يُشعل معلم اندماج الليزر في مرفق الإشعال الوطني الجدل

في الثامن من أغسطس من العام الماضي، استخدم الفيزيائيون في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في الولايات المتحدة أكبر ليزر في العالم لإجراء تجربة قياسية. توظيف 8 كمرا بقيمة 192 مليار دولار مرفق الإشعال الوطني (NIF) لتفجير كبسولة بحجم حبة الفلفل تحتوي على الديوتيريوم والتريتيوم، تسببت في اندماج نظيري الهيدروجين، مما أدى إلى توليد تفاعل اندماجي ذاتي الاستدامة لمدة جزء من الثانية. ومع توفير العملية لأكثر من 70% من الطاقة المستخدمة لتشغيل الليزر، تشير النتائج إلى أن الليزر العملاق قد يتيح مصدرًا جديدًا للطاقة الآمنة والنظيفة وغير المحدودة بشكل أساسي.

وقد وضعت هذه النتيجة الباحثين في مختبر ليفرمور في مزاج احتفالي، بعد أن كافحوا لأكثر من عقد من الزمن لتحقيق تقدم كبير. ولكن سرعان ما تلاشت الإثارة الأولية عندما باءت عدة محاولات لاحقة لإعادة إنتاج هذا الإنجاز بالفشل ــ حيث حشدت في أفضل الأحوال نصف الناتج القياسي الذي حطم الأرقام القياسية. نظرًا لأن إدارة ليفرمور قررت تجربة عدد قليل فقط من التجارب المتكررة، فقد أوقف المختبر سعيه لتحقيق التعادل وحاول بدلاً من ذلك معرفة سبب الاختلاف في الإنتاج.

بالنسبة لمنتقدي NIF، لم يكن التصحيح الأخير للمسار مفاجئًا، إذ يوضح مرة أخرى على ما يبدو عدم ملاءمة المنشأة كقاعدة اختبار لإنتاج طاقة اندماجية قوية. لكن العديد من العلماء ما زالوا متفائلين، وقد خرج باحثو NIF أنفسهم من الصراع، ونشروا مؤخرًا نتيجة حقنتهم التي حطمت الرقم القياسي في استعراض للحروف البدنية (129 075001). ويصرون على أنهم قد حققوا، بعد كل شيء، "الاشتعال"، حيث وصلوا إلى النقطة التي يفوق فيها التسخين الناتج عن تفاعلات الاندماج التبريد، مما يخلق حلقة تغذية مرتدة إيجابية تعمل على زيادة درجة حرارة البلازما بسرعة.

ويؤكد عمر هوريكان، كبير علماء برنامج الاندماج النووي في ليفرمور، أن هذا التعريف القائم على الفيزياء للاشتعال ــ وليس الوصف البسيط لتعادل الطاقة ــ هو التعريف المهم حقاً. واصفًا الإنجاز النهائي لنقطة التعادل بأنه "حدث العلاقات العامة التالي"، إلا أنه يقول إنه يظل معلمًا مهمًا يريد هو وزملاؤه الوصول إليه. والحقيقة أن الفيزيائيين من خارج مختبر ليفرمور واثقون من أن الهدف الذي نوقش كثيراً سوف يُضرب. ستيفن روز يعتقد باحثو جامعة إمبريال كوليدج في المملكة المتحدة أن "هناك كل الاحتمالات" لتحقيق التعادل.

سجل المكاسب

تتضمن محاولة تسخير الاندماج تسخين بلازما من النوى الخفيفة إلى النقطة التي تتغلب فيها تلك النوى على التنافر المتبادل وتتحد لتشكل عنصرًا أثقل. وتنتج هذه العملية جسيمات جديدة - في حالة الديوتيريوم والتريتيوم، ونواة الهيليوم (جسيمات ألفا) والنيوترونات - فضلا عن كميات هائلة من الطاقة. إذا كان من الممكن الاحتفاظ بالبلازما عند درجات حرارة وضغوط هائلة بشكل مناسب لفترة كافية، فيجب أن توفر جسيمات ألفا حرارة كافية للحفاظ على التفاعلات من تلقاء نفسها بينما يمكن اعتراض النيوترونات لتشغيل التوربينات البخارية.

يستخدم التوكاماك الاندماجي المجالات المغناطيسية لحصر البلازما لفترات طويلة إلى حد ما. إن NIF، باعتباره جهاز "الحبس بالقصور الذاتي"، يستغل بدلاً من ذلك الظروف القاسية التي تنشأ للحظة عابرة داخل كمية صغيرة من وقود الاندماج النووي المضغوط للغاية قبل أن يتوسع مرة أخرى. يتم وضع الوقود داخل كبسولة كروية قطرها 2 مم، والتي تقع في وسط "hohlraum" معدني أسطواني يبلغ طوله حوالي 1 سم وينفجر عندما تضرب أشعة الليزر الموجهة بدقة من NIF الجزء الداخلي من hohlraum وتولد طوفانًا من الأشعة السينية.

