أخبار:مغناطيس ٢٠تسلا للاندماج النووي لطاقة بلا كربون

صورة نشرها موقع معهد مساتشوستس للتكنولوجيا لمشروع الاندماج النووي.

• حقق المشروع الذي صممه معهد مساتشوستس للتكنولوجيا تقدماً كبيراً نحو طاقة الاندماج حيث حطم المغناطيس فائق التوصيل الجديد سجلات شدة المجال المغناطيسي، مما يمهد الطريق لطاقة عملية وخالية من الكربون.

في 8 سبتمبر 2021، مرت ثلاث سنوات من العمل، بناءً على بحث مكثف وأعمال تصميم: في 5 سبتمبر، ولأول مرة، تم رفع مغناطيس كهربائي فائق التوصيل عالي الحرارة إلى قوة مجال تبلغ 20 تسلا، أقوى مغناطيسي حقلي من نوعه تم إنشاؤه على الأرض. يساعد هذا العرض التوضيحي الناجح في حل أكبر قدر من عدم اليقين في السعي لبناء أول محطة طاقة اندماجية في العالم يمكنها إنتاج طاقة أكثر مما تستهلك، وفقاً لقادة المشروع في معهد مساتشوستس للتكنولوجيا وشركة كومنولث فيوجن سستمز (CFS).

هذا التقدم يمهد الطريق، كما يقولون، للإنشاء الذي طال انتظاره لمحطات طاقة عملية وغير مكلفة وخالية من الكربون يمكن أن تسهم بشكل كبير في الحد من آثار تغير المناخ العالمي.

تقول ماريا زوبر، نائب رئيس معهد مساتشوستس للتكنولوجيا للأبحاث وأستاذ الجيوفيزياء في معهد مساتشوستس للتكنولوجيا، ماريا زوبر:

"الاندماج من نواح كثيرة هو المصدر النهائي للطاقة النظيفة". "كمية الطاقة المتوفرة تغير قواعد اللعبة." يأتي الوقود المستخدم لتوليد طاقة الاندماج من الماء، و "الأرض مليئة بالمياه - إنها مورد غير محدود. علينا فقط معرفة كيفية الاستفادة منه"

.

يُنظر إلى تطوير المغناطيس الجديد على أنه أكبر عقبة تكنولوجية أمام تحقيق ذلك؛ يفتح تشغيله الناجح الآن الباب لإثبات الاندماج في المختبر، والذي تم متابعته لعقود من الزمن مع تقدم محدود. مع إظهار تقنية المغناطيس بنجاح الآن، فإن تعاون MIT-CFS يسير على الطريق الصحيح لبناء أول جهاز اندماج في العالم يمكنه إنشاء وحصر بلازما تنتج طاقة أكثر مما تستهلكه. ومن المقرر الانتهاء من هذا الجهاز التجريبي، المسمى SPARC، في عام 2025.

يقول دنيس وايت، مدير مركز علوم البلازما والانصهار التابع لمعهد مساتشوستس للتكنولوجيا، والذي يعمل مع CFS لتطوير SPARC:

"تحديات تحقيق الاندماج هي تحديات تقنية وعلمية". ولكن بمجرد إثبات التقنية، كما يقول، "إنها مصدر طاقة لا ينضب وخالٍ من الكربون ويمكنك نشره في أي مكان وفي أي وقت. إنه حقاً مصدر طاقة جديد بشكل أساسي.

يضيف وايت، وهو أستاذ الهندسة في هيتاشي أمريكا أيضاً،

إن العرض التوضيحي هذا الأسبوع يمثل بارامتراً رئيسياً، حيث يتناول أكبر الأسئلة المتبقية حول جدوى تصميم SPARC. يقول: "إنها لحظة فاصلة في علم الاندماج والتكنولوجيا".

 كالشمس في زجاجة

الاندماج هو العملية التي تمد الشمس بالطاقة: دمج ذرتين صغيرتين لتكوين واحدة أكبر، مما يطلق كميات هائلة من الطاقة. لكن العملية تتطلب درجات حرارة تفوق بكثير ما يمكن أن تتحمله أي مادة صلبة. لالتقاط مصدر طاقة الشمس هنا على الأرض، ما نحتاجه هو طريقة لالتقاط واحتواء شيء بهذه السخونة - 100،000،000 درجة أو أكثر - من خلال تعليقه بطريقة تمنعه ​​من الاتصال بأي شيء صلب.

