مفاهيم المفاعلات الناشئة للوقود باستخدام أساليب المصادرة المغنطيسية البديلة

وقد ظلت الطاقة الكهربائية تُعتبر منذ زمن طويل مصدراً للطاقة التحويلية، مما يوفر الوعد بأن تكون الطاقة النظيفة غير محدودة تقريباً من إمدادات وقودية وفرة، وقد كان النهج الغالب لتحقيق الاندماج المراقب على الأرض هو العزل المغناطيسي، باستخدام حقول مغناطيسية قوية لزرع البلازما وضغطها على مئات الملايين من الدرجات، وفي حين أن أكثر أجهزة العزل المغناطيسية نضجاً - إلى الكميات والزئية - قد أظهرت مستويات التقدم

The Fundamentals of Magnetic Confinement

ويتوقف ارتكاز المغناطيس في قلبه على المبدأ الذي يفرض على الجسيمات - مثل الأيونيات والكهرباء في البلازما الصخرية - اتباع مسارات تلتوي على طول خطوط المغنطيسيات الميدانية، حيث تتحول هذه الحقول إلى مادة هندية مقفلة (على شكل دون) يمكن أن تُبعد البلازما عن جدران المواد وتُسخن في درجات الحرارة التي تتجاوز 100 مليون كيلوغرام.

وقد حقق كل من التوكامات والمتداعيات معالم مثيرة للإعجاب - فقد أنتجت الأوكسجين قوة اندماج في نطاق 16 ميغاواط و500 ميغاواط، في حين أن مركب ويدلشتاين 7X في ألمانيا قد أثبت وجود فترات ثابتة من فترات حبس البلازما لعدة ثوان، ومع ذلك فإن الطريق إلى محطة توليد الطاقة العملية لا يزال متقلبا، مما يحفز على إجراء تحقيق في مختلف جذريا في الهندسة المغنطة.

لماذا تبحث البدائل؟ حدود التصميمات التقليدية

وتواجه شركة توكاماكس، رغم أدائها الرائد، عدة تحديات متأصلة، حيث أن تيار البلازما الذي يوفر المجال المكتوب يخضع لاضطرابات - خسائر مفاجئة في العزل يمكن أن تلحق الضرر بمكونات المفاعلات، كما أن الاحتفاظ بهذا القيد يتطلب أيضاً نظاماً مركزياً واسع النطاق للضغط أو غيره من نظم الدفع الحالية، مما يزيد من تعقيد العملية ويحد من استقرارها، بالإضافة إلى أن حجم وتكلفة محطة توليد الطاقة الكهربائية تعمل على نحو 30 دولاراً كبيراً هي:

وتتجنب المقاتلات المشكلة المسببة للاضطرابات حاليا ولكنها تتطلب كميات كبيرة من المغناطيسية دقيقة بشكل غير عادي، مما يجعلها صعبة ومكلفة للبناء، وقد استغرقت شركة ويدلشتاين ٧ - إكس قرابة عقدين من الزمن لتصميم وبناء المفاعلات، وسيتطلب التوسع في حجمها قدرا أكبر من الهندسة المعقدة، وتتطلب النهوج التقليدية مغناطيسات كبيرة ومرتفعة الحجم وبطاقات توالدية واسعة النطاق تؤدي إلى تباطؤ المفاعلات.

وقد دفعت هذه القيود البحث عن مفاهيم بديلة للحبس المغناطيسي يمكن أن تبنى أصغر وأبسط وأكثر اقتصادا - وهي محور تركيز النهج الناشئة الوارد وصفها أدناه.

Promising Alternative Magnetic Confinement Concepts

وعلى مدى العقد الماضي، انتقلت عدة طرق بديلة للحبس من الفضول النظري إلى التطوير التجريبي النشط، فثلاثة أسر بارزة هي أجهزة مرنة مغناطيسية، وتشكيلات متطورة في الميدان، وأجهزة للترويد، وكلها تتبع نهجا فريدا في احتواء البلازما، بهدف مشترك يتمثل في تحقيق طاقة الاندماج العملي دون أن يكون رأسها الرئيسي للآليات التقليدية الكبيرة الحجم.

أجهزة المرارة المغناطيسية

وتستخدم المرايا المغناطيسية قياساً زائفاً حيث يزيد قوام الحقل المغناطيسي في كلا النهايتين، مما يعكس جزيئات البلازما المحصورة في المنطقة الوسطى، غير أن المرآة الكلاسيكية قد عانت من خسائر جسيمات سريعة خلال نهاياتها نتيجة للاصطدامات وعدم الاستقرار، مما أدى إلى ضعف فترة الاحتجاز، وقد أعادت الابتكارات الأخيرة تنشيط المفهوم.

