هل للطاقة الحرارية النووية مستقبل؟

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

لأكثر من نصف قرن ، كان العلماء يحاولون بناء آلة على الأرض ، يحدث فيها تفاعل نووي حراري ، كما هو الحال في أحشاء النجوم. تعد تقنية الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة للبشرية بمصدر لا ينضب تقريبًا من الطاقة النظيفة. كان العلماء السوفييت هم أصل هذه التقنية - والآن تساعد روسيا في بناء أكبر مفاعل اندماجي في العالم.

تتماسك أجزاء نواة الذرة معًا بقوة هائلة. هناك طريقتان لتحريره. الطريقة الأولى هي استخدام الطاقة الانشطارية لنواة ثقيلة كبيرة من أبعد طرف في الجدول الدوري: اليورانيوم والبلوتونيوم. في جميع محطات الطاقة النووية على الأرض ، يكون مصدر الطاقة على وجه التحديد هو اضمحلال النوى الثقيلة.

ولكن هناك أيضًا طريقة ثانية لإطلاق طاقة الذرة: ألا تنقسم ، بل على العكس ، تجمع النوى. عند الاندماج ، يطلق بعضها طاقة أكثر من نوى اليورانيوم الانشطاري. كلما كانت النواة أخف وزنا ، سيتم إطلاق المزيد من الطاقة أثناء الاندماج (كما يقولون ، الاندماج) ، لذا فإن الطريقة الأكثر فعالية للحصول على طاقة الاندماج النووي هي إجبار نوى العنصر الأخف وزنا - الهيدروجين - مع نظائره على الاندماج.

نجمة اليد: إيجابيات صلبة

تم اكتشاف الاندماج النووي في ثلاثينيات القرن الماضي من خلال دراسة العمليات التي تحدث في الأجزاء الداخلية للنجوم. اتضح أن تفاعلات الاندماج النووي تحدث داخل كل شمس ، والضوء والحرارة نتاجها. بمجرد أن أصبح هذا واضحًا ، فكر العلماء في كيفية تكرار ما يحدث في أحشاء الشمس على الأرض. بالمقارنة مع جميع مصادر الطاقة المعروفة ، تتمتع "شمس اليد" بعدد من المزايا التي لا جدال فيها.

أولاً ، يعمل الهيدروجين العادي كوقود لها ، وستستمر احتياطياته على الأرض لعدة آلاف من السنين. حتى مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن التفاعل لا يتطلب النظير الأكثر شيوعًا ، الديوتيريوم ، فإن كوبًا من الماء يكفي لتزويد بلدة صغيرة بالكهرباء لمدة أسبوع. ثانيًا ، على عكس احتراق الهيدروكربونات ، لا ينتج تفاعل الاندماج النووي منتجات سامة - فقط غاز الهليوم المحايد.

مميزات طاقة الاندماج

إمدادات وقود غير محدودة تقريبًا.في مفاعل الاندماج ، تعمل نظائر الهيدروجين - الديوتيريوم والتريتيوم - كوقود ؛ يمكنك أيضًا استخدام نظير الهليوم 3. يوجد الكثير من الديوتيريوم في مياه البحر - يمكن الحصول عليه عن طريق التحليل الكهربائي التقليدي ، وستستمر احتياطياته في المحيط العالمي لنحو 300 مليون سنة عند الطلب الحالي للبشرية على الطاقة.

هناك كمية أقل بكثير من التريتيوم في الطبيعة ، ويتم إنتاجه بشكل مصطنع في المفاعلات النووية - ولكن هناك حاجة إلى القليل جدًا للتفاعل النووي الحراري. لا يوجد الهيليوم 3 على الأرض تقريبًا ، ولكن يوجد الكثير في تربة القمر. إذا كان لدينا في يوم من الأيام طاقة نووية حرارية ، فمن المحتمل أن نطير إلى القمر للحصول على الوقود.

