التقدم المحرز في مجال التكنولوجيات المسببة للمرض نظم التبريد الخاصة بشبكة الترددات

نظم متكاملة للتكرير المغلق

وتتجه مفاعلات الاندماج الحديثة نحو نظم مبردة مكتملة ومغلقة تربط بين التبريد المغناطيسي والدروع الحرارية والتبريد الحالي في شبكة واحدة ذات أمثل مستوى، ويقلل هذا التكامل من التسرب الحراري، ويقلل من عدد خطوط النقل، ويقلل من التحكم في الأنابيب، وعلى سبيل المثال، يستخدم التصميم المفاهيمي للجهاز المركزي لإدارة مصائد الأسماك في المدار الثابت في المدار الثابت بالنسبة لجميع مراحله البالغ عددها 80.

وتتمثل التحديات الرئيسية لهذا التكامل في إدارة انخفاضات الضغط على مسافات طويلة وعزل مختلف مناطق الحرارة دون تلوث شامل، كما أن أوجه التقدم الأخيرة في الصمامات التلقائية، ومستشعرات درجة الحرارة المبردة (مثل أجهزة استشعار الكرنكس ذات المواصفات المحسنة)، كما أن مراقبة التدفق في الوقت الحقيقي جعلت هذه النظم أكثر قوة، كما أن المفاعل المبرد للشبكة الدولية للطاقة الذرية مثال على نظام مدمج واسع النطاق، يبلغ ١٠٠ كيلو متر مربع.

الابتكارات في مجال المواد: تحسين السلوك، التوسع الحراري الأدنى

ويتوقف أداء المكونات البكائية اعتمادا كبيرا على المواد المستخدمة، فالنحاس والألومنيوم، وحيوياتها هي معيار للحافلات الحرارية والبالوعة الحرارية، ولكنها تخضع لانكماش حراري وتغيرات في القدرة على المقاومة الكهربائية عند درجات حرارة منخفضة، وتنتج مواد جديدة مثل مركبي الماس النحاس وبوليميرات الكربون المحتوية على قوة متعددة عن زيادة القدرة الحرارية وقلة البيئة المكفولة.

وثمة مجال آخر من مجالات البحث هو العزل المسبب للبرد، إذ إن العزل المتعدد الطوابق الذي يتم إنتاجه من طبقات متناوبة للأفلام المجسّدة والفضاء هو أمر أساسي للتقليل إلى أدنى حد من نقل الحرارة الإشعاعية، وقد أدى العمل الذي تم مؤخرا إلى إنتاج أكثر من 60 طبقة في المائة من مقياس الحرارة، مما يتيح تخفيضا في الحمولة الحرارية بنسبة تصل إلى 50 في المائة مقارنة بالتصميمات الميكانيكية القياسية التي تستخدم في إطار الجيل الجديد.

النظم الكيميائية في مشاريع الوقود الرائدة

ITER: The Benchmark for Large-Scale Cryogenics

ويضم نظام التبريد في محطة إيتربوكسيك أكثر النظم تعقيدا وأقوى من أي وقت مضى من أجل الاندماج، ويشمل ثلاجة هيليوم ( " الصندوق القديم " ) توفر التبريد في 4.5 كاف، و 1.8 كاف (المرج) و 80 كاف. ويستخدم المبرد سلسلة من مشغلات التربوسفير والتوسع في التربينات من أجل تحقيق قدرة تصفية كاملة تبلغ 65 كيلوواط في مرحلة ما قبل 4.5 كيلوواط و 2.5 كيلوواط.

وقد استحدث الفريق المبرد التابع للشركة الدولية للتبريد استخدام " أجهزة التداول القديمة " - مضخات تعمل في درجات حرارة مسببة للارتباك من أجل دفع الهيليوم السائل إلى المغناطيس، ويجب على هذه الدوائر أن تعالج الخصائص الفريدة للهيدروا الثانية، بما في ذلك الحساسية المنخفضة للغاية والحساسية العالية للملوثات، وقد انطوى تطوير هذه أجهزة التبريد على تعاون وثيق مع [FTER]

SPARC and Compact High- Field Reactors

وتستخدم هذه المغناطيسات التي يتم تطويرها بواسطة نظم الكومنولث للوقود بالتعاون مع معهد الدراسات المتقدمة، مغناطيسات من طراز HTS مصنوعة من شريط " REBCO " ، وتعمل المغناطيسات في 20 كيلو، مما يتيح استخدام أجهزة التبريد الأكثر بساطة وكفاءة بدلا من محطة للهيليوم الكبيرة، ويصمم نظام التبريد الخاص بشركة SPARC على تركيبه في حجم مدمج ويوفر التبريدات الموثوقة لشبكة الـ 12 فولطية و6 قنوات مصممة.

ومن بين الابتكارات الرئيسية في اللجنة استخدام " الحافلات الميكانيكية " - خطوط مرنة ومفرغة تربط بين أجهزة التبريد والمغنطيسيات ذات الحد الأدنى من التسرب الحراري، وهذه الحافلات تستخدم طبقات عالية الحرارة خارقة لنقلها من إمدادات الطاقة إلى الفحم، مع كونها أيضا جزءا من مسار التبريد، مما يقلل من حجم عوامل التبريد ومفاعلات التبريد.

