في أحد أيام أغسطس 2023، انتشر خبر في جميع القطاعات الرئيسية: حققت الشمس الاصطناعية الصينية "Gyre 3" عملية تشغيل عالية القيد تحت تيار بلازما يبلغ مليون أمبير لأول مرة، وهو نصب تذكاري مهم لمهنة الاندماج النووي التي يمكن التحكم فيها في بلدي. يطبق "Gyre 3" نوعًا من اندماج الحبس المغناطيسي، مما يعني أنه يتم تسخين الوقود أولاً لتحويله إلى شكل بلازما، ومن ثم يتم استخدام المجال المغناطيسي لحصر الجزيئات المشحونة في البلازما عالية الحرارة، مما يجعلها تتحرك بشكل حلزوني، مما يزيد من تسخين البلازما حتى يحدث تفاعل الاندماج النووي.
وبعبارة صريحة، فإن تحقيق تشغيل وضع القيد العالي تحت مليون مرة من تيار البلازما يشبه تطوير طوق ذهبي لسون ووكونج. من خلال تلاوة اللعنة المشددة، يستطيع Sun Wukong القيام بالأعمال الصالحة بدلاً من القيام بأشياء متعمدة.
في جميع أنحاء العالم، هناك طرق عديدة لتحقيق حبس الاندماج المغناطيسي. على سبيل المثال، الآلة المغناطيسية الحلقية، المعروفة أيضًا باسم توكاماك. يعمل عن طريق مجال كهربائي ناتج عن محول يقود تيارًا (سهم أحمر كبير) عبر عمود بلازما، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا بولويديًا يؤدي إلى ثني تيار البلازما إلى دائرة (دائرة عمودية خضراء). إن ثني عمود البلازما على شكل دائرة يمنع التسرب، والقيام بذلك داخل حاوية على شكل كعكة دونات يخلق فراغًا. ويسمى المجال المغناطيسي الآخر المحيط بطول الدائرة بالمجال المغناطيسي الحلقي (الدائرة الأفقية الخضراء). يتحد الحقلان ليشكلا منحنى ثلاثي الأبعاد يشبه البنية الحلزونية (كما هو موضح باللون الأسود) حيث تكون البلازما محصورة بدرجة عالية. وبعبارة صريحة، فإن الأمر مثل حمار يسحب طاحونة. سوف يدور الحمار دائمًا حول حجر الرحى، ثم ينتج الناتج من خلال دوران حجر الرحى.
تشير البلازما المذكورة أعلاه إلى حالة الغاز عند درجات حرارة عالية للغاية. في البلازما، يتم تجريد الإلكترونات من الذرات. يقال إن الذرات التي فقدت إلكترونات والتي تدور حول النواة تكون في حالة متأينة وتسمى أيونات. ولذلك، تتكون البلازما من الأيونات والإلكترونات الحرة. تتمتع البلازما بموصلية شبه مثالية، وتحت تأثير المجال المغناطيسي، ستظهر هياكل ثلاثية الأبعاد مختلفة، مثل الخيوط والأسطوانات والطبقات المزدوجة. يمكن أيضًا استخدام المجالات المغناطيسية لالتقاط وتحريك وتسريع البلازما المختلفة. وينطبق الشيء نفسه على سون ووكونج. تم حرقه في فرن الكيمياء في Taishang Laojun بعيون ثاقبة وعيون ذهبية. بعد خروجه، استطاع أن يرى من خلال روح العظم الأبيض في لمحة.
بشكل عام، الوحدة المستخدمة بشكل شائع في الاندماج النووي هي ميجاوات، وهي ميجاوات. على سبيل المثال، في عام 1991، أجرى مفاعل الاندماج الدائري الأوروبي المشترك عملية اندماج متحكم فيها لأول مرة، مما أدى إلى إنتاج حوالي 1.7 ميجاوات من الكهرباء. وعلى الرغم من أنه لا يستغرق سوى ثانيتين، إلا أنه يعد أحد أهم الأجزاء في تاريخ الطاقة النظيفة البشرية. ومع ذلك، في المقال الأصلي، نرى فقط وحدة التيار (أمبير)، في حين أن الميغاواط هي حاصل ضرب التيار والجهد. وهذا يعني أن ما يطبقه "تيار الدوران رقم 3" حاليًا هو بشكل أساسي طريقة تحكم يمكن تحويلها إلى توليد طاقة بعد إدخال الجهد، أي إشعال المفاعل. وهذا هو سبب مقارنتها بالطوق الذهبي لـ Sun Wukong.
