ما هو الانصهار النووي؟

بحلول نهاية القرن التاسع عشر ، كشفت القياسات الطيفية لأشعة الشمس أن الشمس تحتوي على كمية كبيرة من الهيدروجين وكمية صغيرة من الهيليوم. كان العلماء على دراية كاملة بهذا في العقود الأولى من القرن العشرين ، ولكن مع ظهور النسبية مؤخرًا فقط والفيزياء الكمومية لا تزال في تطورها المبكر ، لم تكن هناك إمكانية لتطبيق هذه الملاحظة على مشكلة كيفية إنتاج النجوم للطاقة. كان هذا لغزًا كاملاً حتى أوائل عشرينيات القرن العشرين ، عندما اكتشف الفيزيائي البريطاني فرانسيس أستون أن الكتلة المدمجة لأربعة ذرات هيدروجين كانت أكبر قليلاً من كتلة ذرة هيليوم واحدة. تنبأت نظرية أينشتاين بأن هذا الاختلاف في الكتلة سيتم تحويله إلى طاقة ، وبالتالي افترض أستون أن النجوم أنتجت الطاقة عن طريق دمج ذرات الهيدروجين في الهليوم. تم التحقق من صحة هذه الفرضية على مدار العشرين عامًا القادمة ، وتعتبر الآن نظرية الاندماج النجمي واحدة من انتصارات الفيزياء الحديثة.

كما أدرك بسرعة أن تفاعلات الاندماج يمكن أن تنتج كميات هائلة من الطاقة المفيدة. ليس ذلك فحسب ، ولكن الوقود (الهيدروجين) الذي سيتطلبه وفير للغاية في الأرض بحيث لا حدود له على نحو فعال ، والمنتج الوحيد للنفايات هو الهيليوم ، وهو غير سام ولا يسهم في الاحتباس الحراري.

يناقش هذا المقال ماهية الانصهار النووي وما هي آثاره كمصدر للطاقة.

تحويل طاقة الكتلة

على عكس الكيمياء ، لا يتم حفظ الكتلة في تفاعل نووي. سيجد المرء دائمًا أن كتلة منتجات التفاعل مختلفة عن كتلة المواد المتفاعلة. ويسمى هذا الاختلاف الشامل عيب الكتلة ، والذي نكتبه كما ميكرون. يبدو أن الكتلة تختفي لأن عيب الكتلة يتحول إلى طاقة بواسطة معادلة آينشتاين. الطاقة التي تم الحصول عليها من التفاعل هي E = ∆mc². للحصول على طاقة مفيدة ، نحتاج إلى أن نكون إيجابيين. في تفاعل الانصهار ، هذا يعني أننا نريد أن تكون كتلة المنتج أقل قليلاً من كتلة المواد المتفاعلة ، مثل أن تكون ذرة الهيليوم أخف قليلاً من أربع ذرات هيدروجين. في الانشطار ، فهذا يعني أننا نريد أن تكون كتلة المنتجات أقل من كتلة المادة المتفاعلة ، مثل ذرة اليورانيوم التي تكون أكبر قليلاً من الكتلة المركبة للنيوترونات وذرات الكريبتون والباريوم التي ينتجها التفاعل. سوف يتطلب الأمر طاقة أكثر لأداء التفاعلات في الاتجاهين المعاكسين مما سيصدر: من الممكن من حيث المبدأ تقسيم ذرة الهيليوم إلى هيدروجين ، لكن هذه العملية ستستهلك طاقة أكثر مما ستصدر.

طاقة الربط

على الرغم من أن عدد النكليونات يبقى كما هو في التفاعل ، فلماذا تكون ذرة الهيليوم أخف من أربع ذرات هيدروجين ، ولماذا تكون ذرة اليورانيوم أثقل من الكتلة المركبة لذرة الكريبتون وذرة الباريوم؟ أين بالضبط الكتلة الزائدة؟ لبدء الإجابة على هذا السؤال ، دعنا نكتب معادلة الحفاظ على الطاقة للتفاعل. دع Ep يكون طاقة الكتلة للبروتون (الذي يساوي تقريبًا طاقة الكتلة من ذرة الهيدروجين ، نحن نهمل الإلكترون نظرًا لأن كتلته تبلغ حوالي 1/2000 كتلة البروتون) نيوترون ، E- هو طاقة الكتلة لذرة الهيليوم ، و releasedE الطاقة المنبعثة من التفاعل. معادلة الطاقة هي:

