إمكانية استخدام الطاقة الكهربائية في العمليات الصناعية للطاقة

وتشمل أكثر ردود الفعل واعدة فيما يتعلق بإنتاج الطاقة الأرضية نظائرين من الهيدروجين: ديوتريوم (د) وتريتيوم (T). وعندما تنتج نواة من الديوتروم وفلوز ثلاثي النيتيوم نواة هيليوم - 4 ونيوترون عالي الطاقة، ينتجون 17.6 مليون فولط خام من الطاقة المحترقة.

ولتحقيق هذا الرد، يجب تسخين الوقود إلى درجات حرارة تتجاوز 150 مليون درجة مئوية من مضمار كلسيوس؛ وأكثر سخونة من جوهر الشمس، وفي درجة حرارة قصوى، يوجد الوقود في حالة البلازما حيث يتم تجريد الإلكترونات من النواة، ويبقى هذا البلازما طويلا بما يكفي للارتقاء هو التحدي الهندسي المركزي.

الاختلافات الرئيسية من الإلزام

إن عنصر الارتحال يختلف اختلافاً جوهرياً عن الانشطار النووي، وهو العملية المستخدمة في محطات الطاقة النووية التقليدية، ففي حين أن الانشطار يقسم ذرات ثقيلة مثل اليورانيوم - 235 أو البلوتونيوم - 239، فإن الاندماج يجمع بين ذرات خفيفة، وهذا التمييز يؤدي إلى عدة مزايا حيوية تتعلق بالسلامة والبيئة، أولاً، لا يمكن للتكاثر أن ينتج تفاعلاً متسلسلاً؛ وأي اضطرابات في ظروف البلازمة تؤدي إلى الإطفاء في البلازما.

الطاقة الصناعية

وتستهلك الصناعة نحو ثلث الطاقة الأولية العالمية، ومن المتوقع أن يزداد الطلب عليها مع تطور البلدان النامية في مجال التصنيع وسلاسل الإمداد، وتطرح الاحتياجات المحددة للمستعملين الصناعيين تحديا فريدا في مجال إزالة الكربون، إذ أن العديد من العمليات، مثل صنع الفولاذ في أفران الانفجار أو إنتاج الصندل الخفيف، تتطلب درجات حرارة عالية متواصلة لا يمكن أن توفرها تكنولوجيات الطاقة المتجددة الحالية، ويمكن أن تساعد في بعض الحالات، ولكن البنية التحتية الوحيدة التي توفرها في مجالا لتوفير الطاقة البديلة.

ويمكن أن يعالج التدفق هذه النقاط الألمية مباشرة، وهو يوفر مصدراً مدمجاً ووعائياً ومتاحاً باستمرار للحرارة والكهرباء، كما يمكن لمصنع واحد لتوليد الطاقة الكهربائية يُقدر ب500 ميغاوات من الإنتاج الكهربائي أن يوفر أيضاً عدة مئات من ميغاوات من الطاقة الحرارية للعمليات الصناعية، مما يقلل بشكل كبير من آثار ودرجة تعقيد إمدادات الطاقة في موقع تصنيع كبير.

مزايا الارتقاء بالتطبيقات الصناعية

الوقود العازل والمتاح

ومن الناحية النظرية، يمكن أن يؤدي الديوتريوم في لتر واحد من مياه البحر إلى إنتاج ما يعادل 300 لتر من النفط، أما الليثيوم المستخدم في توليد ثلاثيات المياه، فهو موزع على نطاق واسع في رواسب الرنة واحتياطيات الخام، ويزيل هذا الوفرة القيود الجيوسياسية التي تؤثر على الوقود الأحفوري ولوازم اليورانيوم، وبالنسبة للصناعات التي تعتمد على القدرة على التنبؤ بتكلفة الطاقة الطويلة الأجل، فإن مصادر وقود الاندماج المحلي تمثل ضربة من تقلبات.

عملية صفر - كاربون

ولا تنتج محطات توليد الطاقة الكهربائية انبعاثات مباشرة من ثاني أكسيد الكربون، فالانبعاثات التشغيلية الوحيدة الناجمة عن تشييد المصنع وشراء المواد، التي يمكن التقليل منها إلى أدنى حد باستخدام أساليب تصنيع منخفضة الكربون، وبالنسبة للصناعات التي تتعرض للضغط من المنظمين والمستثمرين والمستهلكين للحد من آثار الكربون، فإن الاندماج يوفر مسارا للانبعاثات التشغيلية القريبة من الصفر دون التضحية بمنتجات الإنتاج أو الموثوقية.

كثافة الطاقة العالية والقوة المستمرة

إن كثافة الطاقة في الوقود الصخري تبعث على التفاؤل، إذ أن جراما واحدا من وقود الـ دي تي يولد حوالي 000 90 كيلوواط ساعة من الطاقة، وهذا يعني أن محطة الصمامات تحتاج إلى حد أدنى من سلاسل الإمداد بالوقود؛ وتلغي الحاجة إلى قطارات الفحم الثابتة أو أنابيب الغاز الطبيعي، علاوة على أن الصهر يوفر طاقة تحميل أساسية، وتشغل بكامل طاقتها لآلاف الساعات في التمديد.

