logo

logo

logo

logo

logo

الاندماج النووي (آلات -)

اندماج نووي (الات )

Nuclear fusion machines - Machines de fusion nucléaire

الاندماج النووي (آلات-)

الاندماج النووي باستعمال الليزر

أمان مفاعلات الاندماج

 

تسمى المفاعلات التي يحصل في داخلها الاندماج آلات الاندماج النووي nuclear fusion machines، فهي معدات ضخمة تتضافر فيها جهود الفيزيائيين باختصاصات مختلفة، مثل اختصاص الناقلية الفائقة بغية الحصول على حقول مغنطيسية عالية جداً، وفيزيا المواد للوصول إلى مواد متحملة درجة الحرارة العالية وفيزيا الليزر، وجهود مهندسي الميكانيك والكهربا والحوسبة والإلكترونيات، وغيرها.

توصل لوسن Lawson في أوائل الخمسينيات إلى وجوب تحقق شرط الاندماج حرارياً، بالجدا الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\763\Image191212.jpg، حيث n: كثافة البلازما التي هي غازٌ مكوَّنٌ- في معظمه - من جسيمات مشحونة، و الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\763\Image191226.jpg: الزمن المنقضي لتفقد البلازما نصف طاقتها بعد توقف التسخين، وقد يُكتب شرط حصول الاندماج بدلالة ضغط البلازما والزمن الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\763\Image191234.jpg.

يمكن أن يتحقق هذا الطرح في ثلاثة شروط تقريبية هي:

1: وجوب رفع درجة حرارة البلازما إلى أكثر من مئة مليون درجة.

2: رفع كثافة المزيج البلازمي إلى أكثر من ألف ضعفٍ من كثافته العادية.

3: البحث عن وعا ٍ مناسب، قِدْر، لاحتوا هذا المزيج الفائق السخونة مدة كافية من الزمن لإتاحة الفرصة لحدوث التصادمات. يمكن أن تجزّأ الدراسة إذن إلى مراحل أولاها تكوين البلازما واحتواؤها والتحكم فيها، ثم استخلاص طاقة التفاعل الناتجة من الاندماج، كما في مفاعلات الانشطار. وقد تتطلب الدراسة مرحلة تسخين أولي أو حقن بلازما معدة مسبقاً، ويبين الشكل (1) مخططاً أولياً لآلة اندماج صناعية.

الشكل (1) مخطط أولي لمفاعل اندماج صناعي

يمكن أن تُبوب قدور الاندماج في صنفين رئيسيين هما: الحصر المغنطيسي، والحصر بالعطالة. فالصنف الأول يستخدم حقولاً مغنطيسية قوية تسمح بحصر البلازما الحارة وعزلها عن جدران حجرةِ (سوارِ) الاندماجِ، (الشكلان 2 و3)، وأما العطالي فيعتمد قذف كرية من مزيج مادة الاندماج (مزيج D-T مثلاً) بحزمة من الأيونات المسرّعة أو بحزم ليزرية؛ فيتبخر الجز الخارجي من الكريَّة ويقوم رد الفعل بضغط الجز الداخلي منها فيرفع من كثافتها ومن درجة حرارتها ليجعلها تحقق شروط الاندماج.

الشكل (2-ب) جز من السوار، تظهر فيه تفصيلات أدوات التخلية والمغانط ذات الحقول الطولية والعرضية: القطع المتراصّة والشريط الذي يوافق الأنبوب الشكل (2- أ) مخطط المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي في كدراش، وتتبين ضخامته من مقارنته بقامة الشخص الواقف إلى أسفل يمينه.

الشكل (3) توزع خطوط الحقل المغنطيسي وسطوحه داخل مقطع من السوار. 

