فيزيائيون يعملون في منشأة اندماج الليزر في الولايات المتحدة أعلنت عن العالم الأول - توليد المزيد من الطاقة من تفاعل الاندماج النووي الخاضع للرقابة مما هو مطلوب لتشغيل التفاعل. لقد حققوا ذلك باستخدام 3.5 مليار دولار مرفق الإشعال الوطني (NIF) - نظام ليزر بحجم ملعب كرة القدم ومقره في مختبر لورنس ليفرمور الوطني (LLNL) في كاليفورنيا. أطلقت طلقة الليزر، التي تم إجراؤها في 5 ديسمبر، 3.15 مليون جول من الطاقة من حبيبة صغيرة تحتوي على نظيري الهيدروجين - مقارنة بـ 2.05 ميجا جول التي أوصلتها تلك الليزر إلى الهدف.
جاء ذلك في حديثه أمس خلال مؤتمر صحفي في واشنطن العاصمة نظمته وزارة الطاقة للإعلان عن الإنجاز ، أشار مارك هيرمان ، رئيس فيزياء الأسلحة والتصميم في LLNL ، إلى أن الاختراق له أهمية مزدوجة. في حين أنه ينبغي على الفور تحسين قدرة الولايات المتحدة على مراقبة مخزونها من الأسلحة النووية دون اختبار - وهو الهدف الأساسي لـ NIF - فإنه يمكن ، على المدى الطويل ، أن يؤدي إلى شكل جديد نظيف ومستدام من الطاقة. وقال إن النتيجة تركت زملائه "متحمسين حقًا".
بالنسبة لمايكل كامبل من جامعة روتشستر بالولايات المتحدة ، فإن تجاوز "نقطة التعادل في الطاقة" - وهو هدف العلماء على مدى عقود - يشكل "لحظة أخوة رايت" لأبحاث الاندماج. ستيفن روز من إمبريال كوليدج لندن يقول أن النتيجة "تظهر بشكل قاطع أن الاندماج بالقصور الذاتي يعمل على نطاق ميغا جول".
'شيئا كبيرا'
يطلق NIF تفاعلات الاندماج من خلال توجيه ما يقرب من 200 حزمة ليزر عالية الطاقة داخل أسطوانة معدنية مجوفة بطول 1 سم. تتلاقى الأشعة السينية المكثفة الناتجة عن العملية على كبسولة كروية قطرها 2 مم موضوعة في منتصف الأسطوانة التي تحتوي على الديوتيريوم والتريتيوم. عندما يتم تفجير الجزء الخارجي من الكبسولة ، يتم دفع الديوتيريوم والتريتيوم إلى الداخل ولحظة وجيزة يتعرضان لضغوط ودرجات حرارة هائلة - عالية بما يكفي بحيث تتغلب النوى على التنافر والانصهار المتبادل ، مما ينتج عنه حرارة ونواة هيليوم ونيوترونات.
بعد تشغيل NIF في عام 2009 ، تصور الباحثون في الأصل تحقيق نقطة التعادل (أو "الاشتعال" ، كما يشار غالبًا إلى المعلم الرئيسي) بعد ثلاث سنوات. لكن المشاكل الناجمة عن عدم الاستقرار في البلازما المتولدة أثناء الاندماج وعدم التناسق في انفجارات الكبسولة حدت من ناتج الاندماج بالمنشأة.
لقد مرت 10 أعوام على حل المشكلات بخطوات للوصول إلى هذه النقطة
عمر الاعصار
استغرق الأمر حتى أوائل عام 2021 حتى يفهم العلماء الانفجارات بشكل كافٍ بحيث يمكنهم تكوين "بلازما مشتعلة" وتوليد حرارة من نوى الهيليوم أكثر مما يوفره الليزر. ثم في وقت لاحق من ذلك العام ، حصلوا أخيرًا على تفاعل اندماج مستدام ذاتيًا حيث تجاوزت الحرارة المتولدة الخسائر الناتجة عن التبريد - محققة عائدًا للطاقة يبلغ 1.37 ميجا جول.
تقول آني كريتشر ، عالمة الفيزياء في LLNL ، إن النتيجة الأخيرة تحققت من خلال زيادة طفيفة في طاقة الليزر - حوالي 8٪ مقارنة بـ 1.92 ميجا جول المستخدمة في العام الماضي - مع جعل الكبسولات أكثر سمكًا قليلاً ، وبالتالي أكثر مرونة قليلاً في مواجهة العيوب. بالإضافة إلى ذلك ، قاموا بتحسين تناسق الانفجار الداخلي عن طريق نقل الطاقة بين أشعة الليزر أثناء عملية الاندماج.
لاحظ زميل Kritcher Alex Zylstra أن اللقطة التي حطمت الرقم القياسي تم التقاطها في الساعة 1 صباحًا بالتوقيت المحلي في 5 ديسمبر. ولدت اللقطة كميات وفيرة من النيوترونات ، مما يشير إلى حدوث "شيء كبير" ، كما قال مدير المختبر كيم بوديل. ومع ذلك ، يضيف بوديل ، تم إجراء الكثير من القياسات الأخرى لتأكيد الحجم غير المسبوق ، حيث تم إحضار فريق من الخبراء المستقلين لمراجعة النظراء للنتائج قبل الإعلان عنها أمس.
عقد طويل "شاق"
وفقًا لعمر إعصار ، كبير العلماء في برنامج الانصهار في ليفرمور ، لم يكن هناك شك في أن نقطة التعادل ستتحقق بالنظر إلى ملاحظة حرق البلازما قبل عامين. كان السؤال الوحيد بالنسبة له هو بالضبط متى سيحدث المعلم. وقال: "لقد كانت عملية حل المشكلات على مدار 10 أعوام للوصول إلى هذه النقطة" عالم الفيزياء. "عشر سنوات تبدو طويلة ولكن في الواقع أعتقد أنها فترة قصيرة نسبيًا لمثل هذا التحدي العلمي الصعب."
يُشعل معلم اندماج الليزر في مرفق الإشعال الوطني الجدل
فيما يتعلق بالمكان الذي تترك فيه النتيجة الأخيرة اندماجًا بالقصور الذاتي مقارنةً بالمخطط المنافس الذي يعتمد على المغناطيس لاحتواء البلازما لفترات طويلة نسبيًا (كما سيتم استغلاله في ITER في فرنسا) ، يقول تامي ما من ليفرمور أن كلا النهجين لهما "مزايا و سلبيات". في حين أن الحبس المغناطيسي لم يحقق بعد نقطة التعادل ، إلا أنها تقول إنه أكثر تقدمًا عندما يتعلق الأمر بتطوير التكنولوجيا. في الواقع ، تشير إلى أن NIF لم يتم تصميمه لإثبات طاقة الاندماج العملية - حيث يستهلك حوالي 300 ميجا جول من الكهرباء لكل طلقة ليزر 2 ميجا جول.
يعتقد كل من ما وكامبل أن هناك مجالًا كبيرًا للتحسين. في حين أن تقنية NIF في حقبة التسعينيات فعالة بنسبة 1990 ٪ فقط ، يقول كامبل إن الليزر الحديث يمكن أن يصل إلى 0.5 ٪. عندما يقترن بمزيد من التحسينات على اكتساب الطاقة على الهدف ، فإنه يؤكد أن الاندماج بالقصور الذاتي يمكن أن يصبح حقيقة تجارية. لكنه يعتقد أن هذه النقطة لا تزال على الأرجح على بعد عقود مع وجود "العديد من التحديات" التي يجب التغلب عليها أولاً.