قدرات الحرارة في العملية

وربما كانت أفضل ميزة للصناعة الثقيلة هي الارتداد بالزجاج؛ والقدرة على إنتاج حرارة عالية الحرارة، وتتطلب العديد من العمليات الصناعية درجات حرارة تتراوح بين 700 و400 1 درجة مئوية، يمكن أن تُولّد بسهولة البلازما الصنع، ويمكن توجيه هذه الحرارة إلى الأفران الصناعية أو الكيلونز أو المفاعلات عن طريق مبادلات الحرارة، مما يزيل الاحتراق بالوقود الأحفوري الذي يدفع حالياً إلى تلك العمليات.

التحديات التقنية والاقتصادية

بلازما

ولا يزال احتفاظ بلازما مستقرة محترقة يشكل أهم العقبات التقنية، حيث إن أكثر نهج للحبس نضجاً، والحبس المغنطيسي باستخدام التكمام، واستخدام الكهرومغنيتس القوي لحمل البلازما في سفينة مجهزة بالدونات، ومع ذلك فإن التحكم في حالات عدم الاستقرار مثل وسائل التكتل ذات الحواف، والاضطرابات أمر صعب للغاية.

المواد والهندسة

إن بيئة الاندماج قاسية بشكل استثنائي، إذ أن النيوترونات العالية الطاقة التي تنتجها ردود الفعل من الـ دي تي قد قصفت جدران المفاعل، مما تسبب في أضرار هيكلية، وتضخم، وتشريد على مر الزمن، ويجب أن تكون عناصر الصنع من البلازما مقاومة لتدفقات حرارية شديدة، وتآكل، وإشعال، كما أن العثور على مواد أو تطويرها يمكن أن تتحمل هذه الظروف لفترات طويلة من الزمن، والتحدى، سنوات، وليس أياما.

التكلفة وخط الزمن

وقد استهلكت بحوث الطاقة وتنميتها عشرات بلايين الدولارات على مدى العقود الستة الماضية، ومع ذلك لم يتم بناء أي مصنع تجاري، كما أن تكلفة بناء وتشغيل محطة توليد الطاقة الكهربائية من النوع الأول لا تزال غير مؤكدة، حيث لا تُستفد التقديرات من عدة بلايين إلى عشرات بلايين من الدولارات من كل غيغاوات، كما أن تكنولوجيات المنافسة، مثل مفاعلات الانشطار المتقدمة، وتكاليف تخزين الطاقة الشمسية، والفوائد الأرضية، لا بد أن تُستمد من الابتكارات.

النهج والمشاريع الرائدة في مجال الوقود

الاتحادات المغربية (طوكاكاماكس وستيرياليس)

وسيمثل مشروع " آي تي " الدولي، الذي يجري تشييده في Cadarache، فرنسا ، أكبر تجربة اندماج طموحة حتى الآن، ويظهر ITER a tokamak مصممة لتحقيق بلازما محترقة تنتج 500 ميغاواط من طاقة الاندماج من 50 ميغاواط من قوة المدخلات " ، وهو عامل ربح (Q) من 10 بلازما في أواخر المفاعلات.

فالأصحاب، مثل الويلستاين 7-X في ألمانيا، يقدمون بديلاً باستخدام الفحم المغنطيسي المعقد لتشكيل البلازما دون أن يتطلبوا تياراً آلياً، وهذا التصميم يتجنب في جوهره بعض عدم استقرار البلازما، ولكن التعقيد والتكلفة الهندسية كبيرة وقد يثبت أن المرادفات أكثر ملاءمة للتشغيل المستمر من التكمامات، مما يجعلها جذابة بالنسبة لقوة التحميل الصناعي.

Inertial Confinement Fusion

ويستخدم الصمامات الخفية للليزر ذات الطاقة العالية أو الشعاعات المؤينة لإجبار إحدى العجلات الصغيرة على الارتداد القصوى ودرجة الحرارة، مما يؤدي إلى الانزلاق، وقد حقق مرفق الإشعال الوطني في الولايات المتحدة معالم تاريخية في عام 2022، مما يدل على مكاسب صافية في الطاقة من رد فعل الصمامات لأول مرة، غير أنه لم يتم بعد تكييفه من أجل توليد الطاقة المستمر، والتحديات الهندسية.

مبادرات القطاع الخاص

وقد دخلت موجة من الشركات الخاصة حيزاً للتدخين تدعمه رؤوس الأموال الاستثمارية والتمويل الحكومي. ] نظم الوقود الكوني ، وهو نتاج من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وهو مشروع ذو مسارات طاقة عالية، يستخدم مغناطيسات جديدة عالية التقلب، ويشتمل كل طرف من الأطراف الفاعلة البارزة الأخرى على تكنولوجيات الطاقة المتجددة، وخطوط الوقود العامة، ومتوسطة، ومتوسطة الهدف المختلفة.

