مشروع سبارك الساطع: هل يستطيع علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تحويل طاقة الاندماج النووي إلى حقيقة واقعة؟

نستخدمها لنقدم لك أفضل تجربة. إذا واصلت استخدام موقعنا الإلكتروني، فسنعتبر أنك توافق على استقبال جميع ملفات تعريف الارتباط على هذا الموقع.

تستثمر شركة النفط الإيطالية "إيني" 50 مليون دولار في شركة "كومنولث فيوجن سيستمز"، وهي شركة ناشئة منبثقة عن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وتتعاون مع المعهد في تطوير مغناطيسات فائقة التوصيل لإنتاج طاقة خالية من الكربون في تجربة طاقة اندماجية تُعرف باسم "سبارك". ويقدم جوليان تيرنر تفاصيل المشروع من الرئيس التنفيذي روبرت مومغارد.

في أعماق أروقة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) العريق، تشهد الطاقة ثورة حقيقية. فبعد عقود من التقدم، يعتقد العلماء أن طاقة الاندماج النووي باتت جاهزة أخيراً لتُحقق نجاحاً باهراً، وأن الهدف المنشود المتمثل في طاقة غير محدودة، وخالية من الاحتراق، ومنعدمة الكربون، قد يكون في متناول اليد.

تشارك شركة الطاقة الإيطالية العملاقة إيني هذا التفاؤل، حيث تستثمر 50 مليون يورو (62 مليون دولار) في مشروع تعاوني مع مركز علوم ودمج البلازما التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (PSFC) وشركة أنظمة الكومنولث للاندماج (CFS) الخاصة، والذي يهدف إلى تسريع إدخال طاقة الاندماج إلى الشبكة في غضون 15 عامًا فقط.

إن التحكم في الاندماج النووي، وهي العملية التي تغذي الشمس والنجوم، متوقف بسبب مشكلة قديمة: فبينما تطلق هذه العملية كميات هائلة من الطاقة، لا يمكن إجراؤها إلا في درجات حرارة قصوى تبلغ ملايين الدرجات المئوية، وهي أعلى من مركز الشمس، وأعلى من أن تتحملها أي مادة صلبة.

ونتيجة لتحدي احتواء وقود الاندماج في هذه الظروف القاسية، فقد استمرت تجارب طاقة الاندماج حتى الآن في العمل بنقص، حيث تولد طاقة أقل مما هو مطلوب للحفاظ على تفاعلات الاندماج، وبالتالي فهي غير قادرة على إنتاج الكهرباء للشبكة.

يقول روبرت مومغارد، الرئيس التنفيذي لشركة CFS: "لقد تمت دراسة أبحاث الاندماج النووي على نطاق واسع خلال العقود العديدة الماضية، مما أدى إلى تقدم في الفهم العلمي والتقنيات الخاصة بطاقة الاندماج النووي".

"تقوم شركة CFS بتسويق الاندماج النووي باستخدام نهج المجال العالي، حيث نعمل على تطوير مغناطيسات جديدة ذات مجال عالٍ لصنع أجهزة اندماج أصغر حجماً باستخدام نفس النهج الفيزيائي المستخدم في البرامج الحكومية الأكبر. ولتحقيق ذلك، تتعاون CFS بشكل وثيق مع معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في مشروع مشترك، بدءاً من تطوير المغناطيسات الجديدة."

يستخدم جهاز SPARC مجالات مغناطيسية قوية لتثبيت البلازما الساخنة - وهي عبارة عن حساء غازي من الجسيمات دون الذرية - في مكانها لمنعها من ملامسة أي جزء من حجرة التفريغ ذات الشكل الحلقي.

يوضح مومغارد قائلاً: "يكمن التحدي الرئيسي في خلق بلازما في ظروف تسمح بحدوث الاندماج بحيث تنتج طاقة أكثر مما تستهلك. ويعتمد هذا بشكل كبير على فرع من فروع الفيزياء يُعرف باسم فيزياء البلازما".