تعدّ «الحجرة المغنطيسية الحلقية السوارية» torous magnetic chamber، وهذا المصطلح ترجمة عن الروسية لكلمة التوكاماك Tokamak، أوفر آلات الاندماج ذات الحصر المغنطيسي للبلازما دراسة، فقد اقترحه أرسيموفيتش L. Artsimovitch وساخروف A. Sakharov نظرياً في خمسينيات القرن الماضي، وتحقق مبدأ عمله على يد السوفييت أيضاً في ستينيات القرن الماضي. بعد الحصول على البلازما بإحدى الطرائق العادية مثل الانفراغ في غاز مناسب، تسخن هذه البلازما إلى درجة عالية وفق قانون أوم بإمرار تيار عالٍ جداً فيها، فتؤدي دور حلقة ثانوية دائرية بتأثير الحقول المغنطيسية التي تجعل حركتها دائرية، في محولةٍ وشائعها الأولية تلتف على النوى الحديدية الموزعة حول الحجرة المغنطيسية السواريّة، ويُمرَّر في هذه الوشائع الأولية تيار كهربائي نبضي شديد جداً (ملايين الأمبيرات) ينشأ من تفريغ شحناتِ مجموعاتِ مكثفاتٍ كبيرة السعة، مع إجرا تسخينٍ إضافي أحياناً بحقن حزم من الجسيمات المعتدلة (نترونات) السريعة جداً، أو بفعل الأمواج الراديوية RF، أو الأمواج المكروية MW. فقد نجح السوفييت في تشكيل مجالٍ مغنطيسي حلقي قوي يمكن أن يحصر البلازما حول محورٍ دائري يتوسط تجويفاً حلقياً سوارياً مخلى من الهوا ، فتبقى خلاله البلازما بعيدة عن جدران التجويف المزروع بالحقول المغنطيسية الحاصرة حتى لا تتعرض للانصهار (الشكل 2). تحمي الحقول المغنطيسية البلازما من التسرب كما تحمي طاقة جسيماتها المشحونة وكذلك الجسيمات الناتجة من الاندماج بما فيها طاقة النترونات من التبدد سدى، باحتوا الحلقة ضمن ردا ٍ سميك يحوي الليثيوم ليؤدي دوراً ثلاثياً: 1- إنتاج الحرارة 2- توليد التريتيوم 3- تدريع أول من الإشعاع. وهذا كله محاط أيضاً بدرعٍ خارجي شامل مناسب لحماية المفاعل والمحيط الخارجي أيضاً من تسرب الإشعاع الناتج من تنشيط موادّ المفاعل وشوائبها بنترونات الاندماج، ويبين الشكل (3) مقطعاً لتوزع الحقول المغنطيسية المكاني داخل السوار كما تُظهره خطوط الحقل المغنطيسي وسطوحه.

واجه التوكاماك صعوبات تقنية نتيجة عمله النبضي واستعمال البلازما الحلقية نفسها للتسخين، ومع اقتراح تعديلات على تصميمه باقتراح توكاماك كروي، إلا أن منافساً ومضارعاً له أثبت إمكان تجاوز هاتين الصعوبتين هو الستيلارترStellarator . لقد بدأ تركيب نسخ أولية من الستيلارتر عام 1951 في عدة بلدان، لكن فريق العلما الألمان في غريفزولد Greifswald توصلوا إلى نسخة جديدة تدعى ﭬيندلشتاين Wendelstein (W7-X) X-7 تم تركيبها عام 2014 واختبارها بنجاح عام 2016، قاربت أدا التوكاماك ذي الحجم نفسه وذلك باستعمال ملفات حلزونية تتحكم بالبلازما تستدعي دقة عالية بتصنيعها وتصنيع أجزائها. أنجزت باستعمال الحاسوب، كما أن التحكم في عملها يتم حاسوبياً أيضاً مما يجعلها أقرب إلى الآلات المتأمل استعمالها صناعياً.

