أعلن علماء أمريكيون عما وصفوه باختراق كبير في هدف بعيد المنال لتوليد الطاقة من الاندماج النووي.
قالت وزارة الطاقة الأمريكية في 13 كانون الأول (ديسمبر) 2022 ، إنه لأول مرة - وبعد عدة عقود من المحاولة - تمكن العلماء من الحصول على مزيد من الطاقة من العملية أكثر مما كان عليهم القيام به.
ولكن ما مدى أهمية التطوير؟ وإلى أي مدى بعيد حلم الاندماج الذي طال انتظاره يوفر طاقة نظيفة وفيرة؟ كارولين كورانز، الأستاذ المساعد في الهندسة النووية بجامعة ميتشيغان والذي عمل في المنشأة التي حطمت للتو سجل الاندماج ، يساعد في تفسير هذه النتيجة الجديدة.
ماذا حدث في غرفة الاندماج؟
انصهار هو تفاعل نووي يجمع ذرتين لتكوين ذرة جديدة أو أكثر بكتلة إجمالية أقل بقليل. يتم تحرير الفرق في الكتلة كطاقة ، كما هو موضح في معادلة أينشتاين الشهيرة ، E = mc2 ، حيث الطاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء. نظرًا لأن سرعة الضوء هائلة ، فإن تحويل كمية صغيرة جدًا من الكتلة إلى طاقة - مثل ما يحدث في الاندماج - ينتج بنفس القدر من الطاقة الهائلة.
باحثون في حكومة الولايات المتحدة مرفق الإشعال الوطني في كاليفورنيا ، ولأول مرة ، ما يُعرف باسم "الاشتعال الاندماجي". يحدث الاشتعال عندما ينتج تفاعل الاندماج طاقة أكثر مما يتم وضعه في التفاعل من مصدر خارجي ويصبح مستدامًا ذاتيًا.
تضمنت التقنية المستخدمة في منشأة الإشعال الوطنية إطلاق 192 ليزرًا على أ 0.04 بوصة (1 مم) من الوقود مصنوعة من الديوتيريوم والتريتيوم - نسختان من عنصر الهيدروجين مع نيوترونات إضافية - موضوعة في علبة ذهبية. عندما تصطدم أشعة الليزر بالعلبة ، فإنها تنتج أشعة سينية تسخن وتضغط حبيبات الوقود إلى حوالي 20 ضعف كثافة الرصاص ولأكثر من 5 ملايين درجة فهرنهايت (3 ملايين درجة مئوية) - حوالي 100 مرة أكثر سخونة من سطح الشمس. إذا كنت تستطيع الحفاظ على هذه الشروط لفترة طويلة بما فيه الكفاية ، فإن سوف يندمج الوقود ويطلق الطاقة.
يتبخر الوقود والعلبة في غضون بضعة أجزاء من المليار من الثانية أثناء التجربة. يأمل الباحثون بعد ذلك أن تكون أجهزتهم قد نجت من الحرارة وقامت بدقة بقياس الطاقة الناتجة عن تفاعل الاندماج.
إذن ما الذي أنجزوه؟
لتقييم نجاح تجربة الاندماج ، ينظر الفيزيائيون إلى النسبة بين الطاقة المنبعثة من عملية الاندماج وكمية الطاقة داخل الليزر. هذه النسبة يسمى كسب.
أي شيء يزيد عن كسب واحد يعني أن عملية الاندماج تطلق طاقة أكثر من الليزر الذي يتم توصيله.
في الخامس من كانون الأول (ديسمبر) 5 ، أطلق مرفق الإشعال الوطني حبيبة من الوقود بمليوني جول من طاقة الليزر - تقريبًا كمية الطاقة اللازمة لتشغيل مجفف الشعر لمدة 2022 دقيقة - وكلها محتواة في غضون بضعة أجزاء من المليار من الثانية. أثار هذا تفاعل الاندماج صدر ثلاثة ملايين جول. وهذا مكسب بنحو 1.5 ، محطما الرقم القياسي السابق لمكاسب قدرها 0.7 حققته المنشأة في أغسطس 2021.
