرة من الطاقة . وحتى يتمكن التفاعل من انتاج فائض من الطاقة ، فلا بد من حبس البلازما لفترة من الزمن لا تزيد عن حد أدنى محدد يقابله درجة معينة من الحرارة وكثافة معينة من المادة . وقد وجد لاوسن أن حاصل ضرب مدة حبس البلازما في تفاعل دوتریوم - تريثيوم بكثافتها لا بد أن يكون ١٤١٠ ث × جسيمات لكل سم ٣ على الاقل ، حتى تبلغ المادة حالة من التحلل تكون فيها كمية الطاقة الحرارية الناتجة كافية لمد النبضة بالطاقة التي تحتاجها ويبين الرسم معيار لاوسن على شكل مسطح مرسوم فوق مدى متغير من الحرارة يتراوح بين حرارة الاشتعال و ۵ × ۸۱۰ درجة .
وحتى الان لم يستطع أي جهاز بلوغ هذا المسطح بالرغم من امكانية تحقيق شرطين ، كل على حده ، من شروط الانصهار الثلاثة ( الحرارة ، الكثافة ، زمن الحبس ) .
وقد تمكن العلماء من بلوغ حالة أرفع من الاستقرار في بعض الاجهزة بادخال اشكال اضافية من التيار الكهربائي الى الانبوب . وأول جهاز استعمل لهذا الغرض كان مؤلفا من قضبان مستقيمة الشكل سميت قضبان أيوف ، نسبة الى مخترعها الروسي أيوف .
وهناك اشكال اخرى استعملت لايجاد بئر مغنطيسية بواسطة قضبان شبيهة بقبضة البيسبول سميت باسمها فيما بعد .
والجدير بالذكر ان كافة الابحاث المتعلقة بتصاميم مفاعلات الانصهار في المستقبل نفذت بحماس بالغ كان الهدف منه استقصاء أفضل الوسائل للتحكم بهذه الطاقة وأبسط نموذج لهذه المفاعلات المفاعل الذي يستخدم تفاعل الدوتريوم والتريتيوم ويعطي ٨٠ ٪ من طاقته على شكل نوترونات سريعة . وفي هذا النوع ، يقوم سائل الليثيوم المبرد والمحيط بأنبوب المفاعل بامتصاص طاقة النوترونات . والمعروف أن امكانية استخدام النوترونات لانتاج الوقود القابل للانشطار انطلاقا من ٢٣٨ يو هي احدى ميزات هذه الطريقة .
أما تفاعلات الانصهار التي تعطي معظم طاقتها على شكل جسيمات مشحونة ، كتفاعل الدوتريوم - تريثيوم ، ففيها يتم تحويل الطاقة الحركية الى طاقة كهربائية بطريقة مباشرة ويتحقق ذلك بجمع الجسيمات على مساري متناوبة الشحنة تطبق عليها فلطيات مناسبة ترفع من قيمة التحويل الطاقوي الذي يصل في بعض الاحيان الی ٩٠% .
( مفاعل انصهاري يستعمل في توليد الكهرباء مباشرة انطلاقا من تجميع الجسيمات المشحونة ) .
الانصهار المتحكم به
بالرغم من كثافة الابحاث الجارية في كافة انحاء العالم ، لم يتوصل الانسان ، حتى يومنا هذا ، الى تسخير التفاعلات النووية ( أو التفاعلات النووية الحرارية كما تسمى احيانا ) للاغراض السلمية فهناك ثلاثة أنواع من المشاكل الرئيسية التي ما زالت تعترض هذا السبيل هي : بلوغ درجة حرارة الاشتعال ، حصر التفاعل في اناء ( بسبب تبخر جميع المواد المعروفة على بضعة آلاف درجة مئوية ) واسترجاع الطاقة الناتجة عن التفاعل .
توصل العلماء عالم ١٩٦٣ الى بلوغ درجة حرارة الاشتعال اللازمة لصهر الدوتريوم مع الثريثيوم داخل انبوب خاص ولفترة وجيزة جدا ( مدتها ٣ ميكرو ثانية ) . وقد تم ذلك من تمرير نبضة كهربائية شديدة داخل مزيج غازي وعلى ضغط منخفض ، مما أدى الى خلق مجال مغنطيسي كان من الشدة بحيث منع جسيمات البلازما من ملامسة جدران الانبوب بسبب قدرة المجال على تحريك الجسيمات المشحونة في خطوط لولبية تحيط بخطوط القهوة وتتقارب كلما زادت شدة المجال نفسه ولهذا لا تستطيع الجسيمات الا ان تتحرك
( الى اعلى ) رسم تخطيطي لمفاعل انصهار .
