La الطاقة النووية لعبت دورا حاسما في إمدادات الطاقة في العالم لعقود من الزمن. ومع ذلك، فإن الطاقة المستمدة من الاندماج النووي ويعد بتغيير أكثر أهمية في مشهد الطاقة، مما يوفر موردا لا ينضب تقريبا مع الحد الأدنى من انبعاثات النفايات المشعة. وعلى الرغم من إمكانياتها، إلا أن هذه العملية الرائعة لا تزال في طور التطوير، نظرا لأن الصعوبات التكنولوجية والاقتصادية ليست بسيطة. إنه تحدٍ يبحث عنه العلماء في جميع أنحاء العالم باستمرار لجعل الاندماج النووي حقيقة واقعة كمصدر تجاري مستقر للطاقة في يوم من الأيام.
في هذا المقال سوف نتعمق في ماهية الاندماج النووي، وفوائده، والتحديات التي تواجهه ليصبح مصدرًا تجاريًا، وأهميته لمستقبل الطاقة العالمية.
ما هو الاندماج النووي؟
الاندماج النووي هو عملية مختلفة عن الانشطار النووي، وهي الآلية المستخدمة في المحطات النووية الحالية. في حين أن الانشطار ينطوي على تقسيم الذرات الثقيلة، مثل اليورانيوم والبلوتونيوم، فإن الاندماج ينطوي على انضمام النوى الأخف وزنا، مثل ذرات الهيدروجين، لتشكيل نواة أثقل وأكثر استقرارا. نتيجة هذا الاتحاد تطلق كمية كبيرة من الطاقة على شكل حرارة.
العملية الأكثر جدوى حتى الآن هي اندماج الديوتيريوم والتريتيوم، وهما نظيران للهيدروجين، لتكوين الهيليوم. خلال هذا التفاعل، يتم أيضًا إطلاق جسيمات مثل النيوترونات. في حالة اندماج الديوتيريوم والتريتيوم، يتم إطلاق 17.6 ميغا إلكترون فولت (ملايين الإلكترون فولت) لكل تفاعل اندماج. وهذه الطاقة أكبر بكثير من تلك التي يتم الحصول عليها في الانشطار النووي.
إحدى المزايا الرئيسية للاندماج النووي هي إمكانية استخلاص الديوتيريوم من مياه البحر، مما يجعله غير محدود تقريبًا من حيث إمدادات الوقود. من ناحية أخرى، يمكن توليد التريتيوم، على الرغم من أنه ليس بنفس وفرة الديوتيريوم، في مفاعلات الاندماج نفسها عن طريق قصف الليثيوم بالنيوترونات.
كيف يتم الاندماج النووي؟
إن تحقيق الاندماج النووي على الأرض ينطوي على إعادة إنتاج الظروف القاسية، المشابهة لتلك التي تحدث في قلب النجوم. لكي تندمج النوى الذرية، يجب عليها التغلب على التنافر الكهروستاتيكي الطبيعي فيما بينها، وللقيام بذلك يجب أن تصل درجات الحرارة إلى ملايين الدرجات المئوية.
في المفاعلات التجريبية مثل توكاماك وستيلاراتور، يتم تسخين الذرات إلى أكثر من 100 مليون درجة لتوليد سرعة وطاقة كافية للنواة لتقترب بدرجة كافية من بعضها البعض وتندمج. عند درجات الحرارة هذه، لا تعود المادة في حالة صلبة أو سائلة أو غازية، بل في حالة البلازما، وهو غاز متأين من الجسيمات المشحونة.
المشكلة الرئيسية في الاندماج هي أنه لا توجد مادة على الأرض يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية هذه دون ذوبان. لذلك، في مفاعلات الاندماج، يجب أن تكون البلازما محصورة بمجالات مغناطيسية قوية تمنعها من ملامسة جدران المفاعل. هذا هو النهج المتبع في الحبس المغناطيسي، والذي يتكون من احتجاز البلازما داخل شكل هندسي حلقي (على شكل حلقة) باستخدام مغناطيس فائق التوصيل.
هناك طريقة أخرى وهي الحبس بالقصور الذاتي، حيث يتم استخدام أشعة الليزر أو حزم الجسيمات لضغط كبسولات الديوتيريوم والتريتيوم الصغيرة إلى كثافات عالية للغاية، مما يتسبب في اندماج الجسيمات قبل أن يتوفر لها الوقت للتوسع. ومن الأمثلة البارزة على هذا النهج مرفق الإشعال الوطني (NIF) في الولايات المتحدة، والذي حقق معالم مهمة في أبحاث الاندماج بالقصور الذاتي.
