اكتشف العلماء "طريقًا مختصرًا" للاندماج النووي. قد يؤدي التسخين أولاً ثم الضغط إلى تقليل استهلاك طاقة الاشتعال بشكل كبير.

الملخص:

اقترح الباحثون في مختبر برينستون لفيزياء البلازما التابع لوزارة الطاقة الأمريكية فكرة جديدة لتحقيق الاندماج النووي. تظهر أحدث حساباتهم أنه إذا تم تغيير تسلسل تسخين وضغط البلازما، فإن الطاقة اللازمة لتحقيق "الاشتعال" في مفاعلات الاندماج المستقبلية قد تنخفض بشكل كبير، وبالتالي فتح مسار أكثر كفاءة لتطوير اندماج نووي يمكن التحكم فيه.

يُعتبر الاندماج النووي أحد أكثر تقنيات الطاقة النظيفة الواعدة في المستقبل. مبدأها هو نفس عملية توليد الطاقة داخل الشمس. من خلال السماح لنواة العناصر الخفيفة بالخضوع لتفاعلات الاندماج، يمكن إطلاق كميات هائلة من الطاقة دون انبعاثات غازات الدفيئة تقريبًا. ومع ذلك، فمن الصعب للغاية تكرار البيئة القاسية داخل الشمس على الأرض، وقد ظل العلماء يبحثون عن أفضل طريقة لتحقيق تفاعلات اندماجية مستقرة لعقود من الزمن.

منذ الخمسينيات من القرن الماضي، اعتمد مجال أبحاث الاندماج بشكل أساسي على "معيار لوسون" لتقييم ظروف اشتعال الاندماج. تُستخدم هذه النظرية لتحديد ما إذا كانت البلازما قادرة على الحفاظ على درجة حرارة وكثافة عالية بما يكفي لفترة طويلة بما يكفي لمواصلة تفاعل الاندماج باستخدام الطاقة المولدة الخاصة بها دون الحاجة إلى تسخين خارجي.

ومع ذلك، يمكن لمعيار لوسون أن يصف فقط الشروط التي يجب الوفاء بها، لكنه لا يشير بوضوح إلى كيفية تحقيق هذه الشروط بأعلى كفاءة. ولتحقيق هذه الغاية، أضاف فريق بحث PPPL أربعة عوامل إضافية إلى الإطار التقليدي، بما في ذلك رماد الهيليوم الناتج أثناء عملية الاندماج، والشوائب من جدار المفاعل، وفقدان طاقة إشعاع السنكروترون، وفقدان الحرارة من البلازما، وبالتالي إنشاء نموذج جديد أقرب إلى الوضع الحقيقي.

تم نشر نتائج البحث في مجلة Physical Review Letters. وقال الباحثون إنه عندما يتم تضمين هذه العوامل الواقعية في الحسابات، فإن العديد من حلول التصميم التي بدت في الأصل ممكنة ستتغير بشكل كبير، وبالتالي سيكون لها قيمة مرجعية مهمة لتصميم المفاعل في المستقبل.

تُسمى البلازما غالبًا بالحالة الرابعة للمادة. عندما يتم تسخين الغاز إلى درجات حرارة عالية للغاية، تصبح الجسيمات الموجودة بداخله مشحونة وتتشكل البلازما. في جهاز التفاعل الاندماجي، يحتاج العلماء إلى تسخين البلازما إلى درجات حرارة قصوى حتى تتمكن النوى من التغلب على التنافر الكهربائي بين بعضها البعض وتخضع لتفاعل الاندماج.

وقارن فريق البحث عملية تحقيق الاشتعال الاندماجي بعبور التضاريس التي تحجبها الجبال. وفقًا لأفكار العديد من الحلول الموجودة، غالبًا ما يقوم الباحثون أولاً بزيادة كثافة البلازما ثم الاستمرار في زيادة درجة الحرارة، وهو ما يعادل التسلق المباشر فوق الجبال للوصول إلى الوجهة. لكن النماذج الجديدة تشير إلى أنه قد يكون هناك بالفعل طريق أقل صعوبة.

تظهر نتائج الحسابات أن تسخين البلازما إلى درجة حرارة أعلى ومن ثم زيادة كثافتها تدريجيًا يمكن أن يحقق نفس الهدف مع انخفاض إجمالي استهلاك الطاقة. ويعادل هذا النهج تجاوز الجبل والدخول إلى الوجهة من الجانب، بدلاً من تسلق الطريق الأكثر انحدارًا مباشرة.

استخدم الباحثون نماذج رياضية للعثور على ما يسمى بـ "نقطة سرج كوردي"، وهو المسار ذو الطاقة الأقل المطلوبة لتحقيق الاشتعال الاندماجي. تظهر النتائج أن استراتيجية "التسخين أولاً، ثم زيادة الكثافة" تقع في هذه المنطقة المثالية، ومن المتوقع أن تصبح اتجاهًا تصميميًا مهمًا لأجهزة الاندماج المستقبلية.

بالإضافة إلى اكتشاف مسارات اشتعال جديدة، حصل فريق البحث أيضًا على استنتاجات مهمة أخرى. تظهر النماذج أنه حتى الكميات الصغيرة من شوائب التنغستن التي تدخل البلازما يمكن أن يكون لها تأثير كبير على تفاعل الاندماج أو حتى تتسبب في فشله. نظرًا لأن التنغستن يتمتع بمقاومة درجات الحرارة العالية للغاية، فمن المخطط حاليًا استخدامه كمادة الجدار الداخلي للعديد من مفاعلات الاندماج المستقبلية. ولذلك، فإن كيفية منع التنغستن من دخول البلازما سوف تصبح واحدة من التحديات التقنية الرئيسية.

اكتشف الباحثون أيضًا أن هناك بعض "آليات الكبح" الطبيعية داخل بلازما الاندماج التي تحد من زيادة تعزيز التفاعل. ولم يتم أخذ هذه التأثيرات في الاعتبار بشكل كامل في الحسابات الإجمالية في الماضي، ولكن النموذج الجديد قادر على أن يعكس هذه العوامل المؤثرة بشكل كامل.

على الرغم من أن هذا البحث لا يزال في المرحلة النظرية والحسابية ولا يحقق بشكل مباشر اختراقًا تجريبيًا جديدًا للاندماج النووي، إلا أن العلماء يعتقدون أنه يوفر خارطة طريق أكثر كفاءة لتصميم المفاعلات المستقبلية. وإذا كان من الممكن التحقق من الاستنتاجات ذات الصلة بأجهزة فعلية، فقد تنخفض التكلفة والاستثمار في الطاقة اللازمة لتسويق طاقة الاندماج تجارياً في المستقبل بشكل كبير، وهو ما من شأنه أن يعجل بتحقيق هدف البشرية المتمثل في الحصول على طاقة نظيفة غير محدودة تقريباً.