نذهب خلف الكواليس إلى أكبر جهاز اندماج نووي في العالم محاولًا تسخير الطاقة من نفس التفاعل الذي يزود الشمس والنجوم بالطاقة.
في قلب مدينة بروفانس، يقوم بعض ألمع العقول العلمية على هذا الكوكب بتمهيد الطريق لما يُطلق عليه أكبر تجربة علمية وأكثرها طموحًا في العالم.
يقول لابان كوبلينتز: “إننا نبني الآلة الأكثر تعقيدًا التي تم تصميمها على الإطلاق”.
والمهمة المطروحة هي إثبات جدوى تسخير الاندماج النووي – وهو نفس التفاعل الذي يزود شمسنا ونجومنا بالطاقة – على نطاق صناعي.
وللقيام بذلك، فإن أكبر غرفة احتجاز مغناطيسي في العالم، أو توكاماك، قيد الإنشاء في جنوب فرنسا لتوليد الطاقة الصافية.
تم التوقيع على اتفاقية مشروع المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي (ITER) رسميًا في عام 2006 من قبل الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي وروسيا والصين والهند وكوريا الجنوبية في قصر الإليزيه في باريس.
وهناك الآن أكثر من 30 دولة تتعاون في الجهود المبذولة لبناء الجهاز التجريبي، الذي من المتوقع أن يزن 23000 طن ويتحمل درجات حرارة تصل إلى 150 مليون درجة مئوية عند اكتماله.
وقال كوبلينتز، رئيس الاتصالات في ITER، ليورونيوز نكست: “بطريقة ما، هذا يشبه المختبر الوطني، منشأة معهد بحثي كبير. لكنه تقارب للمختبرات الوطنية، في الواقع، لـ 35 دولة”.
كيف يعمل الاندماج النووي؟
الاندماج النووي هو العملية التي يتم من خلالها اندماج نواتين ذريتين خفيفتين لتكوين ذرة واحدة أثقل، مما يولد إطلاقًا هائلاً للطاقة.
في حالة الشمس، تندمج ذرات الهيدروجين الموجودة في قلبها معًا بواسطة الكمية الهائلة من ضغط الجاذبية.
وفي الوقت نفسه، هنا على الأرض، يتم استكشاف طريقتين رئيسيتين لتوليد الاندماج النووي.
وأوضح كوبلينتز: “الأول، ربما سمعته في مرفق الإشعال الوطني في الولايات المتحدة”.
“أنت تأخذ جزءًا صغيرًا جدًا – بحجم حبة الفلفل – من شكلين من الهيدروجين: الديوتيريوم والتريتيوم. وتطلق أشعة الليزر عليهما. لذا، فأنت تفعل الشيء نفسه. أنت تسحق الضغط أيضًا. “كإضافة الحرارة تحصل على انفجار للطاقة، E = mc². وتتحول كمية قليلة من المادة إلى طاقة”.
يركز مشروع ITER على الطريق الثاني المحتمل: الاندماج المغناطيسي.
“في هذه الحالة، لدينا غرفة كبيرة جدًا، 800 متر مكعب، ونضع كمية صغيرة جدًا من الوقود -2 إلى 3 جم من الوقود والديوتريوم والتريتيوم – ونحصل على ما يصل إلى 150 مليون درجة من خلال أنظمة التدفئة المختلفة قال لابان.
“هذه هي درجة الحرارة التي تكون فيها سرعة هذه الجسيمات عالية جدًا لدرجة أنها بدلاً من تنافر بعضها البعض بشحناتها الموجبة، فإنها تتحد وتندمج. وعندما تندمج، فإنها تنتج جسيم ألفا وتنتج نيوترونًا”.
في التوكاماك، تكون الجسيمات المشحونة محصورة بمجال مغناطيسي، باستثناء النيوترونات عالية الطاقة التي تهرب وتصطدم بجدار الغرفة، وتنقل حرارتها وبالتالي تسخين الماء الجاري خلف الجدار.
من الناحية النظرية، سيتم تسخير الطاقة عن طريق البخار الناتج الذي يقود التوربينات.
وأوضح ريتشارد بيتس، رئيس قسم العلوم في ITER: “هذا، إذا أردت، هو خليفة سلسلة طويلة من أجهزة البحث”.