هذا يخبرنا أن هناك مصطلحين لمجموع الطاقة المخزنة في نواة ذرة الهيليوم. الأول هو طاقة الكتلة لأربعة نيوكليونات (بروتونان ونيوترون ، ونحن نعامل طاقاتهم الجماعية على قدم المساواة تقريبًا لأن طاقة بروتون الكتلة تساوي حوالي 999/1000 من نيوترون) والثاني هو مصطلح سلبي مع القيمة المطلقة للقيمة ∆E. هذه الطاقة السلبية تسمى طاقة الربط. وهو يتوافق مع إجمالي الطاقة الكامنة للتفاعل الذي تجمع فيه القوة النووية القوية جميع النوكليونات معًا ناقصًا الطاقة الكامنة الكهربائية لقوة كولومب البغيضة بين الجزيئات المشحونة. طاقة الربط سلبية لأن الجسيم سيتعين عليه القيام بعمل (فقدان الطاقة الحركية) للهروب من النواة. تعد طاقة الربط لكل نيوكليون خاصية مميزة لذرات عنصر معين ، ويتم توضيح هذه الطاقة في الرسم البياني التالي:

ملاحظة: يصور القيمة المطلقة للطاقة الملزمة. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز

هناك قاعدة مهمة وهي أنه إذا كانت نواة المنتج في التفاعل أقل (أكبر من حيث القيمة المطلقة وبالتالي أعلى على الرسم البياني ، ولكن أقل من حيث كونها أكثر سلبية) طاقة الربط لكل النواة من المواد المتفاعلة ، عندئذٍ ستصدر الطاقة. لمعرفة سبب حدوث ذلك ، تخيل حالة وسيطة بعد التفاعل (إما الانصهار أو الانشطار) التي توجد فيها نواة المنتج للحظة واحدة كحالة غير منضمة تتكون من مزيج من البروتونات والنيوترونات غير المتفاعلة. لكي تصبح نواة ، يجب أن تصبح كومة النوكليونات مرتبطة بالتفاعل عبر القوة النووية القوية. طاقة هذا التفاعل هي طاقة الربط ، والتي هي سلبية ، وبالتالي يتم تخفيض الطاقة الكلية للنظام الذي يتكون من كومة من النكليونات عندما يتحول إلى نواة مناسبة. ولكن يجب الحفاظ على الطاقة ، لذلك لكي يخفض النظام طاقته الداخلية ، يجب أن يطرد بعض الطاقة إلى محيطه.

يمكنك أيضًا أن ترى على الرسم البياني أن العناصر الأثقل من طاقة إطلاق الحديد عندما تكون مجزأة وعناصر أخف من طاقة إطلاق الحديد عندما يتم دمجها. الحديد هو العنصر الأكثر ثباتًا ولا يوجد تفاعل يمكن أن يفصل الحديد أو يدمجه مع إطلاق الطاقة أيضًا.

كيف تسبب الانصهار

لقد توصلنا إلى ما يحدث أثناء الاندماج النووي ، لكننا بحاجة أيضًا إلى معرفة كيفية التسبب في اندماج نوتين ذريتين.

إن النوى الذرية ، التي تتكون من النيوترونات غير المشحونة والبروتونات المشحونة إيجابياً ، كلها مشحونة إيجابياً ، وبالتالي فإنها تتصدى لبعضها البعض. ومع ذلك ، عندما يكون الفصل بين نوتين يشبه القطر النووي ، تصبح قوة جديدة تسمى القوة النووية القوية نشطة. على عكس القوة الإلكتروستاتيكية ، التي لها نطاق غير محدود ، تمتلك القوة النووية القوية نطاقًا محدودًا وبالتالي لن تحدث تفاعلات نووية قوية بين النواة التي تفصل بينها مسافة أكبر من تلك المدى. ومع ذلك ، على عكس القوة الإلكتروستاتيكية ، تكون القوة القوية جذابة وتحمل البروتونات والنيوترونات معًا ضد القوة الكهربائية البغيضة. سوف تندمج نواة إذا تمكنا من تقريبهما معًا بما يكفي لتتمكن القوة النووية القوية من التغلب على القوة الإلكتروستاتيكية.