يتم ذلك من خلال المجالات المغناطيسية الشديدة، والتي تشكل نوعاً من الزجاجة غير المرئية لاحتواء سائل ساخن من البروتونات والإلكترونات، يسمى البلازما. نظراً لأن الجسيمات لها شحنة كهربائية، يتم التحكم فيها بقوة بواسطة الحقول المغناطيسية، والتكوين الأكثر استخداماً لاحتوائها هو جهاز على شكل كعكة دائرية يسمى توكاماك. أنتجت معظم هذه الأجهزة مجالاتها المغناطيسية باستخدام مغناطيس كهربائي تقليدي مصنوع من النحاس، ولكن أحدث وأكبر نسخة قيد الإنشاء في فرنسا، تسمى ITER، تستخدم ما يعرف باسم الموصلات الفائقة منخفضة الحرارة.

الابتكار الرئيسي في تصميم الانصهار MIT-CFS هو استخدام الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، والتي تتيح مجالًا مغناطيسياً أقوى بكثير في مساحة أصغر. أصبح هذا التصميم ممكناً بفضل نوع جديد من المواد فائقة التوصيل التي أصبحت متاحة تجارياً قبل بضع سنوات. نشأت الفكرة في البداية كمشروع دراسي في فصل الهندسة النووية الذي يدرسه وايت. بدت الفكرة واعدة للغاية لدرجة أنها استمرت في التطوير خلال التكرارات القليلة التالية لتلك الفئة، مما أدى إلى مفهوم تصميم محطة الطاقة ARC في أوائل عام 2015. SPARC، المصمم ليكون حوالي نصف حجم ARC، هو اختبار لإثبات المفهوم قبل إنشاء محطة كاملة الحجم لإنتاج الطاقة.

حتى الآن، كانت الطريقة الوحيدة لتحقيق المجالات المغناطيسية الهائلة اللازمة لإنشاء "زجاجة" مغناطيسية قادرة على احتواء البلازما المسخنة حتى مئات الملايين من الدرجات هي جعلها أكبر وأكبر. لكن مادة الموصل الفائق الجديدة عالية الحرارة، المصنوعة على شكل شريط مسطح يشبه الشريط، تجعل من الممكن تحقيق مجال مغناطيسي أعلى في جهاز أصغر، يعادل الأداء الذي يمكن تحقيقه في جهاز أكبر 40 مرة في الحجم باستخدام المغناطيسات التقليدية فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة المنخفضة. هذه القفزة في القوة مقابل الحجم هي العنصر الأساسي في تصميم ARC الثوري.

يتيح استخدام المغناطيسات فائقة التوصيل الجديدة ذات درجات الحرارة العالية إمكانية تطبيق عقود من المعرفة التجريبية المكتسبة من تشغيل تجارب توكاماك، بما في ذلك سلسلة ألكاتور الخاصة بمعهد مساتشوستس للتكنولوجيا. النهج الجديد، بقيادة زاك هارتوگ، الباحث الرئيسي في معهد مساتشوستس للتكنولوجيا وأستاذ مساعد التطوير الوظيفي روبرت نويس في العلوم والهندسة النووية، يستخدم تصميماً مشهوراً ولكنه يقيس كل شيء إلى حوالي نصف الحجم الخطي ولا يزال يحقق نفس الشيء ظروف التشغيل بسبب المجال المغناطيسي العالي.

حددت سلسلة من الأوراق العلمية التي نُشرت العام الماضي الأساس المادي، وأكدت، عن طريق المحاكاة، جدوى جهاز الاندماج الجديد. أظهرت الأوراق أنه إذا عملت المغناطيسات كما هو متوقع، فإن نظام الاندماج بأكمله يجب أن ينتج بالفعل صافي إنتاج الطاقة، لأول مرة منذ عقود من أبحاث الاندماج.

يقول مارتن گرينوالد، نائب المدير وكبير علماء الأبحاث في PSFC، على عكس بعض التصميمات الأخرى لتجارب الاندماج، "كان المكان الذي كنا نملأه هو استخدام فيزياء البلازما التقليدية وتصميمات وهندسة توكاماك التقليدية، ولكن جلب لها هذا المغناطيس الجديد تقنية. لذلك، لم نكن بحاجة إلى الابتكار في ستة مجالات مختلفة. سنبتكر فقط في المغناطيس، ثم نطبق القاعدة المعرفية لما تم تعلمه على مدار العقود الماضية".

هذا المزيج من مبادئ التصميم الراسخة علمياً وقوة المجال المغناطيسي المتغيرة للعبة هو ما يجعل من الممكن تحقيق مصنع يمكن أن يكون ذو جدوى اقتصادية ويتم تطويره على مسار سريع. قال بوب مومگارد، الرئيس التنفيذي لشركة CFS: "إنها لحظة كبيرة". "لدينا الآن منصة متقدمة جداً علمياً، بسبب عقود من البحث على هذه الآلات، وأيضاً تجارياً مثيراً للاهتمام. ما يفعله هو السماح لنا ببناء أجهزة أسرع وأصغر وبتكلفة أقل، "كما يقول عن العرض التوضيحي للمغناطيس الناجح.