وعلى الرغم من أن الشركة الخاصة ]الشركة FLT:0[Mirror Fusion[ تقوم بتطوير مفهوم متعدد الميمورات للدمج يستخدم سلسلة من المرايا المغناطيسية لتوسيع منطقة العزل والحد من الخسائر القاردة، ولا يزال نهجها يستغل أجهزة المغناطيس ذات المستوى العالي من الحرارة العالية لتحقيق حجم متجانسات.

ولا تزال هناك تحديات: السيطرة على الخسائر عبر المرايا والحفاظ على استقرار وزارة الصحة (الدماغية) في جهاز خطي، وقد أظهرت التجارب في GDT تحسيناً في العزل مع بعض البارامترات البلازما، وتركز المزيد من البحوث على زيادة طول النبضات وارتفاع الكثافة.

التجمعات الميدانية المُنقحة

فالتشكيلات المتطورة في الميدان هي تشكيلات مدمجة، وفصائل مائلة لا تملك سوى القليل من الحقل المغنطيسية أو لا توجد بها، وتعتمد بدلا من ذلك على حقل مفتول مصمم ذاتيا، وتُعد البلازما من الناحية الطبيعية مغنطيسيا، وتخلق بئرا مغناطيسيا خاصا بها تعزله عن الحقل الخارجي، وكثيرا ما توفر هذه المراكز مزايا محتملة على البطاطين: فهي في الواقع مستقرة في بعض النظم، حيث تكون ضغطا عالية (ال).

The leading privatesector driver of FRC research is TAE Technologies], which has built a series of increasingly large experimental devices: C —U, C —IIW (also called Norman), and now the sixth — impressive generation machine in development. TAE’s approach uses neutral beam injection to heat and sustain the FRC, and they have demonstrated record-ofigh temperatures

وبالإضافة إلى ذلك، تقوم عدة مجموعات جامعية (مثل جامعة واشنطن، ومختبر برنستون لبلازما للفيزياء) بدراسة استقرار القوات الجمهورية لكوت ديفوار وتشكيلها وتقنيات الترجمة، حيث إن عدم وجود فحم آلي مرتفع يجعل من تجارب القوات الجمهورية لكوت ديفوار أبسط وأرخص لبناء وتهوية، غير أن الحفاظ على الهيكل المغناطيسي للبلازم خلال فترة الثواني الطويلة اللازمة للمفاعل لا يزال يشكل عقبة تقنية رئيسية.

الكويكبات: سبهرومكس وتوماك الشهير

وعادة ما يشير مصطلح " الكويكبات " إلى الأورام الخبيثة - تشكيلات البلازما التي تكاد تكون متقطعة وتولد حقولها المغناطيسية الخاصة بها، وخلافاً للكميات، فإن الأورام الخبيثة لا تتطلب كتلاً ميدانية خارجية، وتنتج البلازما نفسها الهيكل المغنطي المختلط، مما يجعل من التهابات الميكانيكية البسيطة والمحتمل أن تكون منخفضة التكلفة.

ويركز العمل الأخير على تحسين كفاءة القيادة الحالية ومدة فترة الحبس الاحتياطي، وقد قام الباحثون في جامعة طوكيو ببناء جهاز CTIN-1 لدراسة تكوين البهرم عن طريق الحقن التلقائي في التاكسي، في حين أن تجربة شركة برينستون المحدودة للمعادن في الميدان (Princeton Field-Reversed Configuration) تستكشف متغيرا يمكن استخدامه في مفاعلات رد الفعل في الداخل.

ويرتبط ارتباطا وثيقا بعلامات " توكاماك " (مثلا، صعود " ماست " في مركز كولهام للطاقة في المملكة المتحدة، و " نستكس - يو " في برنستون) وفي حين أن مشروع " بديل " في نفس الفئة، فإن الأكشاك المقطعية أكثر ترابطا بكثير من التكرام التقليدي، مع نسبة منخفضة من حيث الارتراد (التر) تؤدي إلى تحسين استقرار البلازما وكفاءته.

وعلى الرغم من إمكاناتها، فإن الكويكبات المدمجة لم تبرهن بعد على فترات الحبس الكافية للدمج المستمر، ويكمن التحدي في تسخين البلازما إلى درجات الحرارة الحرارية، مع الحفاظ على الهيكل المغناطيسي الذي ينظّم نفسه، ويجري استكشاف أساليب مبتكرة مثل دمج الضغط (المستخدم في نظام MAST) وتسخين التردد المغناطيسي لمعالجة ذلك.

التحليل المقارن لنهج المصادرة البديلة

ومن المفيد، لتقييم جدوى هذه المفاهيم الناشئة، مقارنة هذه المفاهيم بمعايير مثل أداء العزل، والساطة الهندسية، والمخاطر الإنمائية، وإمكانية تحقيق مكاسب صافية في الطاقة، ويوجز الجدول التالي الجوانب الرئيسية (التي تمثل في احتمالات قراءتها).