صُممت هذه التجربة المدمجة لإنتاج حوالي 100 ميغاواط من الحرارة في نبضات مدتها عشر ثوانٍ، وهي كمية طاقة تعادل استهلاك مدينة صغيرة. ولكن، بما أن مشروع SPARC تجربة، فلن يشمل أنظمة تحويل طاقة الاندماج إلى كهرباء.

يتوقع العلماء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن يكون الناتج أكثر من ضعف الطاقة المستخدمة لتسخين البلازما، مما يحقق في النهاية الإنجاز التقني النهائي: طاقة صافية إيجابية من الاندماج.

يقول مومغارد: "يحدث الاندماج النووي داخل بلازما محصورة ومعزولة باستخدام المجالات المغناطيسية. وهذا يشبه من الناحية النظرية زجاجة مغناطيسية. ترتبط قوة المجال المغناطيسي ارتباطًا وثيقًا بقدرة الزجاجة المغناطيسية على عزل البلازما حتى تتمكن من الوصول إلى ظروف الاندماج النووي."

"وبذلك، إذا استطعنا صنع مغناطيسات قوية، فسنتمكن من إنتاج بلازما ذات درجة حرارة وكثافة أعلى باستخدام طاقة أقل للحفاظ عليها. وبفضل البلازما المحسّنة، سنتمكن من تصغير حجم الأجهزة وتسهيل تصنيعها وتطويرها."

"بفضل الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، لدينا أداة جديدة لتوليد مجالات مغناطيسية عالية القوة، وبالتالي الحصول على أسطوانات مغناطيسية أفضل وأصغر حجماً. نعتقد أن هذا سيقربنا من تحقيق الاندماج النووي بشكل أسرع."

يشير مومغارد إلى جيل جديد من المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل ذات التجويف الكبير والتي لديها القدرة على إنتاج مجال مغناطيسي أقوى بمرتين من ذلك المستخدم في أي تجربة اندماج حالية، مما يتيح زيادة الطاقة لكل وحدة حجم بأكثر من عشرة أضعاف.

ستُمكّن المغناطيسات فائقة التوصيل الجديدة، المصنوعة من شريط فولاذي مطلي بمركب يسمى أكسيد الإتريوم والباريوم والنحاس (YBCO)، مشروع SPARC من إنتاج طاقة اندماجية تبلغ حوالي خُمس طاقة ITER ولكن في جهاز يبلغ حجمه حوالي 1/65 فقط.

من خلال تقليل الحجم والتكلفة والجدول الزمني والتعقيد التنظيمي المطلوب لبناء أجهزة طاقة الاندماج الصافية، ستتيح مغناطيسات YBCO أيضًا مناهج أكاديمية وتجارية جديدة لطاقة الاندماج.

يوضح مومغارد قائلاً: "إن SPARC و ITER كلاهما عبارة عن توكاماك، وهو نوع محدد من الزجاجات المغناطيسية يعتمد على العلوم الأساسية الواسعة لتطوير فيزياء البلازما على مدى عقود".

"سيستخدم مشروع SPARC الجيل التالي من المغناطيسات فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية (HTS) التي تسمح بمجال مغناطيسي أعلى بكثير، مما يوفر أداء الاندماج المستهدف بحجم أصغر بكثير."

"نعتقد أن هذا سيكون عنصراً أساسياً لتحقيق الاندماج النووي على نطاق زمني مناسب للمناخ، ومنتجاً جذاباً من الناحية الاقتصادية."

فيما يتعلق بالجداول الزمنية والجدوى التجارية، فإن SPARC هو تطور لتصميم توكاماك تمت دراسته وتحسينه لعقود، بما في ذلك العمل في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الذي بدأ في السبعينيات.

تهدف تجربة SPARC إلى تمهيد الطريق لأول منشأة طاقة اندماجية حقيقية في العالم بقدرة تبلغ حوالي 200 ميجاوات من الكهرباء، وهي قدرة مماثلة لمعظم محطات الطاقة الكهربائية التجارية.