ولإعطاء مثال غير مناسب، حتى لو تم توصيل بطارية AA شائعة بـ "Hybrid 3"، فإن توليد الطاقة الخاص بها يمكن أن يصل إلى 1.2 ميجاوات. تفسير مقنع لمحتوى الذهب من البلازما عالية الحبس 1 مليون أمبير.
البحث والتطوير على طريق التعلم
وفي نوفمبر 2006، وقعت الصين والاتحاد الأوروبي وسبعة أطراف أخرى اتفاقية لإطلاق البرنامج الدولي للمفاعل التجريبي للاندماج النووي الحراري. يتم الترويج لهذه الخطة من قبل ITER (المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي)، الذي يدمج الإنجازات العلمية والتكنولوجية الرئيسية للاندماج النووي بالحبس المغناطيسي الخاضع للرقابة في العالم اليوم، ويحل عددًا كبيرًا من المشكلات التقنية. بحلول عام 2007، بدأت فرنسا في بناء محطة توكاماك بقدرة 500 ميجاوات.
وفي الآلة، سيتم تسخين البلازما إلى 150 مليون درجة مئوية، أي أكثر سخونة بعشر مرات من قلب الشمس، لإجراء تفاعلات الاندماج النووي. وفي المقابل، تكون درجة حرارة المغناطيس فائق التوصيل في الآلة أقل من 269 درجة مئوية تحت الصفر. يتطلب هذا التوكاماك إجمالي حوالي 10 ملايين قطعة يتم إحضارها إلى موقع بناء ITER من جميع أنحاء العالم. ما هو مفهوم 150 مليون درجة مئوية؟ وفقًا لتفسير الأجيال اللاحقة لـ "رحلة إلى الغرب"، فإن درجة حرارة النار الحقيقية لـ Red Boy's Samadhi True Fire لا تتجاوز أربعة أو خمسة آلاف درجة مئوية. درجة حرارة المفاعل تعادل 300000 درجة حرارة ريد بوي مرتبطة ببعضها البعض.
ووفقاً لأحدث تقرير من ITER، فقد تم تجميع الآلة بنسبة 50% وستخضع للمرحلة الأولى من التشغيل في ديسمبر 2025. وبمجرد أن تعمل هذه الآلة بشكل مثالي، سيتم استبدال جميع أنواع الوقود الأحفوري في العالم بالطاقة النظيفة.
ولكن تمامًا كما هو موصوف في "رحلة إلى الغرب"، يتمتع Sun Wukong بقوى خارقة للطبيعة هائلة وقوة سحرية لا حدود لها. إنه حلم أحمق أيضًا أن تحاول ربطه بطوق ذهبي صغير. لنأخذ الإشعال الأساسي كمثال، إذا لم يكن من الممكن تسخين درجة حرارة المفاعل إلى أكثر من 100 مليون درجة مئوية، فلن يتفاعل المفاعل. في الوقت الحاضر، طريقة التسخين الرئيسية هي التسخين الأومي، والذي يستخدم التفريغ عالي التردد لتأين الهيدروجين المحايد لتشكيل بلازما باردة يتم تسخينها بواسطة تيار مجال مغناطيسي كبير متولد على طول الملف الحلقي. على الرغم من أنه ذكر أعلاه أن البلازما لديها موصلية شبه مثالية، إلا أنها تتمتع أيضًا بمقاومة معينة، وستظل الحرارة تتولد عندما يمر التيار عبرها. ومع ذلك، تنخفض مقاومة البلازما بشكل حاد مع زيادة درجة حرارة الإلكترون، مما يؤدي إلى انخفاض حاد أيضًا في كثافة طاقة التسخين الأومي، مما يحد من استخدام التسخين الأومي.
هناك طريقة أخرى وهي طريقة تسخين حقن شعاع الجسيمات المحايدة عالية الطاقة، وهي طريقة تسخين تستخدم بشكل رئيسي في توكاماك. شعاع الجسيمات المحايدة المستخدمة لتسخين البلازما هو بشكل عام شعاع ذرة نيون محايد عالي الطاقة. ولا تتأثر الجسيمات المحايدة ذات الطاقة العالية بالمجال المغناطيسي الموجود في جهاز الدمج ويمكن حقنها مباشرة في المنطقة المركزية للبلازما. بمجرد دخول الذرات المحايدة إلى البلازما، فإنها تتأين على الفور إلى أيونات من خلال عملية تبادل الشحنات والاصطدام. يتم التقاط هذه الأيونات عالية الطاقة بواسطة المجال المغناطيسي، ثم تمر عبر اصطدام كولوم بالبلازما الأصلية. يتم إعطاء الطاقة للبلازما لتحقيق غرض التسخين.