ما حجم الصفقة هذه النتيجة؟
طاقة الاندماج كان "الكأس المقدسة" لإنتاج الطاقة ما يقرب من نصف قرن. في حين أن مكسب 1.5 هو ، في اعتقادي ، اختراق علمي تاريخي حقًا ، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه قبل أن يكون الاندماج مصدر طاقة قابل للتطبيق.
في حين أن طاقة الليزر البالغة 2 مليون جول كانت أقل من إنتاجية الاندماج البالغة 3 ملايين جول ، فقد استغرقت المنشأة ما يقرب من 300 مليون جول لإنتاج الليزر المستخدمة في هذه التجربة. أظهرت هذه النتيجة أن الاشتعال بالانصهار ممكن ، لكن الأمر سيستغرق الكثير من العمل لتحسين الكفاءة إلى الحد الذي يمكن أن يوفر فيه الاندماج عائدًا إيجابيًا صافيًا للطاقة عند الأخذ في الاعتبار النظام الشامل بالكامل ، وليس فقط تفاعل واحد بين الليزر والوقود.
ماذا يحتاج ليتحسن؟
هناك عدد من قطع أحجية الاندماج التي كان العلماء يتحسنون بها بشكل مطرد لعقود لتحقيق هذه النتيجة ، ويمكن أن يؤدي المزيد من العمل إلى جعل هذه العملية أكثر كفاءة.
أولاً ، كان الليزر فقط اخترع في 1960. عندما حكومة الولايات المتحدة الانتهاء من بناء مرفق الإشعال الوطني في عام 2009، كانت أقوى منشأة ليزر في العالم ، قادرة على التسليم مليون جول من الطاقة لتحقيق هدف. إن المليوني جول التي تنتجها اليوم هي طاقة أكثر بخمسين مرة من الـ ثاني أقوى ليزر على الأرض. يمكن أن تؤدي أشعة الليزر الأكثر قوة والطرق الأقل استهلاكًا للطاقة لإنتاج تلك الليزرات القوية إلى تحسين الكفاءة الكلية للنظام بشكل كبير.
شروط الانصهار من الصعب للغاية الحفاظ عليه، وأي عيب صغير في الكبسولة أو الوقود يمكن أن تزيد من متطلبات الطاقة وتقليل الكفاءة. حقق العلماء الكثير من التقدم ل نقل الطاقة بكفاءة أكبر من الليزر إلى العلبة و إشعاع الأشعة السينية من العلبة إلى كبسولة الوقود، ولكن في الوقت الحالي فقط حول 10 في المئة 30 من إجمالي طاقة الليزر يتم نقلها إلى العلبة وإلى الوقود.
أخيرًا ، في حين أن جزءًا واحدًا من الوقود ، وهو الديوتيريوم ، يكون طبيعيًا التريتيوم أكثر ندرة في مياه البحر. الاندماج نفسه ينتج في الواقع الترتيوم نظير للهيدروجين، لذلك يأمل الباحثون في تطوير طرق لحصاد هذا التريتيوم مباشرة. في غضون ذلك ، هناك طرق أخرى متاحة لإنتاج الوقود المطلوب.
يجب التغلب على هذه العقبات وغيرها من العقبات العلمية والتكنولوجية والهندسية قبل أن ينتج الاندماج الكهرباء لمنزلك. يجب أيضًا القيام بعمل لتقليل تكلفة محطة توليد الطاقة الاندماجية بشكل جيد من 3.5 مليار دولار أمريكي من مرفق الإشعال الوطني. ستتطلب هذه الخطوات استثمارات كبيرة من كل من الحكومة الفيدرالية والقطاع الخاص.
تجدر الإشارة إلى أن هناك سباقًا عالميًا حول الاندماج ، مع العديد من المعامل الأخرى حول العالم اتباع تقنيات مختلفة. ولكن مع النتيجة الجديدة من مرفق الإشعال الوطني ، شهد العالم ، لأول مرة ، دليلاً على أن حلم الاندماج قابل للتحقيق.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.
الصورة الائتمان: وزارة الطاقة الأمريكية / مختبر لورانس ليفرمور الوطني