وعلى النقيض من التوكاماك، لم يتم تصميم NIF في المقام الأول لإظهار الطاقة، بل كان بمثابة فحص لبرامج الكمبيوتر المستخدمة لمحاكاة انفجارات الأسلحة النووية - نظرًا لأن الولايات المتحدة توقفت عن إجراء الاختبارات الحية في عام 1992. ولكن بعد تشغيله في عام 2009، سرعان ما تم تصميمه. أصبح من الواضح أن البرامج المستخدمة لتوجيه عملياتها الخاصة قد قللت من شأن الصعوبات التي ينطوي عليها الأمر، لا سيما عند التعامل مع عدم استقرار البلازما وخلق انفجارات داخلية متماثلة بشكل مناسب. ومع فشل NIF في تحقيق هدفه الأولي المتمثل في الاشتعال بحلول عام 2012، وضعت إدارة الأمن النووي الوطنية الأمريكية، التي تشرف على المختبر، هذا الهدف جانبًا للتركيز على المهمة التي تستغرق وقتًا طويلاً والمتمثلة في فهم ديناميكيات الانفجار الداخلي بشكل أفضل.

في أوائل عام 2021، وبعد سلسلة من التعديلات التجريبية، أظهر هوريكان وزملاؤه أخيرًا أنه يمكنهم استخدام الليزر لإنشاء ما يُعرف بالبلازما المحترقة - حيث تتجاوز الحرارة الصادرة عن جسيمات ألفا مصدر الطاقة الخارجي. ثم قاموا بإجراء سلسلة من التعديلات الإضافية، بما في ذلك تقليص فتحات مدخل الليزر في الهولراوم وخفض قوة الليزر القصوى. وكان التأثير هو تحويل بعض طاقة الأشعة السينية إلى وقت لاحق في اللقطة، مما أدى إلى زيادة الطاقة المنقولة إلى الوقود النووي - مما دفعها إلى مستوى عالٍ بما يكفي لتجاوز الخسائر الإشعاعية والتوصيل.

في أغسطس 2021، سجل باحثو NIF لقطةهم المميزة "N210808". تبلغ درجة حرارة النقطة الساخنة في مركز الوقود في هذه الحالة حوالي 125 مليون كلفن، ويبلغ إنتاج الطاقة 1.37 ميجا جول - وهو أعلى بنحو ثمانية أضعاف من أفضل نتيجة سابقة تم الحصول عليها في وقت سابق من العام. يتضمن هذا الناتج الجديد "كسبًا مستهدفًا" قدره 0.72 - بالمقارنة مع خرج الليزر البالغ 1.97 ميجا جول - و"كسب كبسولة" قدره 5.8 عند النظر بدلاً من ذلك في الطاقة التي تمتصها الكبسولة. 

والأهم من ذلك، فيما يتعلق بالإعصار، أن التجربة استوفت أيضًا ما يعرف بمعيار لوسون للاشتعال. تم وضعه لأول مرة من قبل المهندس والفيزيائي جون لوسون في عام 1955، وهو ينص على الظروف التي سيتجاوز فيها التسخين الذاتي للاندماج الطاقة المفقودة عن طريق التوصيل والإشعاع. ويقول هوريكان إن نتائج اختبار NIF استوفت تسع صيغ مختلفة لمعيار الاندماج في الحبس بالقصور الذاتي، مما يدل على الاشتعال "دون غموض".

ثلاث طلقات وأنت خارج

بعد اللقطة التي حطمت الرقم القياسي، كان هوريكان وبعض زملائه العلماء في NIF حريصين على تكرار نجاحهم. لكن إدارة المختبر لم تكن متحمسة جداً. وفق مارك هيرمان، ثم نائب مدير ليفرمور لفيزياء الأسلحة الأساسية، تم إنشاء عدة مجموعات عمل في أعقاب N210808 لتقييم الخطوات التالية. ويقول إن فريقًا إداريًا يتكون من حوالي 10 خبراء في الحبس بالقصور الذاتي جمع هذه النتائج معًا ووضع خطة، قدمها في سبتمبر.

يقول هيرمان أن الخطة تحتوي على ثلاثة أجزاء - محاولة إعادة إنتاج N210808؛ وتحليل الظروف التجريبية التي مكنت من تحقيق اللقطة القياسية؛ ومحاولة الحصول على "عائدات ضخمة". تضمنت مناقشة النقطة الأولى ما وصفه هيرمان بأنه "مجموعة كبيرة ومتنوعة من الآراء" بين ما يقرب من 100 عالم يعملون في برنامج الاندماج. في النهاية، ونظرًا "لمحدودية الموارد"، وعدد محدود من الأهداف في الدفعة التي تحتوي على N210808، يقول إن فريق الإدارة استقر على ثلاث طلقات إضافية فقط.