بدلاً من التفكير في القوى هنا ، ستكون الصورة أكثر وضوحًا إذا فكرنا في الطاقة الكامنة ، ولأول مرة نتبع نهجًا كلاسيكيًا ساذجًا يتجاهل ميكانيكا الكم. ينتج عن الجسيمات المشحونة موجبة الشحنة q ، مثل نواة ذرة الهيدروجين (بروتون) ، مجال الجهد الكهربائي المعطى بواسطة:

وحدات جول / كولوم

حيث ε0 هو ثابت مادي يسمى السماحية من المساحة الحرة. ما يخبرنا به هذا الحقل المحتمل هو أنه إذا تم فصل شحنتين Q و q بمسافة r ، فإن الطاقة الكامنة المرتبطة بتفاعلهما المتبادل هي:

يمكنك أن ترى أن هذه الطاقة تصبح أكبر حيث تصبح المسافة r أصغر. لذلك ، من أجل التقريب بين التهمتين ، نحتاج إلى أداء العمل على نظام التهمتين. تخيل أنك تحاول إجبار القطبين الشماليين على مغناطيس العارضة معًا. هذا ممكن ، لكنه يتطلب بعض الجهد. مقدار العمل الذي نحتاج إلى القيام به للحث على دمج بروتونين هو مقدار العمل الذي يجب علينا القيام به لتوجيه تهمتين من تهمة q = Q = ~ 1.6 × 10 ^ –19 Coulombs إلى المسافة التي تكون فيها القوة القوية يهيمن ، ص = 1.7 فمتومتر (1fm = 10 ^ -15 متر). لذلك يو = 1.35 × 10 ^ -13 جول ، أو حوالي 843 كيلو فولت (1 كيلو فولت = 1000 فولت إلكترون).

لفهم المنطق هنا بطريقة أكثر واقعية ، تخيل محاولة ركل كرة من الكتلة m بحيث تتدحرج إلى قمة تل الارتفاع h. بالقرب من سطح الأرض ، الطاقة المحتملة للوزن عند الارتفاع h هي U = mgh (طبيعة الوظائف المحتملة تسمح لنا بالتأكيد التعسفي على أن الإمكانية تساوي صفرًا في قاع التل بغض النظر عن الارتفاع فوق مستوى سطح البحر) . إذا افترضنا أن شكل التل يتم تقديمه بواسطة بعض الوظائف y (x) ، فيمكننا أن نتصور التل كحاجز مكاني محتمل U (x) = mgy (x) يجب أن يكون للكرة طاقة حركية أكبر من mgh في أجل العبور ، وإلا يتم حظره. شكل التل تعسفي طالما أننا نتجاهل مقاومة الهواء والاحتكاك.

يوضح لنا هذا الرسم البياني سلوك الكرة لثلاثة شروط مختلفة على طاقتها الحركية. إذا كانت الطاقة الحركية للكرة أقل من mgh ، فستصل الكرة إلى ارتفاع أقل من h ثم تتدحرج لأسفل. إذا كانت الطاقة الحركية تساوي بالضبط mgh ، فإن الكرة تتدحرج إلى أعلى التل وتبقى هناك. إذا كانت الطاقة الحركية أكبر من mgh ، فستتحول الكرة إلى أعلى التل ثم تتدحرج في الجانب الآخر. دعونا نلقي نظرة على رسم تخطيطي يوضح الموقف بالنسبة لبروتوناتين عند الاقتراب من بعضهما البعض.

ملاحظة: المحور العمودي ليس هو الحجم.

يوضح هذا الرسم البياني الطاقة الكلية لتفاعل البروتونين. إذا كانت الطاقة الكامنة موجبة ، فيجب على البروتونات أن تعمل على تقليل انفصالها وبالتالي فإن التفاعل سيؤدي إلى صد البروتونات لبعضها البعض. إذا كانت الطاقة الكامنة سالبة ، فسيتعين على البروتونات القيام بعمل لزيادة فصلها وبالتالي يميل التفاعل إلى أن يكون جذابًا.

في قسم المنحنى المسمى A ، يكون التفاعل الإلكتروستاتي نشطًا فقط والاحتمال إيجابي. على مسافة حوالي 1.7 fm ، المسمى بالنقطة B ، فإن التفاعل القوي "يشتغل" ويزيد على الفور التفاعل الكهروستاتيكي. يشار إلى الطاقة عند النقطة B على أنها ارتفاع الحاجز ، وإذا بدأ البروتون إلى يمين الحاجز وكان الطاقة أقل من ارتفاع الحاجز ، فإننا نشير إلى المنطقة على يسار الحاجز باسم الكلاسيكية المنطقة المحرمة. على مسافات أقل من حوالي 0.7 fm ، المشار إليها في النقطة C ، ينتقل التفاعل القوي من كونه موجبًا إلى كونه مثير للاشمئزاز ، لذلك سيتم إرجاع جسيم في قسم المنحنى المسمى D إلى الخلف إلى C.