ومع ذلك، فإن كفاءة شعاع الأيونات عالية الطاقة في المصدر الأيوني في التقاط الإلكترونات وتحويلها إلى حزم جسيمات متعادلة في غرفة الغاز المحايدة تتناقص بشكل حاد مع زيادة طاقة الجسيمات. إذا تم سحب شعاع الأيونات السالبة من مصدر الأيونات، فإن كفاءة تحويل الأيونات السالبة إلى جسيمات محايدة لا تنخفض بشكل ملحوظ مع زيادة الطاقة. وذلك لأنه من الأسهل بكثير فصل الإلكترونات الزائدة عن الأيونات السالبة، لذلك يلزم وجود مصدر أيون سالب عالي الطاقة.
بالإضافة إلى ذلك، فإن أحد القيود المهمة على كفاءة تسخين الحزمة المحايدة هو وجود شوائب الكربون والأكسجين بسبب امتصاص الغاز بواسطة جدار الملف. يمكن أن يصل تركيز الكربون والأكسجين إلى 1٪. وينتج عن تبادل الشحنات بين الشعاع المحايد وهذه الشوائب أيونات كربون وأيونات أكسجين شديدة الإثارة، والتي تفقد الطاقة بسبب إشعاعها الخطي، مما يؤدي إلى انخفاض مفاجئ في كفاءة التسخين.
وكما يتعين على المرء أن يمر بإحدى وثمانين صعوبة للتعلم من هذه التجربة، على الرغم من الصعوبات على الطريق إلى الاندماج النووي الذي يمكن التحكم فيه، فقد حققت الصناعة النووية في بلدي بالفعل نتائج بحثية مهمة في العديد من المجالات منذ عام 1980. ونظراً للمزايا المذكورة أعلاه للتوكاماك، كان مجتمع أبحاث الاندماج الصيني يهتم ببلازما التوكاماك لعقود من الزمن. من عام 1980 إلى منتصف التسعينيات، تم تطوير أجهزة توكاماك الصغيرة والمتوسطة الحجم مثل HT-6B، HT-6M، HL-، وHL-1M.
وفي عامي 1994 و2002، استناداً إلى المعدات التي قدمتها روسيا (T-7 Tokamak) وألمانيا (ASDEX Tokamak)، قامت بلادي ببناء HT-7 وHL-2A في المعهد الآسيوي للفيزياء العلمية وSWIP على التوالي، مما جعل الصين الدولة الرابعة القادرة على تطوير توكاماك فائق التوصيل. ولهذا السبب على وجه التحديد، قامت الصين ببناء أول توكاماك-إيست (Tokamak-EAST) في العالم (توكاماك فائق التوصيل التجريبي المتقدم، EAST للاختصار). EAST هو أول توكاماك فائق التوصيل في العالم مزود بمحولات علوية وسفلية. لقد تم تصميمه للعمل في وضع النبض الطويل والحالة المستقرة ووضع القيد العالي، وقد حقق 101 ثانية من التفريغ في وضع القيد العالي. أصبح EAST أحد أجهزة التوكاماك الرئيسية في العالم، ويمكنه توفير سيناريوهات تشغيل عالية الأداء وطويلة النبض للمعدات المستقبلية (بما في ذلك ITER وCFETR).
وفيما يتعلق بمشروع الاندماج بالحبس المغناطيسي في الصين، فإن مشروع EAST ليس سوى خطوة أولى. بعد ذلك، ستحقق بلادنا وضع التقييد العالي ذو النبض الطويل والتشغيل المستقر للتدفئة الحديثة وقيادة التيار والتشخيص؛ من خلال HL-2M، سندرس فيزياء البلازما عالية الأداء تحت طاقة تسخين مساعدة عالية. والخطوة التالية هي تطوير التقنيات الأساسية المتعلقة بـ ITER وCFETR (مفاعل اختبار هندسة الاندماج الصيني). "ليس كل المتجولين ضلوا طريقهم." كان لدى أسياد وتلاميذ Tang Monk الأربعة إرشادات واضحة ووصلوا أخيرًا إلى معبد Leiyin للحصول على الكتاب المقدس الحقيقي.