لا انفجارات.يتطلب الأمر الكثير من الطاقة لإنشاء تفاعل نووي حراري والحفاظ عليه. بمجرد توقف إمداد الطاقة ، يتوقف التفاعل ، وتختفي البلازما من التسخين إلى مئات الملايين من الدرجات. لذلك ، يكون تشغيل مفاعل الاندماج أكثر صعوبة من إيقاف تشغيله.

نشاط إشعاعي منخفض.ينتج التفاعل النووي الحراري تدفقًا من النيوترونات المنبعثة من المصيدة المغناطيسية وترسب على جدران غرفة التفريغ ، مما يجعلها مشعة. من خلال إنشاء "غطاء" خاص (بطانية) حول محيط البلازما ، مما يؤدي إلى إبطاء النيوترونات ، من الممكن حماية المساحة المحيطة بالمفاعل تمامًا. البطانية نفسها تصبح حتما مشعة بمرور الوقت ، ولكن ليس لفترة طويلة. دعها ترتاح لمدة 20-30 عامًا ، يمكنك مرة أخرى الحصول على مادة ذات إشعاع خلفي طبيعي.

لا تسرب للوقود.هناك دائمًا خطر تسرب الوقود ، لكن مفاعل الاندماج يتطلب القليل جدًا من الوقود حتى أن التسرب الكامل لا يهدد البيئة. إطلاق ITER ، على سبيل المثال ، يتطلب فقط حوالي 3 كجم من التريتيوم والمزيد من الديوتيريوم. حتى في أسوأ السيناريوهات ، ستتبدد هذه الكمية من النظائر المشعة بسرعة في الماء والهواء ولن تسبب أي ضرر لأي شخص.

لا أسلحة.لا ينتج المفاعل النووي الحراري المواد التي يمكن استخدامها لصنع أسلحة ذرية. لذلك ، لا يوجد خطر من أن يؤدي انتشار الطاقة النووية الحرارية إلى سباق نووي.

كيف تضيء "الشمس الاصطناعية" ، بشكل عام ، اتضح بالفعل في الخمسينيات من القرن الماضي. على جانبي المحيط ، تم إجراء الحسابات التي حددت المعلمات الرئيسية لتفاعل الاندماج النووي الخاضع للرقابة. يجب أن يحدث في درجات حرارة هائلة تصل إلى مئات الملايين من الدرجات: في ظل هذه الظروف ، تنفصل الإلكترونات عن نواتها. لذلك ، يسمى هذا التفاعل أيضًا الاندماج النووي الحراري. تتغلب النوى العارية ، التي تتصادم مع بعضها البعض بسرعات فائقة ، على تنافر كولوم واندماجها.

المشاكل والحلول

اصطدم الحماس السائد في العقود الأولى بالتعقيد المذهل للمهمة. تبين أن إطلاق الاندماج النووي الحراري سهل نسبيًا - إذا تم في شكل انفجار. شهدت جزر المحيط الهادئ ومواقع الاختبار السوفيتية في سيميبالاتينسك ونوفايا زمليا القوة الكاملة للتفاعل النووي الحراري بالفعل في العقد الأول بعد الحرب.

لكن استخدام هذه القوة ، باستثناء التدمير ، أصعب بكثير من تفجير شحنة نووية حرارية. لاستخدام الطاقة النووية الحرارية لتوليد الكهرباء ، يجب إجراء التفاعل بطريقة محكومة بحيث يتم إطلاق الطاقة في أجزاء صغيرة.

كيف افعلها؟ تسمى البيئة التي يحدث فيها تفاعل نووي حراري بالبلازما. إنه مشابه للغاز ، على عكس الغاز الطبيعي فقط فهو يتكون من جزيئات مشحونة. ويمكن التحكم في سلوك الجسيمات المشحونة باستخدام المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

لذلك ، في أكثر صوره عمومية ، المفاعل النووي الحراري عبارة عن جلطة بلازما محاصرة في الموصلات والمغناطيسات. إنها تمنع البلازما من الهروب ، وأثناء قيامها بذلك ، تندمج النوى الذرية داخل البلازما ، ونتيجة لذلك يتم إطلاق الطاقة. يجب إزالة هذه الطاقة من المفاعل ، واستخدامها لتسخين المبرد - ويجب الحصول على الكهرباء.