يُسمى قسم المنحنى المحتمل حيث يهيمن التفاعل الكهروستاتيكي ، V (x) لـ x> 1.7 fm ، بالحاجز الكهربائي ، أو Coulomb. ناقشنا في وقت سابق أن طاقة حاجز Coulomb هي ~ 843 كيلو فولت. في الصورة الكلاسيكية ، إذا كان البروتون الوارد لديه طاقة حركية أقل من هذه الكمية ، فلن يكون قادرًا على عبور حاجز Coulomb ، مشابهًا للحالة التي يجب فيها ركل الكرة بكمية كافية من الطاقة الحركية لتجاوزها التل.

فكيف نعطي البروتون طاقة حركية كافية؟ أبسط الطرق وأكثرها كفاءة هي جعلها "ساخنة" للغاية. بالطبع ، لا يتم تحديد درجة الحرارة للذرات المفردة ، ولكن يمكننا تحديد درجة الحرارة لعينة كبيرة من ذرات الهيدروجين ، نسميها T. متوسط ​​الطاقة الحركية لعينة من الغاز الأحادي في درجة الحرارة T هي ⟨K⟩ = (3 / 2) كيلوطن حيث k هو ثابت بولتزمان. نجد أن درجة الحرارة المطلوبة مرتفعة بشكل سخيف: 6.5 مليار كلفن. ليس فقط حجم هذه الطلبيات أعلى من أي شيء يمكن تحقيقه على الأرض بشكل معقول ، ولكن جوهر الشمس لديه درجة حرارة تقدر بـ 15 مليون كلفن فقط ، أي حوالي 0.23٪ من درجة الحرارة التي حصلنا عليها من خلال نهجنا الساذج. إذن كيف يمكن أن يحدث الانصهار النجمي ، وكيف يمكننا أن نأمل أن نفعل الانصهار هنا على الأرض؟

اختراق الحاجز

الجواب هو في ظاهرة اختراق الحاجز ، والمعروفة أيضًا باسم نفق الكم. نعلم جميعًا أن الموضع غير محدد جيدًا للجزيئات في موازين المسافة الذرية ودون الذرية. إذا أخذنا قياسًا واحدًا لموضع البروتون الوارد ووجدنا أنه على يمين حاجز Coulomb ، مع طاقة أقل من ارتفاع الحاجز ، فهناك احتمال غير صفري بإجراء قياس ثانٍ لإيجاد البروتون في الممنوع كلاسيكيًا المنطقة لأي قيمة محدودة من ارتفاع الحاجز. الحساب ، الذي يستخدم تقريب WKB ، متقدم جدًا ويشتمل على مستوى هذه المقالة ، ولكن في النهاية يمكننا أن نجد أن المعادلة التي تعطي الاحتمال هي:

بالنسبة لحالة الانصهار النجمية لبروتينين ، نجد أن افتراض أن البروتون عند x = 0 لا يتحرك كثيرًا أثناء عملية الاصطدام ، مع إعطاء البروتون الوارد طاقة متوسطة givenK⟩ = (3/2) كيلو طن بحيث E = 1935 eV ، احتمال اختراق الحاجز هو حوالي 1.2 × 10 ^ -17. قد يبدو هذا كعدد صغير للغاية ، لكن ضع في اعتبارك أننا نتعامل مع كميات كبيرة من ذرات الهيدروجين. في حالة وقوع غرام واحد من ذرات الهيدروجين في غرام واحد من الذرات الثابتة ، فيمكن توقع حدوث 7.2 مليون حدث اندماج.

في الحالة المحددة للانصهار النجمي ، يجب أن نلاحظ أن اندماج بروتونين ليس سوى الخطوة الأولى في ما يسمى دورة البروتون. تصهر نواة الهيدروجين وتصبح حالة غير مستقرة للغاية تسمى diproton ، والتي سوف تتحلل بنصف عمر يقدر بنحو 10 ^ -22 ثانية. لتصبح نواة الديوتيريوم مستقرة (والتي سيتم دمجها بعد ذلك في الهيليوم 3 ، ثم في النهاية إلى الهيليوم - 4) ، يجب أن تتحلل إحدى البروتونات إلى نيوترون عن طريق إصدار بوزيترون وإلكترون نيوترينو. هذه العملية أكثر ترجيحًا ، لكن النجوم قادرة على إنتاج طاقة كافية لأن هناك ذرات الهيدروجين الموجودة. هذا الموقف خاص بحالة الانصهار النجمي ، علاوة على ذلك ، سيتطلب انغماسًا طويلًا في التفاعلات النووية ، لذلك لن ننفق المزيد من الوقت في هذه المقالة.