استراتيجيات الاحتواء العلمية
هناك طريقتان رئيسيتان لمحاولة تحقيق الاندماج النووي المتحكم فيه: الحبس المغناطيسي والحبس بالقصور الذاتي.
الحبس المغناطيسي: تعتمد هذه الطريقة على استخدام مجالات مغناطيسية قوية لاحتواء البلازما الساخنة. في مفاعل توكاماكعلى سبيل المثال، تكون المغناطيسات ذات الشكل الحلقي مسؤولة عن إبقاء البلازما بعيدًا عن جدران المفاعل، مما يسمح بحدوث عملية الاندماج دون تبريد البلازما بسرعة كبيرة.
أحد أكبر التحديات التي تواجه هذه التقنية هو أن جزءًا صغيرًا فقط من الجزيئات الموجودة في البلازما يتمكن من الاندماج. لكي يكون الاندماج النووي مجديًا اقتصاديًا، يجب تحقيق كفاءة بلازما تزيد عن 50%، وهو ما يُعرف باسم معيار لوسون. على الرغم من أن الشمس تستخدم حبس الجاذبية بسبب كتلتها الهائلة، إلا أنه لا يمكننا على الأرض تكرار تلك الضغوط، لذلك نحن بحاجة للوصول إلى درجات حرارة أعلى بكثير.
الحبس بالقصور الذاتي: بدلًا من احتواء البلازما بمجالات مغناطيسية، يقترح الحبس بالقصور الذاتي استخدام أشعة الليزر أو حزم الجسيمات لضغط كبسولات الديوتيريوم والتريتيوم. والفكرة هي أنه من خلال ضغط هذه الكبسولات إلى كثافات عالية للغاية ثم تسخينها بسرعة، يتم تحفيز الاندماج قبل أن تتمكن الجسيمات من التحرك كثيرًا.
لكلا النهجين مزاياه وعيوبه، ويواصل العلماء البحث عن النهج الذي سيجعل مفاعلات الاندماج النووي قابلة للتطبيق تجاريًا.
متى سيكون مجديا تجاريا؟
على الرغم من التقدم الذي تم إحرازه في العقود الأخيرة، لا يزال الاندماج النووي على بعد بضعة عقود من أن يصبح قابلاً للتطبيق تجاريًا. تشير التقديرات إلى أنه قد يكون من الممكن رؤية أول مفاعلات الاندماج النووي التجارية في حوالي عام 2050، على الرغم من أن هذا التاريخ يعتمد إلى حد كبير على التقدم التكنولوجي واستمرار تمويل الأبحاث.
ومع ذلك، فإن أحد المشاريع الواعدة هو ايتر (المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي)، وهو جهد دولي يهدف إلى إثبات الجدوى التقنية والعلمية للاندماج النووي من خلال الحبس المغناطيسي. إذا نجحت اختبارات ITER، فمن المأمول أن تتمكن من تمهيد الطريق لإنشاء مفاعلات تجارية تعتمد على الاندماج النووي.
وكان التقدم الكبير الآخر هو تطوير الموصلات الفائقة في درجات الحرارة العالية للمغناطيس المستخدم في مفاعلات الاندماج. قام باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) بتطوير مغناطيس فائق التوصيل يولد مجالات مغناطيسية أقوى بكثير من المغناطيسات التقليدية، مع استهلاك أقل بكثير للطاقة. ووفقا للدراسات، فإن هذه التكنولوجيا يمكن أن تقلل من تكلفة مفاعلات الاندماج بمعامل 40، مما يجعل الاندماج التجاري ليس قابلا للتطبيق فحسب، بل يحتمل أن يكون تنافسيا من حيث التكلفة.
ولجعل الاندماج حقيقة واقعة، لا يتطلب الأمر تحقيق اختراق علمي فحسب، بل يتطلب الأمر أيضاً تعاوناً دولياً أوسع نطاقاً والتزاماً سياسياً ومالياً لدعم البحوث الطويلة الأجل. يتمتع الاندماج النووي بالقدرة على أن يصبح مصدرًا نظيفًا وآمنًا وغير محدود تقريبًا للطاقة، ولكنه يتطلب استثمارًا مستدامًا وجهودًا منسقة عالميًا.
ويمثل الاندماج النووي وعداً هائلاً في مجال الطاقة من شأنه أن يعالج العديد من المشاكل التي تواجه حضارتنا من حيث الاستدامة وأمن الطاقة. إلا أن التحديات العلمية والتقنية واللوجستية التي تواجه هذه التكنولوجيا هائلة. ومع تقدم الأبحاث، من المأمول أنه في العقود المقبلة، يمكن للاندماج النووي أن ينتقل أخيرًا من المختبر ليصبح جزءًا من إمدادات الطاقة في العالم.