الفخاخ والتسريبات

تبين أن البلازما هي أكثر المواد المتقلبة التي يجب على الناس على وجه الأرض مواجهتها. في كل مرة وجد العلماء طريقة لمنع نوع واحد من تسرب البلازما ، تم اكتشاف نوع جديد. قضى النصف الثاني من القرن العشرين بأكمله في تعلم كيفية إبقاء البلازما داخل المفاعل لأي وقت مهم. بدأت هذه المشكلة في الظهور في أيامنا هذه فقط ، عندما ظهرت أجهزة كمبيوتر قوية جعلت من الممكن إنشاء نماذج رياضية لسلوك البلازما.

لا يوجد حتى الآن إجماع حول الطريقة الأفضل لحبس البلازما. النموذج الأكثر شهرة ، توكاماك ، هو غرفة مفرغة على شكل دونات (كما يقول علماء الرياضيات ، طارة) مع مصائد بلازما بالداخل والخارج. سيكون لهذا التكوين أكبر وأغلى منشأة نووية حرارية في العالم - مفاعل ITER قيد الإنشاء حاليًا في جنوب فرنسا.

بالإضافة إلى التوكاماك ، هناك العديد من التكوينات الممكنة للمفاعلات النووية الحرارية: كروية ، كما هو الحال في سانت بطرسبرغ Globus-M ، النجوم المنحنية بشكل غريب (مثل Wendelstein 7-X في معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية في ألمانيا) ، الليزر المصائد بالقصور الذاتي ، مثل NIF الأمريكية. إنهم يتلقون اهتمامًا إعلاميًا أقل بكثير من ITER ، لكن لديهم أيضًا توقعات عالية.

هناك علماء يعتبرون تصميم النجم أكثر نجاحًا بشكل أساسي من التوكاماك: فهو أرخص في البناء ، ووقت حبس البلازما يعد بإعطاء المزيد.يتم توفير الزيادة في الطاقة من خلال هندسة مصيدة البلازما نفسها ، والتي تتيح للشخص التخلص من التأثيرات الطفيلية والتسريبات الكامنة في "الدونات". النسخة التي يتم ضخها بالليزر لها مزاياها أيضًا.

يتم تسخين وقود الهيدروجين الموجود فيها إلى درجة الحرارة المطلوبة بواسطة نبضات الليزر ، ويبدأ تفاعل الاندماج على الفور تقريبًا. يتم الاحتفاظ بالبلازما في مثل هذه التركيبات عن طريق القصور الذاتي وليس لديها وقت للتشتت - كل شيء يحدث بسرعة كبيرة.

العالم كله

جميع المفاعلات النووية الحرارية الموجودة في العالم اليوم هي آلات تجريبية. لا يتم استخدام أي منهم لتوليد الكهرباء. لم ينجح أي منهم حتى الآن في تحقيق المعيار الرئيسي للتفاعل النووي الحراري (معيار لوسون): الحصول على طاقة أكثر مما تم إنفاقه على إنشاء التفاعل. لذلك ، ركز المجتمع الدولي على مشروع ITER العملاق. إذا تم استيفاء معيار Lawson في ITER ، فسيكون من الممكن تحسين التكنولوجيا ومحاولة نقلها إلى القضبان التجارية.

لا يوجد بلد في العالم يمكنه بناء ITER بمفرده. تحتاج 100 ألف كيلومتر من الأسلاك فائقة التوصيل وحدها ، وأيضًا العشرات من المغناطيسات فائقة التوصيل وملف لولبي مركزي عملاق لعقد البلازما ، ونظام لخلق فراغ عالي في الحلقة ، ومبردات الهيليوم للمغناطيس ، وأجهزة التحكم ، والإلكترونيات … يقوم المشروع ببناء 35 دولة وأكثر من آلاف المعاهد والمصانع العلمية في آن واحد.