بغض النظر عن أي عملية اندماج نحاول تحفيزها ، سواء كانت ذرتان هيدروجين عاديتان ، أو ذرتان من الديوتيريوم ، الديوتيريوم والتريتيوم ، أو أي شيء آخر ، فهذه هي الطريقة الأساسية: يتم تسخين غاز الذرات حتى النقطة التي يتم فيها تسخين تعد الطاقة الحركية لحركتهم الحرارية العشوائية كبيرة بدرجة كافية لمنحهم تغييراً عالياً كافياً في الأنفاق ، وبالتالي الانصهار ، عند تصادمهم. في الانصهار النجمي ، تنتج الحرارة الناتجة عن اشتعال التفاعل أولاً عن طريق الاحتكاك والضغط عندما تنهار كل ذرات الغاز إلى الداخل عندما يتشكل النجم ، ومن هناك تنتج الحرارة المطلوبة بواسطة تفاعل السلسلة. في الانصهار الصناعي ، يجب أن نكون أكثر إبداعًا. هناك ثلاث تقنيات رئيسية يجري بحثها حاليًا. الأولى تسمى حقن الشعاع المحايد ، وتنتج هذه العملية الحرارة عن طريق إطلاق جزيئات عالية الطاقة للغاية في البلازما. والثاني يستخدم مجالات مغناطيسية سريعة التذبذب لضخ الطاقة في البلازما. ثالثًا ، التسخين الأومي ، الذي يستغل ميل الموصل (مثل البلازما) إلى التسخين عندما يمر تيار عالٍ عبره. تتمثل المشكلة الرئيسية المعلقة في معرفة كيفية إعداد التفاعل بحيث تساهم تفاعلات الاندماج نفسها في إبقاء البلازما في درجات الحرارة المطلوبة. يظل التسخين الفعال أحد الشواغل الرئيسية لبحوث الانصهار ، خاصة وأن الانصهار الصناعي ، الذي يتطلب معدل تفاعل أسرع من الانصهار النجمي ، يتطلب درجات حرارة تزيد عن 100 مليون كلفن.

أنواع المفاعلات

حتى الآن ، كانت هذه المقالة مجردة إلى حد ما ، وقد يجد البعض أن ذلك ممل إلى حد ما. لكننا الآن في وضع يسمح لنا للبدء في جعل هذا أكثر واقعية من خلال الحديث عن بعض الأنواع المختلفة من مفاعلات الاندماج التي يتم بحثها اليوم ، والتي نأمل أن تكون أكثر إثارة للاهتمام. لاحظ أنه على عكس الانصهار النجمي ، تنتج جميع المفاعلات الصناعية تقريبًا الهيليوم عن طريق دمج الديوتيريوم والتريتيوم ، إما في دورة D-D (ذرتان الديوتيريوم لإنتاج هيليوم واحد) أو دورة D-T (ذرة الديوتيريوم واحدة والتريتيوم واحدة لإنتاج الهيليوم).

و Tokamak

من المحتمل أن يكون مفاعل Tokamak أكثر التقنيات التي يتم التعرف عليها على الفور في هذا القسم. الاسم روسي وهو اختصار للكلمات الروسية الخاصة بـ "غرفة حلقية ذات ملفات مغناطيسية" ، أو بدلاً من ذلك "غرفة حلقية ذات مجال مغناطيسي محوري". يعد توكاماك ، الذي تم تطويره في الاتحاد السوفياتي السابق في الخمسينيات من القرن الماضي ، أكثر أساليب البحث والتطوير تطوراً في مفاعل الاندماج ويظل المرشح الرئيسي لإنتاج طاقة الاندماج على نطاق واسع.

يحتوي مفاعل Tokamak على حجرة حلقية (على شكل دونات). يتم إنتاج الحقول المغناطيسية بواسطة الملفات الخضراء في الشكل وبواسطة التيار الكهربائي الذي تقوم به البلازما نفسها. المجال المغناطيسي الناتج هو حلزوني ويشار إليه بالسهام الأرجواني الداكن في الشكل. لذلك يصنف على أنه مفاعل حبس مغناطيسي ، أي أنه يستخدم المجالات المغناطيسية لتسخين واحتواء البلازما.

رسم تخطيطي لتوكاماك وحقولها المغناطيسية. المصدر: CCFE

هذا هو النوع الأكثر شيوعًا من المفاعلات التجريبية ، مع حوالي ثلاثة عشرات أو نحو ذلك نشط حاليًا في العالم. عندما ينتهي ITER Tokamak في فرنسا في عام 2025 ، سيكون أكبر Tokamak في العالم.

البلازما داخل مفاعل MAST في المملكة المتحدة. المصدر: ITER.