المشاريع ومرافق البحوث الأخرى الجديرة بالذكر

كما أن العديد من التجارب الأصغر تقدم التكنولوجيا المسببة للبكاء، حيث يستخدم جهاز البحوث المتقدمة في توكماك جهازاً مختلطاً من طراز LTS/HTS، وقد حقق عملية مستقرة مع وجود 20 كيلو متراً في شكل ريادي، ويستخدم جهاز الحرق الحراري في ألمانيا جهازاً كبيراً من أجهزة التبريد بالهيلوكيوم ذات القدرة على التبريد يبلغ طوله 70 كيلوواطاً في 4.5 كيلو متراً.

التحديات التي تواجه نظم التبريد المسببة للمرض

استهلاك الطاقة والكفاءة

وحتى مع الثلاجات الحديثة، فإن الطاقة الكهربائية اللازمة لتبريد مغناطيسات الصمامات كبيرة، وبالنسبة للمحطة، فإن المفاعلات البكائية ستستهلك حوالي ٢٥ ميغاواط من الكهرباء، أي ما يقرب من ٥ في المائة من الطاقة الكلية اللازمة للمفاعل، وفي حالة محطة توليد الطاقة الكهربائية لأغراض الدمج التجاري، يجب أن يكون هذا الكسر أقل بكثير - وهو أعلى من ١ في المائة - لكي يكون قادرا على المنافسة اقتصاديا.

Scalability and Cost

وبناء نظام مبرد لمفاعل للدمج يجب أن يدار منذ عقود هو مشروع هندسي ومالي كبير، ويمكن أن تكون تكلفة مخزون الهيليوم وحدها عشرات الملايين من الدولارات، وهي مورد محدود، وقد كانت أسعاره متقلبة، ويمكن أن تخفف نظم إعادة التدوير والاستعادة من هذا، ولكنها تزيد من تعقيدها، أما بالنسبة للمفاعلات ذات القاعدة العالية، فإن تكلفة أجهزة التبريد ذات المقاييس القياسية منخفضة، ولكن لا تزال الأسطوانات المبردة ذات التكلفة العالية للمفاعلات.

الموثوقية والصيانة

فالنظم التراكمية يجب أن تعمل بموثوقية عالية للغاية لأن الفشل يمكن أن يؤدي إلى كتلة مغناطيسية وإلى إلحاق ضرر بالمفاعل، إذ أن نقل أجزاء مثل المكثفات والتوربينات هو الأكثر ضعفا، حيث يتم بناء العزلة، ولكنه يزيد من التكلفة، فالالصيانة الجاهزة باستخدام أجهزة الاستشعار المتقدمة وتحليل البيانات تصبح أكثر شيوعا، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يرتدى تحليل الارتداد المبرد ورصد الارتداد في المنطقة.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

التبريد المجهول في التدرجات الرئوية

ويمكن أن يستغل التبريد المغناطيسي الأثر المغناطيسي: فبعض المواد تسخن عندما تهتز وتبرد عند تطهيرها، وبإحداث تأثير مؤثر على الطاقة المغناطيسية، يمكن تحقيق تأثير مؤثر على التبريد المستمر، وقد أثبت المبردات المغنطسية التبريد من 20 كيلو مترا إلى 4 كيلومترات تصل إلى 60 في المائة من غاز الكربون، وهو ما يزيد على ضعف دورة الغاز التقليدي.

الموصلات الخارقة ذات الطبيعة العالية وتأثيرها على تصميم التبريد

كما أن تطوير أجهزة التحكم في البيوتادايين السداسي الكلور آخذ في التقدم بسرعة، إذ أن أشرطة " ريبوكو " تحمل الآن تيارات تتجاوز 000 1 ألف في المائة من الأسلاك في 20 كيلو متراً، وتقنيات التصنيع الجديدة هي أقل تكلفة، حيث أن تصميمات مفاعلات التبريد يمكن أن تعتمد درجات حرارة تشغيل أعلى (20-40 كيلو متراً) مما يجعل من المبردات في هذه الحرارة أكثر قدرة على معالجة الحمولة الكاملة دون الحاجة.

التلقائية والتوائم الرقمية للعمليات الكيميائية

كما أن نظم المراقبة الحديثة تُعزز بالتوائم الرقمية - وهي نماذج افتراضية للمصنع المبرد الذي يحفز السلوك في الوقت الحقيقي - من خلال الجمع بين النماذج الفيزيائية القائمة على التكوين الآلي، يمكن للمشغلين التنبؤ بالتحميل الحراري، والارتقاء بالسرعة القصوى للضغط، والكشف عن الشذوذ قبل أن يتسببوا في الفشل، فعلى سبيل المثال، تم وضع توأم رقمي من نظام التبريد للتخفيض

خاتمة

إن التقدم في التكنولوجيات المبردة لنظم التبريد المغناطيسي للدمج يتيح الجيل القادم من المفاعلات التجريبية والتجارية، ومن المبردات المتقدمة ومناولة الهيليوم الفوقية إلى حلقات متكاملة ومواد جديدة، وكل ابتكار يقترب من طاقة الدمج الموثوقة والفعالة من حيث التكلفة، ولا تزال التحديات قائمة في الحد من استهلاك الطاقة، وزيادة النظم، وضمان الموثوقية الطويلة الأجل، ولكن سرعة التطور تتسارع.