إعلانوأضاف: “كان هذا المجال يدرس فيزياء التوكاماك منذ حوالي 70 عامًا، منذ أن تم تصميم وبناء التجارب الأولى في روسيا في الأربعينيات والخمسينيات من القرن الماضي”.
وفقًا لبيتس، كانت التوكاماك المبكرة عبارة عن أجهزة صغيرة توضع على الطاولة.
“ثم شيئًا فشيئًا، تصبح أكبر وأكبر وأكبر لأننا نعلم – من عملنا على هذه الأجهزة الأصغر، ودراساتنا للقياس من أصغر إلى أكبر إلى أكبر – أنه من أجل توليد طاقة اندماجية صافية من هذه الأشياء، نحن وقال: “نحن بحاجة إلى جعل واحدة كبيرة مثل هذا”.
مزايا الانصهار
كانت محطات الطاقة النووية موجودة منذ الخمسينيات من القرن الماضي مستغلة تفاعل الانشطار، حيث يتم تقسيم الذرة في مفاعل، مما يؤدي إلى إطلاق كمية هائلة من الطاقة في هذه العملية.
يتمتع الانشطار بميزة واضحة تتمثل في كونه الطريقة المجربة والمختبرة بالفعل، حيث يوجد أكثر من 400 مفاعل انشطار نووي قيد التشغيل في جميع أنحاء العالم اليوم.
إعلانولكن على الرغم من أن الكوارث النووية كانت نادرة الحدوث في التاريخ، فإن الانهيار الكارثي للمفاعل رقم 4 في تشيرنوبيل في إبريل/نيسان 1986 كان بمثابة تذكير قوي بأن هذه الكوارث ليست خالية تماماً من المخاطر على الإطلاق.
علاوة على ذلك، يتعين على المفاعلات الانشطارية أيضًا أن تتعامل مع الإدارة الآمنة للكميات الهائلة من النفايات المشعة، والتي عادة ما تكون مدفونة عميقًا تحت الأرض في مستودعات جيولوجية.
وعلى النقيض من ذلك، تشير ITER إلى أن مصنع اندماج على نطاق مماثل سيولد الطاقة من كمية أقل بكثير من المدخلات الكيميائية، فقط بضعة جرامات من الهيدروجين.
وأشار كوبلينتز إلى أن “تأثيرات السلامة ليست قابلة للمقارنة”.
“لديك فقط 2 إلى 3 جرام من المادة. علاوة على ذلك، يتم تسخير المواد الموجودة في مصنع الاندماج، الديوتيريوم والتريتيوم، والمواد الخارجة، الهيليوم غير المشع والنيوترون، لذلك لا يوجد أي بقايا.” وأضاف: “إذا جاز التعبير، فإن مخزون المواد المشعة ضئيل للغاية”.
إعلانانتكاسات لمشروع ITER
ويؤكد كوبلينتز أن التحدي المتمثل في الاندماج النووي هو أن بناء هذه المفاعلات النووية يظل صعبًا للغاية.
وقال “تحاول أن تأخذ شيئا تصل درجة حرارته إلى 150 مليون درجة. وتحاول أن تجعله على المستوى المطلوب وما إلى ذلك. إنه أمر يصعب القيام به”.
من المؤكد أن مشروع ITER قد واجه صعوبة في التعامل مع تعقيدات هذا المشروع العملاق.
حدد الجدول الزمني الأصلي لمشروع ITER عام 2025 موعدًا لأول بلازما، مع الإشارة إلى التشغيل الكامل للنظام في عام 2035.
لكن انتكاسات المكونات والتأخيرات المرتبطة بفيروس كورونا المستجد (كوفيد-19) أدت إلى تغيير الجدول الزمني لتشغيل النظام وميزانية متضخمة لتتناسب مع ذلك.
إعلانكانت التكلفة الأولية للمشروع 5 مليارات يورو لكنها ارتفعت إلى أكثر من 20 مليار يورو.
وأوضح كوبلينتز: “لقد واجهنا تحديات من قبل فقط بسبب التعقيد وتعدد المواد الأولى من نوعها، والمكونات الأولى من نوعها في آلة الأولى من نوعها”.
