د. طارق قابيل: اختراق علمي حقيقي.. طفرة في الاندماج النووي
كاتب ومترجم- عضو هيئة التدريس بكلية العلوم- جامعة القاهرة
أحد أكثر الإنجازات العلمية إثارة للإعجاب في القرن الحادي والعشرين
بالأمس نجح أحد المختبرات الأمريكية في إثارة تفاعل اندماجي أطلق طاقة أكثر مما استُخدم فيه لأول مرة، ودخل علماء منشأة الإشعال الوطنية بمختبر لورانس ليفرمور الوطني الأمريكي في كاليفورنيا، التاريخ، من أوسع أبوابه، من خلال النجاح في إنتاج تفاعل اندماج نووي أنتج طاقة أكثر مما احتاجه لبدء تشغيله، وهو “اختراق علمي حقيقي” بجميع المقاييس، وأشاد به المسؤولون الأميركيون باعتباره “إنجازا بارزا” و “علامة فارقة لمستقبل الطاقة النظيفة”، ولكن لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه نحو الاندماج كمصدر للطاقة النظيفة.
أعلنت وزيرة الطاقة جينيفر جرانهولم، عن الاختراقال علمي الكبير في أبحاث الاندماج التي تم إجراؤها في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا، خلال مؤتمر صحفي في وزارة الطاقة في واشنطن، يوم الثلاثاء، 13 ديسمبر 2022.
وقالت الوزيرة: “لقد حققنا إنجازًا علميًا في الاندماج النووي يمهد الطريق للتقدم في الدفاع والطاقة النظيفة”. وأضافت “ببساطة، يعد هذا أحد أكثر الإنجازات العلمية إثارة للإعجاب في القرن الحادي والعشرين”.
لأكثر من 60 عاما، تابع العلماء واحدة من أصعب التحديات الفيزيائية التي تم تصورها على الإطلاق: تسخير الاندماج النووي، مصدر طاقة النجوم، لتوليد طاقة نظيفة وفيرة هنا على الأرض.
وحاول العلماء تسخير الاندماج الحراري النووي لتوليد الطاقة مرارا، حيث يمتلك الاندماج القدرة على إنتاج كميات هائلة من الطاقة النظيفة باستخدام موارد قليلة، ولا يتطلب سوى كمية صغيرة من الوقود، وبمجرد “اشتعال” البلازما الاندماجية، ستستمر في الاحتراق طالما بقيت في مكانها، وفي النهاية ستولد انبعاثات كربونية محدودة للغاية.
ومع ذلك، فقد ثبت أنه من الصعب التحكم في تفاعلات الاندماج ولم ينتج عن أي تجربة اندماج سابقًا طاقة أكثر مما تم وضعه لبدء التفاعل.
ولكن بالأمس فقط، أُعلنت وزيرة الطاقة الأمريكية جينيفر جرانهولم في مؤتمر إعلامي بواشنطن العاصمة أن تجربة الاندماج في منشأة الإشعال الوطنية (NIF) في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في الولايات المتحدة قد حققت هذا “الكأس المقدسة”، حيث أنتجت طاقة أكثر من نبض الليزر الذي تم استخدامه لتسخين الوقود.
تفاصيل الإنجاز العلمي
في 5 ديسمبر 2022، أطلقت مجموعة من الليزر في منشأة الإشعال الوطني(NIF) ، وهي جزء من مختبر لورانس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا، 2.05 ميغا جول من الطاقة على أسطوانة صغيرة تحتوي على حبيبات من الديوتيريوم والتريتيوم المجمدين، وهي أشكال أثقل من الهيدروجين.
ضغطت الحبيبات وتولد درجات حرارة وضغوطًا شديدة بما يكفي لتسبب اندماج الهيدروجين الموجود بداخلها.
وفي حريق صغير استمر لأقل من جزء من المليار من الثانية، أطلقت النوى الذرية المندمجة 3.15 ميغا جول من الطاقة – حوالي 50 في المائة أكثر مما تم استخدامه لتسخين الحبيبات.
كانت الطاقة في نبضة الليزر 2.05 ميغا جول – أي ما يعادل طاقة قطعتين من شوكولاتة مارس، أو ما يكفي لغلي ستة غلايات من الماء.