التكامل مع العمليات الصناعية

مباشرة للتدفئة

إن أكثر عمليات الاندماج صراحة في الصناعة تستخدم ناتجها الحراري مباشرة، ويمكن لمصنع الاندماج المصمم لإيصال الكهرباء وحرارة العمليات أن يوفر مطحنة فولاذية أو مصنع للأسمنت مع ارتفاع درجات الحرارة اللازمة للذوبان والتحول الكيميائي، ومن خلال تركيب مفاعل للدمج في شبكة تبادل حراري، يمكن للمرافق الصناعية أن تتحول إلى تدفق ثابت للحرارة في 800 رانداش، و 000 1 درجة مئوية، وتفكك الفحم أو الغاز الطبيعي.

إنتاج الهيدروجين

ومن المتوقع أن تؤدي الهيدروجين المنخفض الكربون دوراً رئيسياً في إزالة الكربون، ولكن الأساليب الحالية للتحلل الكهربائي تتطلب كميات كبيرة من الكهرباء، ويمكن أن يوفر الوقود الكهرباء وسخان الحرارة العالية اللازمة لدورات إنتاج الهيدروجين الحراري، مثل دورة إنتاج الكبريت - اليودين أو دورة الكلورين النحاس، ويمكن أن تحقق هذه العمليات وفورات تفوق 50 في المائة، مما يتجاوز بكثير إنتاج المواد الهيدروجينية التقليدية.

التحلل وتدفئة المناطق

وكثيرا ما تتطلب المجمعات الصناعية كميات كبيرة من المياه العذبة للتبريد والتجهيز، ويمكن أن تتكامل محطات التوفير الموجودة بالقرب من السواحل مع محطات تحلية المياه، باستخدام حرارة النفايات لحفز التطهير المتعدد التأثير أو لعكس نظم التكتل، وبالمثل، يمكن أن تؤدي الحرارة المنخفضة الحرارة التي ترفضها محطة للدمج إلى تغذية شبكات التدفئة في المناطق، مما يوفر تدفقا للإيرادات ويحسن كفاءة الطاقة عموما.

خريطة طريق للوقود التجاري

وينطوي المسار إلى توليد الطاقة لأغراض الصناعة على عدة مراحل مختلفة، أولا، يجب أن تحقق الأجهزة التجريبية مثل النموذج الأولي للشبكة الدولية للتعمير والقطاع الخاص بلازما محترقة عالية الجودة، وثانيا، يجب أن تحقق محطات العرض الهندسية موثوقية وسلامة الأداء الاقتصادي لنظم المفاعلات الكاملة، بما في ذلك بطانات توليد شبكات ثلاثية، ومبادلات حرارة، ومولدات طاقة توربينية، ثالثا، يجب نشر النباتات التجارية وربطها بالمرافق الصناعية.

ولا تزال الخطوط الزمنية غير مؤكدة، ولكن الرأي الذي يتوافق عليه الباحثون في مجال الاندماج يشير إلى أن أول قوة للدمج ذات الصلة تجاريا يمكن أن تكون متاحة في الفترة من 2040 إلى 2060، وقد يبدو ذلك بعيد المنال، ولكن دورات الاستثمار الطويلة في الصناعة الثقيلة؛ وحيثما تعمل محطات ومصانع الكهرباء لمدة 30 إلى 50 سنة، يعني أن التخطيط لنشر الاندماج يجب أن يبدأ الآن.

وتعمل اتحادات صناعة الدمج بالفعل على وضع أطر تنظيمية، في حين أن الوكالة الدولية للطاقة الذرية تقوم بتنسيق معايير السلامة وبروتوكولات المسؤولية النووية.() ويبدأ المستعملون النهائيون الصناعيون، بمن فيهم صناع الفولاذ والشركات الكيميائية ومشغلو مراكز البيانات، المشاركة الحقيقية في مشاريع التبريد العاجلة.

The Dawn of Fusion-Powered Industry

إن الطاقة الكهربائية ليست حلاً للخليص الصناعي، ولن تحل كل تحد في إزالة الكربون، فكل ما يمكن من كفاءة الطاقة، والكهرباء، ونشر مصادر الطاقة المتجددة والتخزين، سيؤديان أدواراً أساسية، ولكن بالنسبة لأكثر العمليات كثافة للطاقة واعتماداً على الحرارة، فإن الاندماج لا يوفر شيئاً يمكن أن تضاهيهه أي تكنولوجيا أخرى: مصدر مضغوط ومؤقت للوقود، ومصدر صفري الكربون من الطاقة العالية باستمرار.

وستحدد العقود القادمة ما إذا كان يمكن للدمج أن يقطع الفوضى من التجارب المختبرية إلى الواقع الصناعي، فالحالة العلمية قوية، والعقبات الهندسية مفهومة بصورة متزايدة، والحوافز الاقتصادية آخذة في الازدياد بوصفها ولايات لتسعير الكربون والطاقة النظيفة، وبالنسبة للصناعات التي تعتمد على طاقة موثوقة وميسورة التكلفة ومستدامة، فإن الاندماج يستحق الانتظار " كدليل، ويستحق الاستثمار في الوقت الراهن لجعل ذلك المستقبل ممكنا.