المصارع

نمط Stellerator هو جهاز احتجاز مغناطيسي آخر يتبع نفس مبدأ التشغيل الأساسي مثل Tokamak ، ولكن مع وجود اختلاف رئيسي. من أجل احتواء البلازما ، ينتج Tokamak مجال حلزوني. وهذا يتطلب تمرير تيار كبير عبر البلازما نفسها. يؤدي هذا إلى جعل البلازما أقل استقرارًا ، مما يزيد من فرص فشل الحبس المغناطيسي ، مما يوقف التفاعل ويحتمل أن يتلف المفاعل. يتجنب Stellerator ذلك عن طريق التواء البلازما والمفاعل نفسه بدلاً من إنشاء مجال مغناطيسي ملتوي.

رسم تخطيطي للبلازما (الأصفر) وخط المجال المغناطيسي (الأخضر) في مفاعل Wendelstein 7-X المخطط له. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز

ولاحظ أنريكو فيرمي وزملاؤه هذه المشكلة الأساسية مع Tokamaks بعد فترة وجيزة من اقتراح تصميم Tokamak. ومع ذلك ، فإن تصميم مفاعل بهذه الطريقة يتطلب عمليات محاكاة وصياغة دقيقة للغاية للكمبيوتر ، بالإضافة إلى حقول مغناطيسية قوية للغاية تنتجها ملفات فائقة التوصيل مصنوعة بدقة ، وكلها لم تكن متوفرة في زمن فيرمي. لم تكن هذه التكنولوجيا متاحة حتى التسعينيات ، وبالتالي فقد تم اقتراح Stellerators على نحو خطير مؤخرًا. يعد Wendelstein 7-X في ألمانيا ، الذي تم الانتهاء منه في عام 2015 ، حاليًا أكبر Stellerator في التشغيل ومن المتوقع أن يحقق التشغيل المستمر - وهو معلم هام في أبحاث الاندماج - في عام 2021.

أول اشتعال البلازما في Wendelstein 7-X. المصدر: معهد ماكس بلانك.

محرك المباشر

هذا النهج مختلف تمامًا عن الأسلوبين اللذين ناقشناهما للتو. يصنف مفاعل الدفع المباشر كجهاز للحبس بالقصور الذاتي. في الحبس بالقصور الذاتي ، يتم تسليم كميات عالية للغاية من الطاقة إلى بيليه من الوقود الصلب ، لتسخين بيليه إلى درجة حرارة قصوى. تبخر الطبقة الخارجية من الحبيبات وتنفجر في الخارج بقوة كبيرة ، وبالتالي تدفع قوة رد الفعل إلى الخلف ، مما يخلق موجة صدمة. هذا وحدثت الهزة الارضية مسؤولة عن الطاقة والضغط المستخدمة لتسخين وحصر البلازما الناتجة. تستخدم جميع الأجهزة الحديثة تقريبًا أجهزة الليزر.

تصوير مبسط لعملية القصور الذاتي بالقصور الذاتي. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز

يمكنك أن ترى هذه العملية موضحة في المخطط. في الخطوة 1 ، تسخين الليزر الطبقة الخارجية من بيليه. في الخطوة 2 ، تبخر الطبقة الخارجية وتنتج موجة صدمة ، مما ينتج عنه قوى موجهة إلى الداخل والخارج. في الخطوة الثالثة ، تجبر موجات الصدمات الكريات على الانهيار للداخل ، مسببة الاندماج في الخطوة 4.

ويجري حاليا بحث هذا النهج في مرفق الإشعال الوطني في الولايات المتحدة.

تعرض الانصهار بالحبس بالقصور الذاتي لانتقادات من قبل البعض الذين يزعمون أنها واجهة لبحوث الأسلحة النووية التي تتنكر كأبحاث حول الطاقة. قد يكون هذا هو الحال مع بعض الجهات الفاعلة الحكومية المحددة (يتم تمويل الصندوق الوطني للإنقاذ على وجه الخصوص من قبل نفس الهيئة الحكومية التي تدير المخزونات النووية) ولكن مجال دمج الحبس بالقصور الذاتي بأكمله واسع للغاية وما زال التصنيف الدولي للأمراض مجالًا مهمًا ونشطًا البحث.