من المتوقع أن يتم الانتهاء من بناء CFETR في ثلاثينيات القرن الحالي. تنقسم خطة تشغيل CFETR إلى مرحلتين. الهدف من المرحلة الأولى هو تحقيق طاقة اندماجية تتراوح بين 100-200 ميجاوات. سوف تستكشف هذه المرحلة عمليات الحالة المستقرة والاكتفاء الذاتي من التريتيوم كمكمل لعمليات ITERQ=10. Q=10 هو أحد أهداف ITER، وهو ما يعني إنتاج عشرة أضعاف الطاقة المرتدة في البلازما.
ومن المقرر الانتهاء من المرحلة الثانية في أربعينيات القرن الحادي والعشرين. سيتم أيضًا عرض Tokamak CFETR بقوة اندماج تبلغ 1 جيجاوات في ذلك الوقت. من المخطط بناء النموذج الأولي لمحطة توليد الطاقة بالاندماج النووي (PFPP) في عام 2060 تقريبًا، وهي الخطوة الأخيرة في خارطة طريق الاندماج المغناطيسي في الصين لإنشاء محطة تجارية لتوليد الطاقة بالاندماج. ومن منظور اليوم، فإن عام 2060 يفصلنا أقل من أربعين عاما، ولا يزال الانتظار طويلا. ولكن بالنسبة لمجال الاندماج الذي يمكن التحكم فيه، فإن صناعة الاندماج بالحبس المغناطيسي في الصين تتطور بسرعة.
مقر تنمية الطاقة النووية في آسيا
ومن منظور توليد الطاقة بالانشطار النووي، يوجد حاليا 9242 شركة كبرى في صناعة الطاقة النووية في الصين. ويبلغ عدد الشركات المسجلة في عام 2021 2327 شركة، وتم تسجيل 1675 شركة للطاقة النووية في عام 2022. وهذا يثبت أيضًا أن صناعة الطاقة النووية في بلدي قد تطورت بسرعة كبيرة في العامين الماضيين. تجدر الإشارة إلى أن توليد الطاقة النووية في بلدي لا يمثل سوى 5% من إجمالي توليد الطاقة، بينما في الدول المتقدمة الأخرى مثل روسيا والمملكة المتحدة، يمثل توليد الطاقة النووية 19.6% و14.2% من إجمالي توليد الطاقة على التوالي. صحيح أن بلدنا قد حقق بالفعل العديد من الاختراقات الكبرى في مجال الاندماج الذي يمكن التحكم فيه، ولكن إذا أردنا تحقيق مجتمع طاقة نظيفة منخفض الكربون ومنخفض الانبعاثات حقًا، فإن تسويق التوصيل بشبكة الطاقة النووية هو أيضًا رابط لا يمكن تجاهله.
إن استخدام محطات الطاقة الاندماجية يمكن أن يقلل بشكل كبير من التأثير البيئي لزيادة الطلب العالمي على الكهرباء، لأنها، مثل توليد الطاقة بالانشطار النووي، لا تسبب الأمطار الحمضية أو ظاهرة الاحتباس الحراري. ونظرًا لتوافر الوقود بسهولة، يمكن لطاقة الاندماج أن تلبي بسهولة احتياجات الطاقة المرتبطة بالنمو الاقتصادي المستمر. لا يوجد خطر من خروج تفاعل الاندماج عن نطاق السيطرة. ففي النهاية، بمجرد أن يخرج رد الفعل عن نطاق السيطرة، لن يحدث شيء. على الرغم من أن الاندماج لا ينتج منتجات مشعة طويلة العمر ويمكن التخلص من الغازات غير المحترقة في الموقع، إلا أنه ستظل هناك مشاكل نفايات مشعة على المدى القصير إلى المتوسط بسبب تنشيط المواد الهيكلية. بسبب القصف بالنيوترونات عالية الطاقة، تصبح بعض المواد المكونة مشعة خلال عمر المفاعل وتتحول في النهاية إلى نفايات مشعة. ومن الواضح أن هذا أيضًا جانب مهم يجب مراعاته عند تسويق توليد الطاقة بالاندماج النووي.
سيكون PFPP الخطوة الأولى في تسويق الاندماج النووي في الصين. بعد "Gyres-3" سيكون هناك "Gyres-4" و"Gyres-5". ستحقق كل قطعة من المعدات بعض الإنجازات، وستحقق في نهاية المطاف الوضع الذي يمكن فيه لطاقة الاندماج النووي النظيفة في بلدي أن تحل محل الطاقة الكربونية التقليدية غير المتجددة.