نجح علماء أميركيون بعد عقودٍ من التجارب في منشأة الإشعال في مختبر "لورانس ليفرمور" في كاليفورنيا، موطن أقوى ليزر في العالم، من صناعة التاريخ، وتحقيق نتائج إيجابية من تفاعل اندماج نووي آمن. ويمثل ما حققه العلماء اختراقاً علمياً كبيراً وتقدماً هائلاً، مع ذلك لا يزال هناك طريق طويل لتسخير الاندماج، وهو مصطلح يرمز للتفاعل الذي يمد الشمس بالطاقة، كمصدر قابل للتطبيق لتزويد البشرية بطاقة نظيفة ووفيرة.ما هو الاندماج النووي؟نشير في البداية بأن الاندماج النووي هو عملية من صنع الانسان تكرر نموذج الطاقة التي تغذي الشمس. ويحدث عندما تُدمج نواتيّ ذرتين صغيرتين مثل الهيدروجين والهيليوم وتلتصقا ببعضهما البعض، ما ينتج عنهما حرارة هائلة، والتي يمكن، من الناحية النظرية، استخدامها لتوليد الكهرباء. هذا على عكس تفاعل الانشطار المستخدم في محطات الطاقة النووية التقليدية، حيث تنقسم الذرات الكبيرة مثل اليورانيوم.
كافح العلماء لعقود من أجل القيام بذلك. وهناك طريقتان رئيسيتان لتحقيق هذا الهدف، إحداهما عبر ضغط حبيبة صغيرة من الوقود بأشعة الليزر القوية، وهي استراتيجية منشأة الإشعال الأميركية. والطريقة الأخرى هي عبر تسخين البلازما لدرجات حرارة أعلى من الشمس واحتوائها بالمغناطيس. وهذه هي الطريقة التي سيولد بها "المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي"، وهو أكبر مشروع اندماج في العالم، قيد الإنشاء حالياً في جنوب فرنسا، التفاعل الاندماجي. وتجدر الإشارة أنه يمكن للشمس والنجوم الأخرى سحب البلازما لأن لديها ما يكفي من المادة لتوليد جاذبية هائلة، والتي تسرع الذرات وتحصرها لإنشاء تفاعلات الاندماج التي تنتج الضوء والحرارة وبذلك يمكننا أن نشاهدها ونشعر بها من على بعد ملايين الأميال.
هنا على الأرض، عرفت البشرية بالفعل كيفية إنتاج الاندماج منذ عام 1952 في الأسلحة النووية الحرارية. وتمكن العلماء أيضاً من إنتاج الاندماج في المختبرات، ولكن بشكلٍ متقطع وحسب، وبتكلفة كبيرة. كما أدى التقدم البطيء في السعي وراء الاندماج إلى صعوبة الحصول على التمويل الكافي للبحوث، والذي بدوره أعاق التقدم. وتأتي أهمية هذه البحوث لأن الاندماج النووي يُطلق ما يقرب من 4 ملايين ضِعف الطاقة الناتجة عن التفاعلات الكيميائية التي تحدث أثناء احتراق الفحم أو النفط أو الغاز، ووقوده يتوفر على نطاق واسع ولا ينضب تقريباً.استخدام الليزر الخارقفي عام 1997، أنشأت الأكاديمية الوطنية للعلوم الأميركية، منشأة الإشعال بغية تحقيق الاندماج النووي الآمن. ومنذ حوالى العام، قال علماء المنشأة أنهم قطعوا حوالى 70 في المئة من الطريق نحو الهدف المنشود. إذ صرّحت تامي ما، عالِمة فيزياء البلازما في المنشأة بداية عام 2022 أن "العالم على عتبة تحقيق الاندماج".
