وجد الفيزيائيون طريقة لزيادة كفاءة مولد الاندماج النووي!

تملك الطاقة المتولدة من الاندماج النووي الكثير من الإمكانات كمصدر نظيف وغير محدود للطاقة تقريبًا، ولكن يجب التغلب على العديد من العقبات قبل أن تصبح ضمن الواقع العملي – من المرجح أن العلماء قد توصلوا للتو لمصدر آخر.

نماذج جديدة لظاهرة اندماج غير مرغوب فيها تسمى «التنغيم chirping» – حيث يمكن فقد الحرارة الطبيعية من عملية التفاعل – أعطت الخبراء فكرة أفضل عن كيفية حدوثها وكيفية منعها من الحدوث.

ومع استمرار أعمال البناء في مفاعلات الاندماج النووي في المستقبل، فإن هذه معرفة الجيدة ينبغي أن تتوفر على النطاق العام.

تنطبق النتائج على نوع معين من تصميم مفاعل الاندماج على شكل دونات يسمى توكاماك Tokamak، مثل ذلك الذي يُبنى في المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي ITER في جنوب فرنسا. تعتمد هذه المفاعلات على توازن دقيق بين المجالات المغناطيسية الخارجية والمغنطة الملتوية للبلازما المتحركة للحفاظ على تدفق عملية الاندماج بأكملها.

قال الفيزيائي من مختبر برينستون لفيزياء البلازما PPPL، فينيسيوس دوارتي Vinícius Duarte: «لكي يعمل أي جهاز اندماج، تحتاج إلى التأكد من أن الجسيمات عالية الطاقة الموجودة فيه مقيدة جيدًا داخل قلب البلازما».

ويضيف: «إذا انجرفت الجسيمات هذه إلى حافة البلازما، فلن تتمكن من الحفاظ على حالة الاستقرار للبلازما المحترقة اللازمة لجعل الطاقة الكهربائية التي تعمل بالطاقة الاندماجية حقيقة واقعية».

يحدث التنغيم عندما تتغير ترددات موجات البلازما عالية الطاقة، مما يتسبب في تسريب الطاقة والحرارة، ويحتمل أن يتسبب في تلف جوانب التوكاماك. بفضل عمليات المحاكاة الحاسوبية ثلاثية الأبعاد المفصلة للغاية التي أنشأها الباحثون، حُدِدَ بعض الآليات الكامنة وراء هذا السلوك.

أظهرت النماذج أن الجسيمات سريعة الحركة في قلب البلازما تصطدم بموجات مترددة تتدفق عبر الغاز المتأين. عندما يحدث هذا، تتشكل كتل تتحرك نحو حافة سيل البلازما.

بشكل مطمئن، تتوافق النماذج مع عمليات المحاكاة السابقة، على الرغم من أن البحث الجديد يضيف عمقًا وتفاصيل إضافية لما يحدث بالفعل داخل المفاعل. يتمثل التأثير النهائي في تقليل كفاءة التوكاماك، وهو شيء لا تريده حقًا عندما تحاول تشغيل مصدر طاقة من الجيل التالي.

يقول الفيزيائي روسكو وايت Roscoe White: «إذا فهمتها، يمكنك إيجاد طرق لتشغيل منشآت الاندماج النووي بدونها».

ما يحاول العلماء فعله باستخدام التوكاماك وتصاميم الاندماج النووي الأخرى هو محاكاة التفاعلات التي تحدث على الشمس، وهذا تحدٍ ليس بالسهل. إذا فهمنا الأمر بشكل صحيح، فإن عملية دمج نواتين ذريتين في واحدة يجب أن تعطينا طريقة لتوليد الطاقة الكهربائية من شيء بسيط مثل الماء والملح، مع نسبة القليل جدًا من النفايات.

في حين أن الفكرة عظيمة، إلا أن جعلها تعمل بطريقة موثوقة وبأسعار معقولة وفي متناول الجميع لا يزال بعيد المنال. ومع ذلك، هناك آمال في أن تساهم طاقة الاندماج النووي في الشبكة الخدمية خلال السنوات العشر القادمة.

صُمِمَت أدوات المحاكاة ومعالجة البرامج التي طورها الباحثون هنا خصيصًا لهذا العمل – كما قال وايت: «مثل بناء مجهر لالتقاط ظاهرة واحدة محددة» – ويمكن استخدام نفس النماذج مرة أخرى في المستقبل لمزيد من التحليل وتحسين تصميم توكاماك.

قال دوارتي Duarte: «لقد مَكَنَت الأدوات التي طُوِرَت في هذا البحث من إلقاء نظرة على الديناميكيات المعقدة ذاتية التنظيم لتنغيمات توكاماك».

نُشر البحث في الأصل على دورية Physics of Plasmas.

المصادر: 1