مضخمات الشعاع في NIF. تم استخدام نظام الليزر لإنتاج طاقة تصل إلى 500 تيراوات ، على الرغم من أنه لم يكن سوى لحظات صغيرة جدًا من الوقت. المصدر: ويكيميديا ​​كومنزبيليه الوقود لنظام NIF. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز

فارنسورث فوزور

كانت المشروعات التي ناقشناها حتى الآن تعهدات هائلة لا يمكن إلا أن نأمل في أن يتم إنجازها من قبل بعض من أعظم العقول في العالم ، وتعمل في مؤسسات بدعم مالي من دول قومية بأكملها. إليك تجربة يمكنك تجربتها في المنزل!

كذلك ليس تماما. ستظل بحاجة إلى أساس قوي للغاية في الفيزياء والإلكترونيات الأساسية. المشروع مناسب لشخص حاصل على درجة البكالوريوس في الفيزياء على الأقل ، ويعمل بشكل مثالي في فريق بميزانية تبلغ بضعة آلاف من الدولارات. كمقياس للمستوى الذي من المحتمل أن تكون عليه ، ليس من المعروف أن تخصص تخصصات الفيزياء لهذه المشاريع الكبرى.

fusor Farnsworth ، أو ببساطة fusor ، يختلف عن معظم أجهزة الانصهار التجريبية في ذلك الغرض منه هو عدم توليد طاقة مفيدة. الناصبون غير فعالين بشكل يائس. ومع ذلك ، لديهم بعض المنفعة كمصادر مضغوطة يمكن السيطرة عليها بسهولة من الإشعاع النيوتروني. كما أنها تجعل بعض الصور أنيق جدا.

مفاعل بناه علماء الفيزياء في جامعة ويسكونسن ماديسون. يمكن تمييز نمط

يعمل المصهرون عن طريق الحبس الإلكتروستاتيكي بالقصور الذاتي. تشبه هذه العملية الحبس بالقصور الذاتي ، ولكنها تستخدم مجالًا كهربائيًا بدلاً من موجة الضغط. وربما هو أيضا أبسط نهج لتحقيق الانصهار. الذرات المراد دمجها (تستخدم معظم التصميمات الديوتريوم لأنه غير مكلف نسبيًا) تتأين وبالتالي تصبح مشحونة يتم إنشاء حقل كهربائي بواسطة شبكتين كرويتين متحدتي المركز ومضادتين. تتدفق الذرات بواسطة الحقل إلى وسط المفاعل ، حيث تصطدم ولديها فرصة صغيرة للانصهار. يوضح المخطط التالي هذه العملية ، على الرغم من بعد واحد فقط.

مخطط مبسط من الحبس الكهربائي بالقصور الذاتي.

تقع نواة الديوتيريوم المشحونة إيجابياً في المناطق التي يوجد فيها المجال الكهربائي بحركات حرارية عشوائية. إنه تقريب معقول أن الحقل الكهربائي موجود بالكامل داخل هذه المنطقة. الحقل يسرعهم نحو المركز. إنهم يفتقدون شبكات الأنود ويدفعهم زخمهم إلى الأمام. قد تندمج النوى عندما تصطدم بالمركز.

من غير المحتمل أن يكون للهرعيين دور في إنتاج الطاقة ، ولكن نظرًا لأنهم صغار ، وغير مكلفين نسبيًا ، ولأنهم يمكن أن يبنوا ويديرهم شخص ما دون درجة الدكتوراه في فيزياء البلازما ، فإنهم مع ذلك يخضعون لبحث مكثف وهواة الأبحاث. نما مجتمع صغير ولكنه مزدهر من "Fusioneers" عبر الإنترنت ، مستمدًا من خلفية متنوعة بما في ذلك الفيزيائيين المحترفين وهواة العلوم ومعجزة الأطفال في بعض الأحيان.

الانصهار الباردة والخداع الأخرى

إذا تم تسخير الاندماج كمصدر للطاقة قابل للاستمرار ، فسيُعتبر بحق أحد أعظم الإنجازات العلمية للإنسانية ، وتنتظر الشهرة والثروات بالتأكيد العلماء والمهندسين الذين حلوا المشكلة في النهاية. من الآثار الجانبية المؤسفة لهذا الأمر أن تاريخ أبحاث الاندماج يشوبه المشروعات ذات النوايا الحسنة ولكن المبالغة في تقديرها والتي تفشل في النهاية ، والخداع ، والاحتيال المباشر ، ومنظري مؤامرة الطاقة المجانية.