ولتحقيق ما كان يُعتبر مستحيلاً، وجه العلماء 192 شعاع ليزر ناحية عينة من الديوتيريوم، وهي من نظائر الهيدروجين، محصورة داخل كبسولة بحجم حبة عنب أو أقل قليلاً، لتسخينها كي تصل إلى عشرات الملايين من الدرجات المئوية، ويبدأ الاندماج النووي في الحدوث. فعندما تصطدم أشعة الليزر بالكبسولة، فإنها تنتج أشعة سينية تسخن وتضغط حبيبات الوقود إلى حوالى 20 ضعفاً من كثافة الرصاص وأكثر من 3 ملايين درجة مئوية، أي أكثر سخونة بمئة مرة من سطح شمس. وعند الحفاظ على هذه الظروف لفترة طويلة بما يكفي، فسوف يندمج الوقود ويطلق الطاقة.
إثر ذلك، سارع علماء الفيزياء حول العالم للإشادة بهذا الإنجاز، فوصف الدكتور باتريك بور، المحاضر في الهندسة النووية بجامعة "نيو ساوث ويلز"، ما أعلنت عنه الولايات المتحدة بالإنجاز الكبير، قائلاً أن هناك الآن العديد من المعامل الوطنية والشركات والجامعات التي تعمل على تطوير طاقة الاندماج، بمعدل تقدم ملحوظ. فيما قالت عالمة فيزياء البلازما في جامعة "ميتشيغان"، أن هذه النتيجة لا تترك أي شك في أنهم حققوا الاشتعال الاندماجي في المختبر".الطريق طويلهذا الإعلان، وإن كان يُعدّ تقدماً مهماً، إلاّ أنه لا يكفي ليكون ذا فائدة عملية. فنظراً لأن هذه المنشأة هي عبارة عن مختبر بحوث، فإن تقنيتها لا تهدف إلى إنتاج الطاقة. لذا، فإن تصميم مفاعل الاندماج لتسخير هذا النهج الجديد سيكون تحدياً هندسياً خاصاً به. وبخصوص هذه النقطة تحديداً، يقول الدكتور مات كابلان، أستاذ الفيزياء في جامعة "إلينوي": حسناً، لقد نجحوا في هذه التجربة في الحصول على طاقة أكبر، لكن هذا لا يعني أنهم قد حسّنوا تصميمهم حتى الآن. إذن، لديهم معادلة فيزيائية الآن، لكن من سيقول إنها المعادلة الرابحة؟ هذا يفتح حقاً الباب أمام جميع أنواع التجارب لتصميم المفاعل وجعله نموذجياً.
بدوره، أوضح تروي كارتر، عالم فيزياء البلازما بجامعة "كاليفورنيا" في لوس أنجلوس، أنه على الرغم من أن المنشأة حققت اختراقاً هائلاً، إلاّ أنها لا تزال تفتقر إلى ما هو مطلوب. فكما أشارت الأكاديمية الوطنية للعلوم، فإن المقياس الرئيسي هو عامل اكتساب طاقة الاندماج، ويُسمى أيضاً "Q". هذه هي نسبة الطاقة المستخدمة لبدء تفاعل الاندماج والحفاظ عليه مقارنةً بالطاقة المنتجة. ويُظهر الإعلان الأخير في المنشأة مكاسب تبلغ 1.5 تقريباً، ما يعني أن التفاعل أصبح إيجابياً للطاقة.
ويضيف كارتر أن شعاع الليزر الذي استخدمته المنشأة لم يحرق سوى جزء صغير من الوقود الموجود في الكبسولة. مردفاً "إذا تمكنوا من إيجاد طريقة لحرق المزيد من الوقود، فسترتفع المكاسب بشكلٍ كبير، سيتضمن ذلك تعديل حبيبات الوقود الصغيرة للحصول على المزيد من طاقة الليزر الموجهة نحو ضغط الذرات".