كانت الطاقة من تفاعلات الاندماج التي تم إطلاقها في شكل نيوترونات نشطة أعلى بنسبة 50٪ من طاقة نبضة الليزر.
ولطالما سعى باحثو الاندماج إلى تحقيق مكاسب صافية من الطاقة، وهو ما يسمى التعادل العلمي.
وأثبتت التجربة أنه يمكن أن تحقق “الاشتعال” – حالة من المادة التي يمكن أن تحافظ بسهولة على تفاعل الاندماج – من أجل الوصول إلى نقطة التعادل العلمية.
وعلى الرغم من انتهاء الحريق الهائل في لحظة، إلا أن أهميته ستستمر بعد أن أعلن الباحثون عن علامة فارقة في هذا الجهد لأول مرة حيث أنتج مفاعل الاندماج طاقة أكثر مما تم استخدامه لتحفيز التفاعل. ولذلك فإن القدرة على دراسة ظروف الاشتعال بالتفصيل ستكون “مغيرًا لقواعد اللعبة في مجال الاندماج النووي الحراري بالكامل”، كما يقول يوهان فرينجي، عالم فيزياء البلازما في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
وقود الانصهار
نوع التفاعل النووي الذي يغذي محطات الطاقة الحالية هو الانشطار – انقسام الذرات لإطلاق الطاقة. بدلاً من ذلك، يدفع الاندماج ذرات الهيدروجين معًا، مما ينتج كمية كبيرة من الطاقة، والأهم من ذلك، الحد من النفايات المشعة.
هناك طريقتان رئيسيتان يحاول الباحثون في جميع أنحاء العالم حاليًا إنتاج طاقة الاندماج. يركز الباحثون في منشأة الإشعال الوطنية على اندماج الحبس بالقصور الذاتي، والذي يستخدم نظامًا من الليزر لتسخين كريات الوقود التي تنتج البلازما – وهي سحابة من الأيونات المشحونة.
تحتوي كريات الوقود على نسخ “ثقيلة” من الهيدروجين – الديوتيريوم والتريتيوم – والتي يسهل اندماجها وإنتاج المزيد من الطاقة. ومع ذلك، يجب تسخين كريات الوقود وضغطها للظروف الموجودة في مركز الشمس، وهو مفاعل اندماج طبيعي.
بمجرد تحقيق هذه الشروط، تطلق تفاعلات الاندماج عدة جسيمات، بما في ذلك جسيمات ألفا، والتي تتفاعل مع البلازما المحيطة وتزيد من تسخينها.
وتقوم البلازما المسخنة بعد ذلك بإطلاق المزيد من جسيمات ألفا وما إلى ذلك، في تفاعل ذاتي الاستدامة – وهي عملية يشار إليها بالاشتعال.
شرارة الاشتعال الاندماجي
على الرغم من أن الاندماج النووي والانشطار النووي يستمدان الطاقة من الذرة، إلا أنهما يعملان بشكل مختلف.
تعتمد محطات الطاقة النووية اليوم على الانشطار النووي، الذي يطلق الطاقة عندما تتفكك الذرات الكبيرة والثقيلة مثل اليورانيوم بسبب الاضمحلال الإشعاعي.
ومع ذلك، في الاندماج، تندمج الذرات الخفيفة الصغيرة مثل الهيدروجين في ذرات أكبر. في هذه العملية، يطلقون جزءًا صغيرًا من كتلتهم المجمعة كطاقة.
في المختبرات، يتطلب إقناع نوى الهيدروجين للاندماج في الهيليوم تكوين وحصر “بلازما” – غاز مشحون كهربائيًا، حيث لم تعد الإلكترونات مرتبطة بالنواة الذرية – عند درجات حرارة أعلى عدة مرات من داخل الشمس.
ولقد تعلم العلماء منذ عقود كيف يطلقون هذه العملية بشكل متفجر داخل القنابل الهيدروجينية، ويمكن لمفاعلات الاندماج الحالية أن تجعلها تحدث بطريقة محكومة للحظات عابرة.