روسيا هي إحدى الدول الرئيسية المشاركة في المشروع ؛ في روسيا ، يجري تصميم وبناء 25 نظامًا تكنولوجيًا للمفاعل المستقبلي. هذه هي الموصلات الفائقة ، وأنظمة قياس معلمات البلازما ، وأجهزة التحكم الأوتوماتيكية ومكونات المحول ، وهو الجزء الأكثر سخونة من الجدار الداخلي للتوكاماك.

بعد إطلاق ITER ، سيتمكن العلماء الروس من الوصول إلى جميع بياناته التجريبية. ومع ذلك ، فإن صدى ITER لن يكون محسوسًا فقط في العلم: الآن في بعض المناطق ظهرت مرافق إنتاج ، لم تكن موجودة في روسيا من قبل. على سبيل المثال ، قبل بدء المشروع ، لم يكن هناك إنتاج صناعي للمواد فائقة التوصيل في بلدنا ، وكان يتم إنتاج 15 طنًا فقط سنويًا في جميع أنحاء العالم. الآن ، فقط في مصنع تشيبيتسك الميكانيكي التابع لشركة "روساتوم" الحكومية ، من الممكن إنتاج 60 طنًا سنويًا.

مستقبل الطاقة وما بعده

من المقرر استلام أول بلازما في ITER في عام 2025. العالم كله ينتظر هذا الحدث. لكن الآلة ، حتى الأقوى ، ليست كلها. في جميع أنحاء العالم وفي روسيا ، يواصلون بناء مفاعلات نووية حرارية جديدة ، والتي ستساعد في النهاية على فهم سلوك البلازما وإيجاد أفضل طريقة لاستخدامها.

بالفعل في نهاية عام 2020 ، سيقوم معهد كورتشاتوف بإطلاق توكاماك T-15MD الجديد ، والذي سيصبح جزءًا من منشأة هجينة تحتوي على عناصر نووية ونووية حرارية. سيتم استخدام النيوترونات ، التي تتشكل في منطقة التفاعل النووي الحراري ، في التركيب الهجين لبدء انشطار النوى الثقيلة - اليورانيوم والثوريوم. في المستقبل ، يمكن استخدام هذه الآلات الهجينة لإنتاج وقود للمفاعلات النووية التقليدية - نيوترونات حرارية وسريعة.

خلاص الثوريوم

ومن المغري بشكل خاص احتمال استخدام "نواة" نووية حرارية كمصدر للنيوترونات لبدء تحلل نوى الثوريوم. يوجد الثوريوم على الكوكب أكثر من اليورانيوم ، واستخدامه كوقود نووي يحل العديد من مشاكل الطاقة النووية الحديثة في وقت واحد.

وبالتالي ، لا يمكن استخدام منتجات اضمحلال الثوريوم لإنتاج مواد مشعة عسكرية. إن إمكانية مثل هذا الاستخدام بمثابة عامل سياسي يمنع البلدان الصغيرة من تطوير طاقتها النووية. يحل وقود الثوريوم هذه المشكلة بشكل نهائي.

يمكن أن تكون مصائد البلازما مفيدة ليس فقط في مجال الطاقة ، ولكن أيضًا في الصناعات السلمية الأخرى - حتى في الفضاء. تعمل الآن Rosatom ومعهد Kurchatov على مكونات لمحرك صاروخ بلازما بلازما كهربائي للمركبات الفضائية وأنظمة لتعديل المواد بالبلازما.تحفز مشاركة روسيا في مشروع ITER الصناعة ، مما يؤدي إلى إنشاء صناعات جديدة ، والتي تشكل بالفعل الأساس للتطورات الروسية الجديدة.