على الرغم من الشكوك الواسعة النطاق حول طاقة الاندماج النووي - إذ تمتلك شركة إيني رؤية مستقبلية لتكون أول شركة نفط عالمية تستثمر بكثافة في هذا المجال - يعتقد المؤيدون أن هذه التقنية يمكن أن تلبي جزءًا كبيرًا من احتياجات العالم المتزايدة من الطاقة، مع خفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في الوقت نفسه.

إن الحجم الأصغر الذي تتيحه المغناطيسات فائقة التوصيل الجديدة يُمكّن من إيجاد مسار أسرع وأرخص لتوليد الكهرباء من طاقة الاندماج على الشبكة.

تُقدّر شركة إيني أن تكلفة تطوير مفاعل اندماج نووي بقدرة 200 ميغاواط بحلول عام 2033 ستبلغ 3 مليارات دولار. وقد قطع مشروع ITER، وهو مشروع تعاوني بين أوروبا والولايات المتحدة والصين والهند واليابان وروسيا وكوريا الجنوبية، أكثر من نصف الطريق نحو تحقيق هدفه المتمثل في إجراء أول اختبار للبلازما فائقة التسخين بحلول عام 2025 وأول اندماج نووي بكامل طاقته بحلول عام 2035، وتبلغ ميزانيته حوالي 20 مليار يورو. وكما هو الحال مع مشروع SPARC، فإن ITER مصمم بحيث لا يُنتج الكهرباء.

إذن، مع تحول شبكة الكهرباء الأمريكية من محطات الطاقة الضخمة التي تعمل بالفحم أو الانشطار بقدرة 2-3 جيجاوات إلى تلك التي تتراوح قدرتها بين 100-500 ميجاوات، هل يمكن لطاقة الاندماج أن تنافس في سوق صعبة؟ وإذا كان الأمر كذلك، فمتى؟

"لا يزال هناك بحث يتعين القيام به، لكن التحديات معروفة، والابتكار الجديد يشير إلى الطريق لتسريع الأمور، والجهات الفاعلة الجديدة مثل CFS تجلب تركيزًا تجاريًا على المشاكل، والعلوم الأساسية ناضجة"، كما يقول مومغارد.

نعتقد أن الاندماج أقرب مما يظن الكثيرون. ترقبوا المزيد.

تُعد شركة DAMM Cellular Systems A/S واحدة من الشركات الرائدة عالميًا في أنظمة الاتصالات اللاسلكية الأرضية (TETRA) وأنظمة الاتصالات اللاسلكية الرقمية المتنقلة (DMR) الموثوقة والمتينة والقابلة للتوسع بسهولة للعملاء في القطاعات الصناعية والتجارية والسلامة العامة.

يوفر نظام DAMM TetraFlex Dispatcher كفاءة متزايدة في المؤسسات التي تدير أسطولًا من المشتركين الذين يحتاجون إلى قيادة ومراقبة وتحكم في الاتصالات اللاسلكية.

يوفر نظام تسجيل الصوت والبيانات DAMM TetraFlex وظائف تسجيل الصوت والبيانات الشاملة والدقيقة، بالإضافة إلى مجموعة واسعة من مرافق تسجيل سجلات المكالمات.

شركة Green Tape Solutions هي شركة استشارية أسترالية متخصصة في التقييمات البيئية والموافقات والتدقيق، بالإضافة إلى الدراسات البيئية.

عندما تسعى لتحسين أداء محطة توليد الطاقة لديك وموثوقيتها، ستحتاج إلى تجربة محاكاة مناسبة لتحقيق ذلك. إحدى الشركات متخصصة في إنتاج برامج محاكاة واقعية لمحطات توليد الطاقة، تضمن حصول موظفيك على المعرفة اللازمة لتشغيل محطة توليد الطاقة بأمان وكفاءة.