وأهم هذه العوامل ما يسمى "الانصهار البارد" ، أي مفاعل الاندماج الذي يُفترض أنه ينتج طاقة صافية عند درجة حرارة الغرفة أو بالقرب منها. لقد وصفنا في وقت سابق من المقالة لماذا تكون درجات الحرارة المرتفعة ضرورية لحدوث الانصهار. لا توجد وسيلة للتغلب على هذه الحقيقة المعروفة حالياً للعلم ، بصرف النظر عن الادعاءات الكثيرة والكثيرة التي قدمها المؤيدون على مر العقود. أي ادعاءات بحدوث اندماج في درجة حرارة الغرفة أو بالقرب منها ، أو في الواقع أي درجة حرارة تقل عن 10 ملايين درجة مئوية ، يجب التعامل معها بشك شديد. الاستثناء الوحيد لذلك هو الاندماج المحفز بواسطة muon ، وهي عملية تخمينية عالية ولكنها صالحة تتضمن ردود أفعال تحدث بالقرب من الصفر المطلق.

لسوء الحظ ، هناك الكثير من هذه الأشياء التي تطفو على شبكة الإنترنت بالنسبة لي لأتمنى أن أتمكن من دحضها جميعًا. يحتوي RationalWiki على مقالتين رائعتين حول هذا الموضوع:

  • الانصهار الباردة
  • الانصهار وو

عند تقييم ادعاءات وسائل الإعلام حول أي تقنية حديثة للغاية ، من الأفضل أن تكون متفائلاً ولكنك متشكك بشكل مناسب ، وفي الوضع الحالي ، يوجد سبب وجيه للتفاؤل. ومع ذلك ، احرص دائمًا على الوقوع في فخ الضجيج الإعلامي والتفكير بالتمني ، ولا تثق أبدًا في أي شخص يحاول إقناعك بشيء يبدو جيدًا جدًا لدرجة يصعب تصديقه.

أين نذهب من هنا؟

هناك سبب وجيه للاعتقاد بأن طاقة الاندماج ممكنة ويمكن أن تكون مكونًا رئيسيًا لإمدادنا بالطاقة خلال حياتنا. لم يعد السؤال يتعلق بالجدوى الفنية والعلمية ، بل مسألة الاقتصاد والسياسة. في الولايات المتحدة ، لدينا حاليًا حكومة غير مهتمة على نحو متزايد بتمويل البحوث والتي لا تزال في خضم صناعة الوقود الأحفوري. على الساحة العالمية ، تهدد الحركات القومية والرجعية تقدم الجهود الدولية للتعاون وتطوير تكنولوجيا جديدة ومستدامة. بالنسبة لشركات الطاقة التي تحفزها الأرباح ، فإن الحساب الاقتصادي البارد ببساطة لا يترك أي حافز لزعزعة الوضع التكنولوجي الراهن. إذا كنا نرغب في امتلاك قوة انصهار ، ومع تهديد تغير المناخ الذي يزداد سوءًا كل يوم ، فإننا نحتاج إلى قوة اندماج ، فسيتطلب الأمر إجراءً سياسيًا.

هناك سبب لتكون متفائلا. التطورات التي حدثت في الاتحاد الأوروبي أوجدت الانصهار النووي من عالم المضاربة وقوة الاندماج أصبحت الآن على المدى القريب. حركت حركة تقدمية شابة وحيوية وهي الآن تفوز بالانتخابات وتهيج بقوة للتقدم العلمي والبيئي. بدأت صناعة الوقود الأحفوري في النهاية في فقدان قبضتها على المجتمع حيث أصبحت البدائل أكثر قابلية للتطبيق وأصبحت الجغرافيا السياسية لإمدادات النفط والفحم غير مستقرة. سيكون التقدم بطيئًا وثابتًا ، لكن هناك ما يدعو إلى الاعتقاد بأن الاندماج سيشغل بيوتنا خلال حياتنا.

الملاحظات الختامية / متجول

إذا وصلت إلى هذا الحد ، فشكراً جزيلاً على القراءة. لقد أهملت هذه المدونة تمامًا مؤخرًا وأعتذر عن ذلك. على الجانب الإيجابي ، اكتشفت كيفية استخدام الحلقات في LaTeX أثناء عمل الرسومات لهذه المقالة ، والتي كانت رائعة. آمل أن أتمكن قريبًا من بدء تكريس المزيد من الاهتمام لهذا. ما زلت أقول إنني سأحاول طرح مقال واحد على الأقل كل أسبوع ، لكن الأمور عادة ما تعترض طريقه. أخطط الآن لبدء تشغيل سلسلة Essence of Quantum Mechanics الخاصة بي احتياطيًا بعد أن كان لدي بعض الأفكار الجيدة حول الأسلوب والأسلوب الذي يجب أن أستخدمه والاتجاه الذي يجب أن أتناوله.

كالمعتاد ، أتحمل المسؤولية الكاملة عن أي أخطاء حالية وأقدر أي تصحيحات.