سيميون سيميونوف
إن الاختراق الذي حققه البرنامج النووي الصيني - التجربة الناجحة لمفاعل نووي حراري - يشكل خطوة أخرى في محاولات البشرية لإيجاد بديل رخيص الثمن ونظيف للطاقة. العميل سايمون، الكاتب في مدونة "الهدف: الفضاء" يستعرض بشكل موسع أهمية التجربة.
أفادت وكالة الأنباء الصينية شينخوا أن العلماء الصينيين أجروا أمس أول اختبار لمفاعل نووي حراري مبتكر. وكانت التجربة التي استمرت 3 ثوان ناجحة، وتم إنتاج تيار كهربائي قوته 200 كيلو أمبير.
ماذا جرى؟
يتعلق الأمر بمنشأة تجريبية متقدمة تسمى "توكاماك" تستخدم الموصلية الفائقة" (RT باللغة الإنجليزية - EAST). هذا في الأساس مفاعل اندماج نووي لأغراض البحث. ويختلف أسلوب تشغيله عن أسلوب تشغيل المفاعلات النووية العادية، حيث تتم عملية انشطار نووي خاضعة للرقابة. في عملية الانشطار النووي لعنصر ثقيل وغير مستقر، عادةً ما ينقسم اليورانيوم أو البلوتونيوم (في الواقع فقط نظائر معينة من هذه العناصر، أي نوى العنصر الذي يحتوي على عدد معين من النيوترونات)، إلى عدة نوى أصغر ونتيجة لذلك ينبعث الكثير من الطاقة. إذا كان سلاحًا نوويًا، فلا يتم التحكم في العملية ويتم إنشاء تفاعل متسلسل.
تعمل عملية الاندماج النووي بشكل مختلف. وهو يعتمد على مبدأ أن نواتين صغيرتين خفيفتي الوزن يمكن أن تتحدا في نواة عنصر أثقل. في عملية الاندماج، تنبعث طاقة أكبر بكثير مما تنبعث في عمليات الانشطار، ولكن لكي يحدث هذا التفاعل النووي، يجب استيفاء عدة شروط. أحد الشروط الأكثر شهرة هو معيار لوسون. دون الخوض في الفيزياء وراء العمليات، يترتب على ذلك أنه لكي يكون التفاعل مستقرًا، يجب تحقيق درجة حرارة وضغط مرتفعين جدًا. على سبيل المثال، في التجربة المذكورة أعلاه، تحولت ذرات الديوتيريوم والتريتيوم (نظائر الهيدروجين، والتي يمكن الحصول عليها من "الماء الثقيل" والليثيوم) إلى ذرات الهيليوم -4 عند درجة حرارة مائة مليون درجة مئوية.
ومن الأمثلة الجيدة على مفاعل الاندماج النووي الطبيعي شمسنا. تحصل النجوم على طاقتها من عمليات الاندماج النووي التي تجري فيها (العملية المذكورة حيث يتحول الهيدروجين إلى هيليوم). كما أن الشحنة المتفجرة النووية الحرارية، المعروفة باسمها الأكثر شيوعًا - القنبلة الهيدروجينية، تستقبل طاقتها من عملية الاندماج النووي. ولكن في كلتا الحالتين يتم تحقيق الضغط العالي ودرجة الحرارة بسهولة. وفي النجوم يوجد ضغط الغاز الذي يسبب حدوث التفاعلات في النواة، وفي القنبلة الهيدروجينية تستخدم شحنة نووية عادية كمادة متفجرة.
وهنا في الواقع تكمن مشكلة استخدام الاندماج النووي للحصول على الطاقة. على عكس المفاعلات النووية التي تعتمد على الانشطار، في الاندماج لا توجد نفايات مشعة. ويمكن الحصول على الوقود اللازم للعمليات بطريقة بسيطة نسبيا - على سبيل المثال، يمكن الحصول على الديوتيريوم من الماء. لكن التفاعل يحتاج إلى درجة حرارة وضغط لا تتحملهما أي مادة. الحل لذلك هو الاحتفاظ بالمواد بمجال مغناطيسي قوي. والمواد بالمناسبة هي بحكم الظروف في حالة تراكم البلازما (الغاز المتأين).
الحل وتنفيذه
يتم تطبيق المحلول بواسطة جهاز كبير على شكل طارة - وهو شكل يذكرنا بالبسكويت المملح المستدير (يمكن وصفه أيضًا بأنه أسطوانة ملتصقة أطرافها وتشكل شكلًا مغلقًا). يتم تثبيت مغناطيسات قوية للغاية عليها والتي تحمل البلازما الساخنة بداخلها في غرفة مفرغة. يتم تثبيت الطارة على أعمدة معدنية ثقيلة. لبناء مغناطيس قوي، من الممكن استخدام ظاهرة الموصلية الفائقة التي تمكن من إنشاء مغناطيسات كهربائية بمجال مغناطيسي أقوى.