منذ أواخر الخمسينيات وأوائل الستينيات من القرن الماضي، كان لمفاعلات الاندماج نفس الهدف الأساسي: إنشاء بلازما ساخنة وكثيفة قدر الإمكان، ثم حصر تلك المادة لفترة كافية بحيث تصل النوى الموجودة فيها إلى الاشتعال.
تكمن المشكلة في أن البلازما جامحة: فهي مشحونة كهربائيًا، مما يعني أنها تستجيب للحقول المغناطيسية وتولد نفسها أثناء تحركها.
ولدعم الاندماج، يجب أن يصل إلى درجات حرارة مذهلة حقًا. ومع ذلك فهو منتشر للغاية، ومن السهل أن يبرد.
والتحدي المتمثل للأشتعال الاندماجي هو نفس التحدي المطلوب لحرق البنزين في المحرك، حيث تختلط كمية صغيرة من البنزين بالهواء ثم تشتعل من شرارة.
الشرارة ليست هائلة، لكن لا يجب أن تكون: كل ما عليها فعله هو إشعال جزء صغير من خليط الهواء والبنزين.
إذا اشتعل هذا الجزء الصغير، فإن الطاقة التي يطلقها تكفي لإشعال بقية الوقود.
من حيث الطاقة المنبعثة، تحزم التفاعلات النووية ما يقرب من مليون مرة أكثر من التفاعلات الكيميائية – وهي أصعب بكثير.
وقد تكون تجارب الاندماج السابقة قد حققت درجات الحرارة المناسبة أو الضغوط المناسبة أو أوقات حبس البلازما المناسبة للوصول إلى الاشتعال، ولكن ليس كل هذه العوامل في وقت واحد.
هدف طال انتظاره
يساعد فيزيائيو إمبريال كوليدج لندن بالفعل في تحليل البيانات من التجربة الناجحة التي أجريت في 5 ديسمبر 2022. كما أنتجت إمبريال أكثر من 30 دكتوراه.
الطلاب الذين ذهبوا للعمل في منشأة الإشعال الوطنية الأمريكية، وتحتفظ الكلية بروابط قوية مع المنشأة، وغيرها في جميع أنحاء العالم، من خلال مركز دراسات الانصهار بالقصور الذاتي (CIFS).
قال البروفيسور جيريمي شيتيندين، المدير المشارك لمركز دراسات الاندماج بالقصور الذاتي في إمبريال كوليدج لندن، “لقد حاول كل شخص يعمل على الاندماج أن يثبت منذ أكثر من 70 عامًا أنه من الممكن توليد طاقة من الاندماج أكثر مما تضعه.
هذا هي لحظة اختراق حقيقية، ومثيرة للغاية.
فهي تثبت أن الهدف المنشود منذ فترة طويلة، “الكأس المقدسة” للانصهار، يمكن تحقيقه بالفعل. وهذا يجعلنا أقرب إلى توليد قوة الاندماج على نطاق أوسع بكثير.
لتحويل الاندماج إلى مصدر طاقة، سنحتاج إلى زيادة اكتساب الطاقة بشكل أكبر.
سنحتاج أيضًا إلى إيجاد طريقة لإعادة إنتاج نفس التأثير بشكل متكرر وبتكلفة أقل بكثير قبل أن نتمكن من تحويل هذا بشكل واقعي إلى طاقة كهربية يستفاد بها في جميع مناحي الحياة.
ولكن من الصعب تحديد مدى السرعة التي قد نتمكن من الوصول إلى هذه النقطة.
إذا استطعنا التغلب على جميع المعوقات، فيمكننا رؤية قوة الاندماج قيد الاستخدام في غضون عشر سنوات، ولكن قد يستغرق الأمر وقتًا أطول.
الشيء الرئيسي هو أنه من خلال النتائج الجديدة، نعلم أن قوة الاندماج في متناول اليد.
وقال البروفيسور ستيفن روز، وهو أيضًا المدير المشارك لمركز دراسات الاندماج بالقصور الذاتي في إمبريال، “هذه النتيجة الرائعة تظهر أن الاندماج بالقصور الذاتي يعمل على نطاق ميجا جول مما يعطي زخمًا كبيرًا لتطويره كمصدر للطاقة وكأداة أساسية علوم.”