والمشكلة المتبقية تتجسد، حسب اعتراف كيم بوديل، مدير مختبر "لورانس ليفرمور الوطني"، باستخدام تقنية ليزر من الثمانينيات. إذ تتميز كفاءة الليزر في المنشأة بنسبة 1 في المئة من حيث تحويل الكهرباء إلى ضوء ليزر، في حين أن التصميمات الأكثر حداثة يمكن أن تكون فعالة بنسبة 20 في المئة. وكل ذلك يشير طبعاً بأن توليد الطاقة من الاندماج النووي لا يزال يحتاج لسنواتٍ طويلة من التطوير.
كافح العلماء لعقود من أجل القيام بذلك. وهناك طريقتان رئيسيتان لتحقيق هذا الهدف، إحداهما عبر ضغط حبيبة صغيرة من الوقود بأشعة الليزر القوية، وهي استراتيجية منشأة الإشعال الأميركية. والطريقة الأخرى هي عبر تسخين البلازما لدرجات حرارة أعلى من الشمس واحتوائها بالمغناطيس. وهذه هي الطريقة التي سيولد بها "المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي"، وهو أكبر مشروع اندماج في العالم، قيد الإنشاء حالياً في جنوب فرنسا، التفاعل الاندماجي. وتجدر الإشارة أنه يمكن للشمس والنجوم الأخرى سحب البلازما لأن لديها ما يكفي من المادة لتوليد جاذبية هائلة، والتي تسرع الذرات وتحصرها لإنشاء تفاعلات الاندماج التي تنتج الضوء والحرارة وبذلك يمكننا أن نشاهدها ونشعر بها من على بعد ملايين الأميال.
هنا على الأرض، عرفت البشرية بالفعل كيفية إنتاج الاندماج منذ عام 1952 في الأسلحة النووية الحرارية. وتمكن العلماء أيضاً من إنتاج الاندماج في المختبرات، ولكن بشكلٍ متقطع وحسب، وبتكلفة كبيرة. كما أدى التقدم البطيء في السعي وراء الاندماج إلى صعوبة الحصول على التمويل الكافي للبحوث، والذي بدوره أعاق التقدم. وتأتي أهمية هذه البحوث لأن الاندماج النووي يُطلق ما يقرب من 4 ملايين ضِعف الطاقة الناتجة عن التفاعلات الكيميائية التي تحدث أثناء احتراق الفحم أو النفط أو الغاز، ووقوده يتوفر على نطاق واسع ولا ينضب تقريباً.استخدام الليزر الخارقفي عام 1997، أنشأت الأكاديمية الوطنية للعلوم الأميركية، منشأة الإشعال بغية تحقيق الاندماج النووي الآمن. ومنذ حوالى العام، قال علماء المنشأة أنهم قطعوا حوالى 70 في المئة من الطريق نحو الهدف المنشود. إذ صرّحت تامي ما، عالِمة فيزياء البلازما في المنشأة بداية عام 2022 أن "العالم على عتبة تحقيق الاندماج".
ولتحقيق ما كان يُعتبر مستحيلاً، وجه العلماء 192 شعاع ليزر ناحية عينة من الديوتيريوم، وهي من نظائر الهيدروجين، محصورة داخل كبسولة بحجم حبة عنب أو أقل قليلاً، لتسخينها كي تصل إلى عشرات الملايين من الدرجات المئوية، ويبدأ الاندماج النووي في الحدوث. فعندما تصطدم أشعة الليزر بالكبسولة، فإنها تنتج أشعة سينية تسخن وتضغط حبيبات الوقود إلى حوالى 20 ضعفاً من كثافة الرصاص وأكثر من 3 ملايين درجة مئوية، أي أكثر سخونة بمئة مرة من سطح شمس. وعند الحفاظ على هذه الظروف لفترة طويلة بما يكفي، فسوف يندمج الوقود ويطلق الطاقة.