يسمى هذا الجهاز توكاماك - باللغة الروسية ويعني خلية حلقية (على شكل طارة) داخل ملفات مغناطيسية. وُلد هذا المفهوم في الخمسينيات من القرن الماضي عندما قدم العلماء الروس المفهوم لزملائهم الغربيين. تم تفعيل التوكاماك الأول في الاتحاد السوفييتي في سبعينيات القرن الماضي. في عام 50، تم بناء توكاماك-1982، وهي منشأة فريدة تعتمد على الموصلية الفائقة والتي شكلت عمليا كل ما تبعها.
يقع EAST في مدينة خفي، عاصمة مقاطعة آنهوي، ويعمل تحت رعاية معهد فيزياء البلازما التابع للأكاديمية الصينية للعلوم. المنشأة عبارة عن ترقية لأول توكاماك صيني - HT-7 (خليفة Hefei Tokamak-7). لم يتم اختيار الرقم 7 بشكل عشوائي، فقد تم بناء توكاماك الصيني بالتعاون الوثيق مع روسيا في عام 1994، وهو يعتمد على توكاماك-7 المذكور أعلاه. تضمن المشروع الطموح للأكاديمية الصينية للعلوم، الذي صدر في عام 1998، ترقية شاملة لـ HT-7 توكاماك، والتي سُميت HT-7U. تم الانتهاء من البناء، الذي يقال إنه كلف 25 مليون دولار، هذا العام، وأجري أول اختبار تشغيلي أمس. [المزيد عن الشرق في هذه المقالة الاحترافية. يمكن رؤية صور HT-7 هنا].
وذكرت وكالة أنباء شينخوا أن مدير المعهد الذي يدير EAST، لي جيانغانغ، قال إنه راضٍ جدًا عن نتائج التجربة، التي يقول إنها تعد اختراقًا في أبحاث عمليات الاندماج النووي الخاضعة للرقابة. وقال لي: "تشير نتائج التجربة إلى أننا نتقدم على منافسينا بعقد من الزمان على الأقل". "إن إنجازاتنا ستعمل على تعزيز رؤية الطاقة النظيفة والمتاحة للبشرية جمعاء." الإنجاز الآخر للصين هو المنشأة نفسها، التي تدعي أنها أرخص وأبسط في البناء من المنافسين.
ITER في فرنسا. الصورة: الموقع الرسمي
ليس فقط في الصين
والمشروع الصيني ليس فريدا من نوعه - فقد تم بناء العشرات من التوكاماك في جميع أنحاء العالم - ولكن جزءا صغيرا منها فقط يتمتع بالقوة والطاقة اللازمة لدعم تفاعل الاندماج النووي القادر على توليد الكهرباء حتى ولو لبضع ثوان متتالية. يحمل الرقم القياسي الياباني Tokamak JT-60، حيث تمكن من الاحتفاظ بالبلازما لمدة 28.6 ثانية. يتم استخدام التوكاماك الأصغر لإجراء أبحاث أكثر تواضعًا. وفي عام 1994، حتى إيران اشترت توكاماك روسي الصنع (واشترت أخرى من الصين). لكن كلتا المنشأتين ليستا ذات طاقة عالية وتستخدمان فقط لأغراض البحث ولا يمكنهما إشعال تفاعل نووي حراري. ورغم أن الإيرانيين أعلنوا قبل بضعة أشهر أنهم حققوا الاندماج النووي، إلا أن الأمر كان إما سوء فهم أو خداع متعمد.
في هذه الأيام، يتم بناء مفاعل توكاماك ITER (المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي) في شمال فرنسا، والغرض منه هو محاولة إثبات أنه من الممكن بالفعل بناء محطة طاقة نووية حرارية يمكنها توفير الكهرباء بشكل مستمر. عند بنائه، سيكون أقوى توكاماك على الإطلاق. وهناك حتى اليوم 7 مشاركين في هذا المشروع الدولي: روسيا والصين والاتحاد الأوروبي واليابان والهند وكوريا الجنوبية والولايات المتحدة، التي غادرتها عام 1999 لكنها عادت بعد أربع سنوات. ومن المقرر إجراء أول تجربة ITER في عام 2016.
سُئل ذات مرة السير جون كوكروفت، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء ومدير التوكاماك البريطاني، متى سيظهر أول مفاعل اندماجي يمكنه توفير الكهرباء صناعيًا؟ أجاب كوكروفت "خلال 20 عامًا". وعندما سئل نفس السؤال بعد سبع سنوات، أجاب مرة أخرى "خلال 20 عاما". وبطبيعة الحال، لم يستطع الصحفيون إلا أن يذكروه بإجابته السابقة، والتي رد عليها كروفت على النحو التالي: "كما ترون، أنا لا أغير رأيي".
تشير التوقعات اليوم إلى أن التوكاماك التي ستوفر الكهرباء بانتظام ستظهر في غضون 30 إلى 50 عامًا. لكن بعض كبار العلماء الروس، مثل جورجي إليسيف، الذي يدير المركز العلمي الروسي "معهد كورتشيتوف"، متأكدون من أنه من الناحية الفنية والعلمية يمكن تحقيق ذلك بالفعل في الوقت الحاضر وكل شيء يعتمد فقط على درجة من الرغبة والاستثمار. وحتى ذلك الحين، ستظل الطاقة المتاحة والنظيفة حلما للبشرية.
يكتب Semyon Semyonov في مدونة "Target: Space" على موقع تغطية مركزة