( في الوسط ) الوسائط الثلاثة في تفاعل الانصهار .
( الى اسفل ) حبس البلازما .
حبس البلازما في قضيب البيسبول ( الى اليسار ) وانبوب الحبس المغنطيسي المحاط بمرايا مغنطيسية ( الى اليمين ) .
بين اعلى الانبوب واسفله ولا تستطيع عبوره على الاطلاق . هذا التقلص لمادة البلازما بواسطة المجال المغنطيسي يدعى اثر القرص وهو يحل عمليا مسألة حصر التفاعل في مكان صغير نسبيا . الا انه لسوء الحظ ، لا تكون البلازما المحبوسة مستقرة ، ولو لبرهة وجيزة ، بسبب التواءات تحدث فيها وتجعلها عرضة لملامسة جدران الانبوب . ولذلك تتجه معظم الابحاث الحالية والمتعلقة بالانصهار الى تصميم أجهزة كفيلة بجعل البلازما المحبوسة مغنطيسيا قادرة على البقاء على حالة الاستقرار لفترة كافية لاستخراج الطاقة الناتجة عن التفاعل نفسه .
تحتاج النبضة اللازمة لخلق البلازما ورفع درجة حرارتها الى درجة الاشتعال الى كمية كبيرة من الطاقة . وحتى يتمكن التفاعل من انتاج فائض من الطاقة ، فلا بد من حبس البلازما لفترة من الزمن لا تزيد عن حد أدنى محدد يقابله درجة معينة من الحرارة وكثافة معينة من المادة . وقد وجد لاوسن أن حاصل ضرب مدة حبس البلازما في تفاعل دوتریوم - تريثيوم بكثافتها لا بد أن يكون ١٤١٠ ث × جسيمات لكل سم ٣ على الاقل ، حتى تبلغ المادة حالة من التحلل تكون فيها كمية الطاقة الحرارية الناتجة كافية لمد النبضة بالطاقة التي تحتاجها ويبين الرسم معيار لاوسن على شكل مسطح مرسوم فوق مدى متغير من الحرارة يتراوح بين حرارة الاشتعال و ۵ × ۸۱۰ درجة .
وحتى الان لم يستطع أي جهاز بلوغ هذا المسطح بالرغم من امكانية تحقيق شرطين ، كل على حده ، من شروط الانصهار الثلاثة ( الحرارة ، الكثافة ، زمن الحبس ) .
وقد تمكن العلماء من بلوغ حالة أرفع من الاستقرار في بعض الاجهزة بادخال اشكال اضافية من التيار الكهربائي الى الانبوب . وأول جهاز استعمل لهذا الغرض كان مؤلفا من قضبان مستقيمة الشكل سميت قضبان أيوف ، نسبة الى مخترعها الروسي أيوف .
وهناك اشكال اخرى استعملت لايجاد بئر مغنطيسية بواسطة قضبان شبيهة بقبضة البيسبول سميت باسمها فيما بعد .
والجدير بالذكر ان كافة الابحاث المتعلقة بتصاميم مفاعلات الانصهار في المستقبل نفذت بحماس بالغ كان الهدف منه استقصاء أفضل الوسائل للتحكم بهذه الطاقة وأبسط نموذج لهذه المفاعلات المفاعل الذي يستخدم تفاعل الدوتريوم والتريتيوم ويعطي ٨٠ ٪ من طاقته على شكل نوترونات سريعة . وفي هذا النوع ، يقوم سائل الليثيوم المبرد والمحيط بأنبوب المفاعل بامتصاص طاقة النوترونات . والمعروف أن امكانية استخدام النوترونات لانتاج الوقود القابل للانشطار انطلاقا من ٢٣٨ يو هي احدى ميزات هذه الطريقة .
أما تفاعلات الانصهار التي تعطي معظم طاقتها على شكل جسيمات مشحونة ، كتفاعل الدوتريوم - تريثيوم ، ففيها يتم تحويل الطاقة الحركية الى طاقة كهربائية بطريقة مباشرة ويتحقق ذلك بجمع الجسيمات على مساري متناوبة الشحنة تطبق عليها فلطيات مناسبة ترفع من قيمة التحويل الطاقوي الذي يصل في بعض الاحيان الی ٩٠% .
( مفاعل انصهاري يستعمل في توليد الكهرباء مباشرة انطلاقا من تجميع الجسيمات المشحونة ) .
تعليق