Magnetic mirrors] offer a linear geometry that facilitates maintenance and tritium breeding, but they suffer from end losses that require complex strategies (multimirror, tandem) to mitigate. Their confinement times are currently orders of magnitude below what is needed, but theory suggests they may reach Q ⁇ 1 with advanced mirrors, the development risk is medium.

(ب) إن التكوينات الميدانية ] لها أعلى مستوى من أي مخطط مغناطيسي للحبس، مما يمكن أن يتيح مفاعلات أصغر حجماً ذات طاقة مغناطيسية أقل، والتقدم الذي أحرزته شركة TAE في رفع درجة الحرارة ووقت الحبس أمر مشجع، ولكن الحاجة إلى حقن حازم ومراقبة استقرار يضاف تعقيدات، وتتابع شركات خاصة متعددة نهج الإنشاء المميت في ظروف أقل من الازغة التجارية.

(ب) إنَّ مركبيّات (الشمّات) ] هي أبسط من الناحية الآلية، دون أن يكون هناك فحم آلي خارجي ولا عمود مركزي، ويمكن أن تؤدي هذه البساطة إلى خفض كبير في تكلفة المفاعل ووقت البناء، غير أنَّ الأورام قد حققت حتى الآن درجات حرارة أقل وزمن الولادة، كما أنَّ الفيزياء التي تنطوي على مخاطر كبيرة في مجال الفيزياء الحالية التي تُنظَّمُّر.

ولم يثبت أي من هذه البدائل بعد وجود بلازما محترقة ذاتية الاتساع - أن المعلم لا يزال مجال التكمامات (وربما المسببات في العقد المقبل) ومع ذلك يمكن للمفاهيم البديلة أن تقفز من التصميمات التقليدية باستهداف أجهزة أصغر وأرخص يمكن بناؤها واختبارها بسرعة أكبر، مما يتيح سرعة التكرار والتعلم.

التحديات والرأس البري

وتواجه جميع مفاهيم العزل المغناطيسي الناشئة عقبات مشتركة: تحقيق استقرار البلازما الخماسية عند درجة الحرارة والكثافة العالية الأهمية في مجال التبريد؛ والحفاظ على هذه الدولة في أوقات كثيرة من حبس الطاقة؛ ووضع مواد ومكونات عملية يمكنها تحمل الحرارة الشديدة والتدفقات النيوترونات (إذا استخدمت وقود التريتيوم) بالنسبة للتصميمات التي تهدف إلى دورات الوقود المتقدمة (مثلاً، باء).

وثمة تحد آخر بالغ الأهمية يتمثل في التوسع، إذ أن العديد من التجارب الحالية هي تجارب مطوّرة؛ وترجمة النتائج إلى بلازما على نطاق المفاعلات بأحجام أكبر بمئات المرات، هي تجارب غير قابلة للانتعاش، ويمكن أن تتغير الفيزياء الثابتة وناقلة بشكل كبير مع الحجم، وترتفع تكلفة بناء جهاز جديد كبير (حتى لو كان موزاً بسيطاً نسبياً) إلى مئات الملايين من الدولارات.

ورغم هذه العقبات، فإن الميدان يشهد تدفقا غير مسبوق للاستثمار الخاص، إذ أن شركات مثل TAE، والمؤسسة العامة للكهرباء (إدماج الأهداف المستغلة)، والطاقة الهيليونية (التشكيل المتجدد في الميدان مع الإجهاد الصافي)، وغيرها قد جمعت بلايين الدولارات لمتابعة رؤيتها، وما زالت المختبرات الممولة من الحكومة تستكشف مفاهيم مبتكرة - مثل برنامج البحوث المغناطيسية (FLT) الخاص بالشركات.

كما أن التعاون الدولي يعزز أيضا، وتنظم الوكالة الدولية للطاقة الذرية مشاريع بحث منسقة بشأن المفاهيم البديلة، كما أن اتحاد الاتحاد الأوروبي للإنشاءات يشمل العمل على كل من المصممين والمخططات المبتكرة للحبس، وهذا التعاون ضروري لتبادل البيانات، وإثبات النماذج، وتجنب ازدواجية الجهود.

خاتمة

إن السعي إلى إيجاد طرق بديلة للحبس المغناطيسي يمثل عهدا ديناميا ومؤملا في بحوث الدمج، إذ إن كسرها بعيدا عن الأشكال العابثة للطوكات والمحفزات والعلماء والمهندسين، قد يستكشفون مجموعة متنوعة من البنى التقليدية - أي الأجهزة المتطورة والمواقع المدمجة، والآلات الأخرى، وكل نهج يخلق قواه ونقاط ضعفه، ولكنهما يوسعان معا نطاق المفاعلات