الإعصار لديه تذكرة مختلفة قليلاً، حيث يقول إن هناك أربع مرات متكررة. ويقول إن هذه التجارب أُجريت على مدار فترة ثلاثة أشهر تقريبًا وحققت إنتاجًا تراوح بين أقل من خمس إلى حوالي نصف ما تم تحقيقه في أغسطس. لكنه يؤكد أن هذه التجارب لا تزال "تجارب جيدة جدًا"، مضيفًا أنها استوفت أيضًا بعض صيغ معيار لوسون. ويقول إن الفرق في الأداء "ليس ثنائيا كما يصوره الناس".

إن عملية طلاء البلازما هي وصفة، لذا تمامًا مثل خبز الخبز، لا تظهر النتيجة بنفس الشكل تمامًا في كل مرة

عمر الاعصار

أما بالنسبة لسبب هذا التباين الكبير في الإنتاج، فيقول هيرمان إن الفرضية الرئيسية هي وجود فراغات وتقسيمات في كبسولات الوقود، المصنوعة من الماس الصناعي. ويوضح أن هذه العيوب يمكن أن تتضخم أثناء عملية الانفجار الداخلي، مما يتسبب في دخول الماس إلى النقطة الساخنة. ونظرًا لأن الكربون يحتوي على عدد ذري ​​أعلى من الديوتيريوم أو التريتيوم، فإنه يمكن أن يشع بشكل أكثر كفاءة، مما يبرد النقطة الساخنة ويقلل الأداء. 

يوافق إعصار على أن الماس من المحتمل أن يلعب دورًا مهمًا في تغيير أداء اللقطة إلى اللقطة. وفي إشارة إلى أنه من المتوقع حدوث اختلافات كبيرة في الناتج، نظرًا لعدم خطية الانفجارات الداخلية لـ NIF، يقول إن العلماء المشاركين لا يفهمون تمامًا عملية طلاء البلازما المستخدمة أثناء تصنيع الكبسولات. ويقول: "إنها وصفة، تمامًا مثل خبز الخبز، لا تظهر النتيجة بنفس الشكل في كل مرة".

الطريق إلى الطاقة الاندماجية

يقول Hurricane إن الفريق يبحث الآن في عدة طرق لرفع إنتاج NIF بالإضافة إلى تحسين جودة الكبسولة. يتضمن ذلك تغيير سمك الكبسولة، أو تغيير حجم أو شكل الهولراوم، أو ربما زيادة طاقة نبض الليزر إلى حوالي 2.1 ميجا جول لتقليل الدقة المطلوبة للهدف. ويقول إنه لا يوجد "رقم سحري" عندما يتعلق الأمر بالكسب المستهدف، لكنه يضيف أنه كلما زاد الكسب، زادت مساحة المعلمة التي يمكن استكشافها عند القيام بالإشراف على المخزونات. ويشير أيضًا إلى أن زيادة 1 لا تعني أن المنشأة تولد طاقة صافية، نظرًا لقلة الطاقة الكهربائية الواردة التي يحولها الليزر إلى ضوء على الهدف - في حالة NIF، أقل من 1%.

الطريق الطويل للاشتعال

مايكل كامبل من جامعة روتشستر في الولايات المتحدة، تعتقد أن NIF يمكن أن تحقق ربحًا لا يقل عن 1 "على مدى 2-5 سنوات القادمة"، في ضوء التحسينات الكافية على الهولراوم والهدف. لكنه يرى أن الوصول إلى المكاسب ذات الصلة تجاريًا والتي تتراوح ما بين 50 إلى 100 قد يتطلب على الأرجح التحول من "المحرك غير المباشر" الخاص بـ NIF، والذي يولد الأشعة السينية لضغط الهدف، إلى "المحرك المباشر" الذي يحتمل أن يكون أكثر كفاءة ولكنه أصعب والذي يعتمد على إشعاع الليزر نفسه.

وعلى الرغم من عدة مليارات من الدولارات التي من المرجح أن تكون هناك حاجة إليها، فإن كامبل متفائل بأن منشأة مناسبة للدفع المباشر يمكن أن تحقق مثل هذه المكاسب بحلول نهاية ثلاثينيات القرن الحالي - وخاصة، كما يقول، إذا شارك القطاع الخاص. لكنه يحذر من أن محطات الطاقة التجارية ربما لن تبدأ العمل قبل منتصف القرن على الأقل. ويقول: "إن طاقة الاندماج النووي صالحة للمدى الطويل. وأعتقد أن الناس يجب أن يكونوا واقعيين بشأن التحديات".