تضمنت إحدى الانتكاسات الكبيرة حدوث اختلالات في أسطح اللحام لأجزاء من غرفة التفريغ المصنعة في كوريا الجنوبية.
وقال كوبلينتز: “لقد وصلت تلك التي وصلت مع ما يكفي من عدم المطابقة في الحواف حيث قمت بلحامها معًا، مما اضطرنا إلى إعادة تلك الحواف”.
وأضاف: “الأمر لا يتعلق بعلم الصواريخ في هذه الحالة بالذات. ولا يتعلق الأمر حتى بالفيزياء النووية. إنه مجرد تصنيع الآلات والوصول بالأشياء إلى درجة لا تصدق من الدقة، وهو الأمر الذي كان صعبًا”.
إعلانيقول كوبلينتز إن المشروع منخرط حاليًا في عملية إعادة التسلسل، على أمل الالتزام قدر الإمكان بهدف 2035 لبدء عمليات الاندماج.
“بدلاً من التركيز على ما كانت عليه تواريخنا قبل أول بلازما، والاختبار الأول للآلة في عام 2025، ومن ثم سلسلة من أربع مراحل للوصول إلى طاقة الاندماج في البداية في عام 2035، سنقوم بتخطي البلازما الأولى. سنقوم فقط بتخطي البلازما الأولى. وقال: “تأكد من إجراء الاختبار بطريقة أخرى حتى نتمكن من الالتزام بهذا التاريخ قدر الإمكان”.
التعاون الدولي
وفيما يتعلق بالتعاون الدولي، يعتبر ITER بمثابة وحيد القرن في كيفية صموده أمام الرياح المعاكسة للتوترات الجيوسياسية بين العديد من الدول المشاركة في المشروع.
وأشار كوبلينتز إلى أنه “من الواضح أن هذه الدول ليست دائمًا متحالفة أيديولوجيًا. إذا نظرت إلى الأعلام المميزة في موقع العمل بواسطة شركة ألفابت، فستجد أن الصين تحلق بجوار أوروبا، وروسيا تحلق بجوار الولايات المتحدة”.
“لكي تلتزم تلك البلدان بالعمل معًا لمدة 40 عامًا، لم يكن هناك يقين. ولن يكون هناك يقين على الإطلاق بأنه لن تكون هناك بعض الصراعات”.
إعلانيعزو كوبلينتز الصحة النسبية للمشروع إلى حقيقة أن تشغيل الاندماج النووي وتشغيله هو حلم مشترك بين الأجيال.
وأضاف “هذا ما يجمع هذه القوة. ولهذا السبب نجت من العقوبات الحالية التي فرضتها أوروبا ودول أخرى على روسيا في الوضع الحالي مع أوكرانيا”.
تغير المناخ والطاقة النظيفة
نظرًا لحجم التحدي الذي يمثله تغير المناخ، فلا عجب أن يتسابق العلماء للعثور على مصدر طاقة خالٍ من الكربون لتشغيل عالمنا.
لكن إمدادات الطاقة الاندماجية الوفيرة لا تزال بعيدة المنال، وحتى ITER تعترف بأن مشروعها يمثل إجابة طويلة المدى للمخاوف المتعلقة بالطاقة.
ردًا على فكرة أن الاندماج النووي سيأتي بعد فوات الأوان للمساعدة في مكافحة أزمة المناخ بطريقة مجدية، يؤكد كوبلينتز أن قوة الاندماج يمكن أن يكون لها دور تلعبه في المستقبل.
إعلانوقال: “إذا كان لدينا بالفعل ارتفاع في مستوى سطح البحر إلى الحد الذي يجعلنا نبدأ في الحاجة إلى استهلاك الطاقة لنقل المدن؟ إذا بدأنا في رؤية تحديات الطاقة على هذا النطاق، يصبح من الواضح حقًا الإجابة على سؤالك”.
“كلما طال انتظارنا لوصول الاندماج، زادت حاجتنا إليه. لذا فإن المال الذكي هو: الحصول عليه هنا في أسرع وقت ممكن”.
للمزيد حول هذه القصة، شاهد الفيديو في مشغل الوسائط أعلاه.