نجح علماء في الصين في إثبات أن وقود الاندماج يمكن أن يبقى مستقرًا عند كثافات كانت تُعد سابقًا سببا لفشل المفاعلات المغناطيسية.
هذا الإنجاز يعيد تعريف حد فيزيائي قديم على أنه حالة قابلة للتحكم، مما يقرب إمكانية التشغيل المستدام للاندماج النووي بطاقة أعلى.
حدث الاختراق داخل توكاماك EAST التجريبي فائق التوصيل بالكامل، حيث استمر الوقود الكثيف في العمل دون انهيار.
رصدت البروفيسور بينج جو من جامعة هوا تشونج للعلوم والتكنولوجيا (HUST) هذه الحالة مباشرة، موثقة ظروف البلازما المستقرة التي تجاوزت سقف الكثافة الذي قيّد التوكاماكات لعقود.
أظهرت التجارب أن الكثافة بحد ذاتها لا تسبب عدم الاستقرار إذا بقيت التفاعلات بين البلازما وجدار المفاعل ضمن نطاق ضيق ومتحكم فيه.
تم نشر الدراسة في مجلة Science Advances.
أهمية الكثافة في الاندماج
داخل المفاعل، يجب أن تبقى البلازما، وهي غاز متأين فائق الحرارة، ساخنة بينما تكون محملة بالوقود.
زيادة كمية الوقود تزيد من احتمالية التصادمات، لكن وقود الهيدروجين المستخدم في الاندماج يجب أن يسخن إلى نحو 150 مليون كلفن قبل أن تبدأ التفاعلات.
الكثافة الأعلى تسمح لإنتاج طاقة اندماجية أكبر لنفس حجم البلازما الساخنة، لكن الجسيمات الزائدة تزيد من خسائر التبريد، وهي ما يُعرف بـ “الاضطرابات”، حيث يحدث انهيار مفاجئ في الاستقرار والحصر المغناطيسي، ما جعل المهندسين حذرين من رفع الكثافة.
سقف كثافة Greenwald
منذ عام 1988، كان حد كثافة Greenwald، وهو معيار تجريبي يعتمد على تيار البلازما، مرشدًا للتجارب عالية الكثافة. تجاوز هذا الحد غالبًا ما كان يؤدي إلى توقف مفاجئ للتوكاماك.
دور جدار المفاعل في الاستقرار
تصطدم الجسيمات الساخنة على الحواف بالمعادن، مطلقة شوائب تقلل الطاقة. يمكن للأيونات السريعة أن تدفع ذرات الجدار للتحرر، مما يزيد من السحابة الشائبة ويبرد البلازما.
نظرية تنظيم البلازما-الجدار الذاتي (PWSO) توقعت أن التحكم المبكر في الجدار يمكن أن يحافظ على الكثافة دون حدوث اضطرابات. وأكدت تجارب EAST هذه النظرية عبر إظهار أن التحكم في الجدار يتيح زيادة الكثافة بثبات.
تسخين الإلكترونات مباشرة
خلال التشغيل الأولي، استخدم الفريق ضغط غاز أعلى وتقنية تسخين الرنين المغناطيسي للإلكترون (ECRH)، وهي طاقة ميكروويف تسخن الإلكترونات مباشرة.
ساعدت الموجات الدقيقة في إضاءة الوقود بسرعة، ما قلل دخول ذرات الجدار إلى النواة وخسائر الطاقة. كما ساهمت إطلاقات ECRH المتكررة في تحسين حالة الجدار مع الوقت، ما أتاح الوصول إلى كثافات أعلى مع إشعاع أقل.
استقرار الوقود عند كثافات عالية جدًا
في حالة تشغيل جديدة، بقيت البلازما مستقرة حتى مع زيادة كمية الوقود. عمل EAST عند كثافات تتراوح بين 1.3 إلى 1.65 ضعف نطاقه المعتاد، مع تقليل خسائر الطاقة، ما حافظ على حرارة البلازما.
نحو شروط إشعال الاندماج
تحقيق إشعال الاندماج، أي توليد حرارة ذاتية للحفاظ على التفاعلات، يتطلب أكثر من مجرد رفع الكثافة. تحقيق معيار Lawson، الذي يحدد الكثافة ودرجة الحرارة ومدة الاحتجاز، يحتاج أيضًا لرفع الحرارة ومدة الحصر.
يخطط الفريق لاختبار نفس وصفة التشغيل في وضع الحصر العالي، لتقليل تسرب الحرارة. النجاح سيدعم مرحلة البلازما المحترقة، حيث تحافظ منتجات الاندماج على الحرارة، مع ضرورة تحمل الجدران للضربات الشديدة.
التحديات المقبلة
حتى مع تجاوز حد الكثافة، تحاول البلازما الساخنة ملامسة الجدران، ما قد يذيب الأسطح خلال ثوانٍ. كما تحمل النيوترونات السريعة الطاقة بعيدًا عن التفاعل، وضرباتها المتكررة تضعف المعادن والطلاءات. التحكم في الجدار يجب أن يكون موثوقًا لكل تجربة.
الأجهزة المستقبلية للاندماج
الأجزاء المواجهة من التنجستن يمكن أن تقلل من التحطيم والإشعاع، ما يحافظ على استقرار البلازما عالية الكثافة.
قال جو: “تشير النتائج إلى مسار عملي وقابل للتوسع لرفع حدود الكثافة في التوكاماكات وأجهزة الاندماج المستقبلية.” ربطت التجارب سقف الكثافة بسلوك الجدار، ما يوفر للمهندسين أداة تحكم جديدة.