 إثبات المفهوم

يتطلب تحقيق مفهوم المغناطيس الجديد هذا ثلاث سنوات من العمل المكثف في التصميم، وإنشاء سلاسل التزويد، ووضع طرق تصنيع للمغناطيسات التي قد تحتاج في النهاية إلى إنتاج الآلاف.

"لقد بنينا أول مغناطيس فائق التوصيل من نوعه. تطلب الأمر الكثير من العمل لإنشاء عمليات ومعدات تصنيع فريدة من نوعها. نتيجة لذلك، نحن الآن على استعداد جيد لزيادة إنتاج SPARC "

، كما تقول جوي دن، رئيسة العمليات في CFS.

"بدأنا بنموذج فيزيائي وتصميم CAD، وعملنا من خلال الكثير من التطوير والنماذج الأولية لتحويل التصميم على الورق إلى هذا المغناطيس المادي الفعلي." وقد استلزم ذلك بناء قدرات التصنيع ومرافق الاختبار، بما في ذلك عملية تكرارية مع العديد من المزودين للشريط فائق التوصيل، لمساعدتهم على الوصول إلى القدرة على إنتاج المواد التي تلبي المواصفات المطلوبة - والتي أصبحت CFS الآن أكبر مستخدم في العالم لها

لقد عملوا مع تصميمين مغناطيسين محتملين بالتوازي، وكلاهما انتهى بتلبية متطلبات التصميم، كما تقول.

"لقد تعلق الأمر حقًا بأي طريقة يمكن أن تحدث ثورة في الطريقة التي نصنع بها مغناطيس فائق التوصيل، وأي منها كان أسهل في البناء." وإن التصميم الذي اعتمدوه برز بوضوح في هذا الصدد

في هذا الاختبار، تم تشغيل المغناطيس الجديد تدريجياً في سلسلة من الخطوات حتى الوصول إلى هدف حقل مغناطيسي 20 تسلا - أعلى شدة مجال على الإطلاق لمغناطيس اندماج فائق التوصيل عالي الحرارة. يتكون المغناطيس من 16 لوحة مكدسة معاً، كل واحدة منها ستكون أقوى مغناطيس فائق التوصيل عالي الحرارة في العالم.

يقول مومگارد:

"منذ ثلاث سنوات أعلنا عن خطة لبناء مغناطيس بقوة 20 تسلا، وهو ما سنحتاجه لآلات الاندماج المستقبلية". لقد تم تحقيق هذا الهدف الآن، في الموعد المحدد، حتى مع الوباء

نقلاً عن سلسلة الأوراق البحثية الفيزيائية التي نُشرت العام الماضي، يقول براندون سوربوم، كبير مسؤولي العلوم في CFS، "استنتجت الأوراق بشكل أساسي أنه إذا قمنا ببناء المغناطيس، فستعمل جميع الفيزياء في SPARC. إذن، يجيب هذا العرض التوضيحي على السؤال: هل يمكنهم بناء المغناطيس؟ إنه وقت مثير للغاية! إنه معلم ضخم".

ستتمثل الخطوة التالية في بناء SPARC، وهي نسخة أصغر حجماً من محطة الطاقة ARC المخطط لها. سيُظهر التشغيل الناجح لـ SPARC أن إنشاء محطة طاقة اندماج تجارية كاملة النطاق عملية، مما يمهد الطريق للتصميم والبناء السريع لهذا الجهاز الرائد ويمكن بعد ذلك المضي قدماً بأقصى سرعة.

وترتفع درجة حرارة الغلاف الجوي للأرض بوتيرة كارثية، والتخفيض الكبير في انبعاثات الكربون فات موعده كثيراً. وبالاقتران مع شيئين يجب أن نقوم بهما الآن - التخلص التدريجي تماماً من الوقود الأحفوري وتنفيذ خيارات الطاقة المتجددة المتاحة على نطاق واسع والفعالة من حيث التكلفة، فإن اختراقاً في إنتاج طاقة الاندماج فعليا سيكون ما يحتاجه كوكبنا.

 مرئيات

مغناطيس 20 تسلا للاندماج النووي لطاقة بلا كربون.

 انظر ايضاً

• مغناطيس فائق التوصيل
• معهد مساتشوستس للتكنولوجيا
• كومنولث فيوجن سستمز
• توكاماك