الاندماج النووي باستعمال الليزر

يعدّ الاندماج النووي باستعمال الليزر مثالاً لآلات الاندماج بالحصر العطالي. إذ تُوجه حزم مجموعة ليزرات متناظرة تناظراً دقيقاً وذات استطاعات عالية جداً باتجاه كرية مكونة من مزيج الدوتريوم والتريتيوم يغلفها غشا معدني أو أي غشا آخر قادر على امتصاص الضو الليزري امتصاصاً شبه تام عند طول موجة الليزر المستعمل. تعمل هذه الطاقة الليزرية الممتصة على تبخير وتأيين مادة الغشا مكونة البلازما، فتساهم هذه البلازما أيضاً في الامتصاص، فتتكون جبهتا انفجار حديتان إحداهما تنطلق متبخرة نحو خارج الكرية، قد تحتوي إلكترونات وأشعة ليزر منعكسة وأشعة سينية، والأخرى - رد فعلها- تتجه نحو داخل الكرية تقوم بضغط قلب الكرية، الشكل (4). يظهر الحاجة إلى التناظر الدقيق في توجيه حزم الليزر لتكون الجبهتان مغلقتان من دون حدوث تأرجحات كبيرة في الكثافة فيفسد الانضغاط ودينامية البلازما. تجري هذه الحوادث متتالية بأجزا من الثانية، وقد تستعمل نبضة ممتدة زمنياً أو مجموعة نبضات عرضها من مرتبة النانوثانية لتؤدي فعل موجات الصدم المتتالي، وقد تمت تحسينات عديدة منذ برهان صحة المبدأ في أوائل سبعينيات القرن الماضي في مختبر لورنس ليفرمور الوطني Lowrence Livermore National Laboratory في الولايات المتحدة الأمريكية، سوا بزيادة استطاعة الليزرات المستعملة، أم بنوع الغشا المغلف وامتصاصيته إضافة إلى إجرا محاكاة حاسوبية. وفي عام 2006 أُعلن عن التوصل إلى وضع التعادل بين الطاقة المستهلكة لبد تفاعل الاندماج والطاقة الناتجة من التفاعل، كما توجد بعض التحسينات باستعمال الأشعة السينية، لكن الاقتراب من آلة الاندماج الصناعية وفق هذه الطريقة لم يتحقق حتى الآن.

الشكل (4)

أمان مفاعلات الاندماج

إن التعامل مع التريتيومالوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\763\Image191252.jpg شر لا بد منه، لأنه مُشِع ويُصدر إلكتروناتٍ ضعيفة الطاقة تسبب أذى إشعاعياً حيوياً، خاصة وأن التريتيوم يمكن أن يدخل في صلب تركيب الما الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\763\Image191260.jpg، وهذا أشد أذى بـ 25000 مرة من الجزيئات الغازية الأصلية للتريتيوم. ويحتاج المفاعل الذي يولد استطاعة قدرها 1200 ميغاواط إلى استهلاك نحو نصف كيلو غرام من التريتيوم في اليوم و 3000 غ من الدوتريوم الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\763\Image191271.jpg. كما تصدر نترونات ذات طاقة  MeV 14 من تفاعل المزيج (D-T)، فتُنشطُ مواد المفاعل وتحوّلها إلى مواد مشعة يمكن أن تضم نواتج طويلة العمر، وإن لم تكن بكميات كبيرة مثل تلك التي تنتج في مفاعلات الانشطار. كما يمكن أن تؤدي إلى تخريب البنية البلورية للغلاف والردا وتؤكِّلها مما يستدعي تجديدها مع الزمن. ويجب إخضاع مواد المفاعل لمعالجاتٍ خاصة لإعادة استخدامها أو الحد من أذاها.

تتمتع مفاعلات الاندماج، على صعيد الأمان بمزيةٍ كبيرة هي أنها لا يمكن أن تجمح بحالٍ من الأحوال. ليس فقط لأن كمية الوقود الموجودة في المفاعل ضئيلة جداً وتتغذى باستمرار، بل لأن أي اضطراب يطرأ على نظام عملها يؤدي حتماً إلى الخروج من شروط الاندماج الترمونووية thermonuclear fusion، وإلى تدهور إصدار الطاقة وتوقف المفاعل عن العمل (أي انطفاؤه). ويضاف إلى ذلك ميزة أخرى هي أن نواتج تفاعل الاندماج لا تحوي عناصر شديدة الإشعاع مثل التي تنتج من تفاعلات الانشطار، ولا حاجة ملحة هنا إلى تفريغ ما يتبقى من الطاقة بعد توقف المفاعل، ولا لمعالجة النفايات الناتجة لأنها تقتصرُ على ما تنشَّطَ من مواد تدخل في بنية المفاعل في أثنا التشغيل ( في الردا الأول وفي الغلاف الأخير)، وعلى توغل غاز التريتيوم فيها، وكل هذه النواتج والمعالجات ذات أثر محدود، وما تزال موضع الدراسة والبحث، قبل أن يتم إحلال هذه المفاعلات بمميزاتها الواعدة محل مفاعلات الانشطار.

مراجع للاستزادة:

-A. A. Harms et al., Principles of Fusion Energy, World Scientific Publishing Co. Pte Ltd. 2000.

-Jeffrey P. Friedberg, Plasma Physics and Fusion Energy, Cambridge University Press, 2008.


التصنيف : الفيزياء النووية
النوع : الفيزياء النووية
المجلد: المجلد الثالث
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 537
الكل : 29647459
اليوم : 27469