وقال الدكتور بريان أبيلبي، باحث مشارك في مركز دراسات الاندماج بالقصور الذاتي في إمبريال، “بالإضافة إلى كونها خطوة مهمة نحو قوة الاندماج، فإن هذه التجربة مثيرة لأنها ستسمح لنا بدراسة المادة في درجات حرارة وكثافة لم يسبق لها مثيل من قبل.”
لا يعني هذا الإنجاز أن الاندماج الآن مصدر طاقة قابل للتطبيق. فبينما أنتج التفاعل طاقة أكثر من المفاعل المستخدم لتسخين النوى الذرية، فإنه لم يولد أكثر من إجمالي استخدام الطاقة للمفاعل.
ووفقًا لكيم بوديل، مدير مختبر لورانس ليفرمور الوطني، تطلب الليزر 300 ميغا جول من الطاقة لإنتاج ما يعادل 2 ميغا جول من الطاقة الشعاعية.
ومع ذلك، فبعد عقود من المحاولات، اتخذ العلماء خطوة كبيرة نحو قوة الاندماج.
ويقول أمبروجيو فاسولي، عالم فيزياء الاندماج بالمعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان: “يبدو الأمر وكأنه خيال علمي، لكنهم فعلوه، وما فعلوه رائع”.
مستقبل محطات الطاقة الاندماجية
بحسب العلماء فإن تطوير محطات الطاقة الاندماجية سيأخذ عشرات السنوات،وما حدث بالأمس كان مجرد إثبات لإمكانية إنتاج طاقة بهذه الطريقة.
ومع الوقت ستتحسن الأدوات المستخدمة لإنتاجه، خصوصا أن ما استخدم من تكنولوجيا يعود للتسعينيات من القرن الفائت.
بالطبع تم الوصول إلى هذه النتيجة في المختبر، ويمكن أن تحدث جميع أنواع الفيزياء المثيرة للاهتمام في مثل هذه الظروف، مثل تكوين المادة المضادة، وستمنحنا مثل هذه التجارب الرائدة نافذة على هذا العالم العجيب.
وتعد هذه الطاقة أكثر نظافة من الطاقة النووية الانشطارية التي تنتج مواد مشعة كثيرة، ولكن عادة ما تكون مضرة للبيئة وتهدد البشرية.
ونظرا لأن العديد من الدول تحاول إنتاجها بحيث تنتج طاقة أكثر مما تدخل في عملية إنتاجها، ولكن لم تنجح أي منها، فيعد هذا الخبر مهما؛ لأنه النجاح الأول من نوعه.
ويحتاج العلماء والخبراء الآن إلى معرفة كيفية إنتاج المزيد من الطاقة من الاندماج النووي على نطاق أوسع بكثير، ويحتاجون إلى معرفة كيفية تقليل تكلفة الاندماج النووي في نهاية المطاف بحيث يمكن استخدامه تجاريا.
ما يميز الاندماج النووي انه لا يشبه مفاعلات الانشطار النووي، ويوفر طاقة يمكنها تشغيل الشبكات الكهربائية، وهو اقل تكلفة بيئيا، ويعمل معهد ماساتشوستس للتقنية وشركة كومونولث فيوجن سيستمز حاليا على بناء وتشغيل أول محطة طاقة نووية اندماجية في العالم في غضون 15 عاماً، وتستمر الأبحاث الهادفة للاستفادة من طاقة الاندماج النووي، وتتنافس المشاريع الرائدة حول العالم لتطوير أول مفاعل اندماج نووي يحقق طاقة اندماجية يمكن التحكم بها، ولدي الصين حاليا مفاعلات اندماجية تصل حرارتها لضعف حرارة الشمس يسمونها الشمس الاصطناعية، وهي دولة رائدة في الاندماج النووي.
سيحتاج العلماء أيضا إلى حصاد الطاقة الناتجة عن الاندماج ونقلها إلى شبكة الطاقة في صورة كهرباء، ولكن سيستغرق الاندماج سنوات، وربما عقودا، قبل أن يتمكن الاندماج من إنتاج كميات غير محدودة من الطاقة النظيفة، والعلماء في سباق مع الزمن لمكافحة تغير المناخ.