إثر ذلك، سارع علماء الفيزياء حول العالم للإشادة بهذا الإنجاز، فوصف الدكتور باتريك بور، المحاضر في الهندسة النووية بجامعة "نيو ساوث ويلز"، ما أعلنت عنه الولايات المتحدة بالإنجاز الكبير، قائلاً أن هناك الآن العديد من المعامل الوطنية والشركات والجامعات التي تعمل على تطوير طاقة الاندماج، بمعدل تقدم ملحوظ. فيما قالت عالمة فيزياء البلازما في جامعة "ميتشيغان"، أن هذه النتيجة لا تترك أي شك في أنهم حققوا الاشتعال الاندماجي في المختبر".الطريق طويلهذا الإعلان، وإن كان يُعدّ تقدماً مهماً، إلاّ أنه لا يكفي ليكون ذا فائدة عملية. فنظراً لأن هذه المنشأة هي عبارة عن مختبر بحوث، فإن تقنيتها لا تهدف إلى إنتاج الطاقة. لذا، فإن تصميم مفاعل الاندماج لتسخير هذا النهج الجديد سيكون تحدياً هندسياً خاصاً به. وبخصوص هذه النقطة تحديداً، يقول الدكتور مات كابلان، أستاذ الفيزياء في جامعة "إلينوي": حسناً، لقد نجحوا في هذه التجربة في الحصول على طاقة أكبر، لكن هذا لا يعني أنهم قد حسّنوا تصميمهم حتى الآن. إذن، لديهم معادلة فيزيائية الآن، لكن من سيقول إنها المعادلة الرابحة؟ هذا يفتح حقاً الباب أمام جميع أنواع التجارب لتصميم المفاعل وجعله نموذجياً.
بدوره، أوضح تروي كارتر، عالم فيزياء البلازما بجامعة "كاليفورنيا" في لوس أنجلوس، أنه على الرغم من أن المنشأة حققت اختراقاً هائلاً، إلاّ أنها لا تزال تفتقر إلى ما هو مطلوب. فكما أشارت الأكاديمية الوطنية للعلوم، فإن المقياس الرئيسي هو عامل اكتساب طاقة الاندماج، ويُسمى أيضاً "Q". هذه هي نسبة الطاقة المستخدمة لبدء تفاعل الاندماج والحفاظ عليه مقارنةً بالطاقة المنتجة. ويُظهر الإعلان الأخير في المنشأة مكاسب تبلغ 1.5 تقريباً، ما يعني أن التفاعل أصبح إيجابياً للطاقة.
ويضيف كارتر أن شعاع الليزر الذي استخدمته المنشأة لم يحرق سوى جزء صغير من الوقود الموجود في الكبسولة. مردفاً "إذا تمكنوا من إيجاد طريقة لحرق المزيد من الوقود، فسترتفع المكاسب بشكلٍ كبير، سيتضمن ذلك تعديل حبيبات الوقود الصغيرة للحصول على المزيد من طاقة الليزر الموجهة نحو ضغط الذرات".
والمشكلة المتبقية تتجسد، حسب اعتراف كيم بوديل، مدير مختبر "لورانس ليفرمور الوطني"، باستخدام تقنية ليزر من الثمانينيات. إذ تتميز كفاءة الليزر في المنشأة بنسبة 1 في المئة من حيث تحويل الكهرباء إلى ضوء ليزر، في حين أن التصميمات الأكثر حداثة يمكن أن تكون فعالة بنسبة 20 في المئة. وكل ذلك يشير طبعاً بأن توليد الطاقة من الاندماج النووي لا يزال يحتاج لسنواتٍ طويلة من التطوير.
ملاحظة: نرجو ممن يرغب بإضافة تعليق، صياغته بلغة لائقة بعيدة عن القدح والذم والتحريض المختلف أو المسّ بالكرامات. إن كل ما ينشر من مقالات وأخبار ونشاطات وتعليقات، لا تعبر بأي شكل من الأشكال عن رأي الموقع الذي لا يتحمّل أي أعباء معنويّة أو ماديّة من جرّائها.
التعليقات
لارسال تعليق يرجى تعبئة الحقول الإلزامية التالية
الأكثر قراءة
