المسافة إلى كويكبات حزام كويبر. "المخفر الحدودي" على مشارف النظام الشمسي

اليوم، تشارك العديد من البلدان في البحوث النووية الحرارية. القادة هم الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة وروسيا واليابان، في حين أن البرامج في الصين والبرازيل وكندا وكوريا تتوسع بسرعة. في البداية، ارتبطت مفاعلات الاندماج النووي في الولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد السوفييتي بتطوير الأسلحة النووية وظلت سرية حتى مؤتمر الذرة من أجل السلام الذي انعقد في جنيف عام 1958. بعد إنشاء التوكاماك السوفييتي، أصبحت أبحاث الاندماج النووي «علمًا كبيرًا» في السبعينيات. لكن تكلفة الأجهزة وتعقيدها زادت إلى الحد الذي أصبح فيه التعاون الدولي هو السبيل الوحيد للمضي قدما.

المفاعلات النووية الحرارية في العالم

منذ السبعينيات، كان الاستخدام التجاري لطاقة الاندماج يتأخر باستمرار لمدة 40 عامًا. ومع ذلك، فقد حدث الكثير في السنوات الأخيرة مما قد يسمح بتقصير هذه الفترة.

تم بناء العديد من التوكاماك، بما في ذلك الطائرة الأوروبية JET، ومفاعل MAST البريطاني، ومفاعل الاندماج التجريبي TFTR في برينستون، الولايات المتحدة الأمريكية. مشروع ITER الدولي قيد الإنشاء حاليًا في كاداراش بفرنسا. وسيكون أكبر توكاماك عندما يبدأ العمل في عام 2020. وفي عام 2030، ستقوم الصين ببناء CFETR، والذي سيتفوق على ITER. وفي الوقت نفسه، تجري الصين أبحاثًا حول توكاماك إيست التجريبي فائق التوصيل.

وهناك نوع آخر من مفاعلات الاندماج النووي، وهو المفاعلات النجمية، يحظى بشعبية كبيرة أيضًا بين الباحثين. بدأ أحد أكبرها، وهو LHD، العمل في المعهد الوطني الياباني في عام 1998. يتم استخدامه للعثور على أفضل التكوين المغناطيسي لحبس البلازما. أجرى معهد ماكس بلانك الألماني أبحاثا في مفاعل Wendelstein 7-AS في جارشينج بين عامي 1988 و2002، وحاليا في مفاعل Wendelstein 7-X، الذي استغرق بناؤه أكثر من 19 عاما. هناك مُصنِّع نجمي آخر من نوع TJII قيد التشغيل في مدريد بإسبانيا. في الولايات المتحدة، توقف مختبر برينستون (PPPL)، الذي بنى أول مفاعل اندماجي من هذا النوع في عام 1951، عن بناء NCSX في عام 2008 بسبب تجاوز التكاليف ونقص التمويل.

بالإضافة إلى ذلك، تم إحراز تقدم كبير في أبحاث الاندماج بالقصور الذاتي. تم الانتهاء من بناء مرفق الإشعال الوطني (NIF) في مختبر ليفرمور الوطني (LLNL) بتكلفة 7 مليارات دولار، بتمويل من الإدارة الوطنية للأمن النووي، في مارس 2009. وبدأت محطة الليزر ميجاجول الفرنسية (LMJ) عملياتها في أكتوبر 2014. تستخدم مفاعلات الاندماج أشعة الليزر التي توفر حوالي 2 مليون جول من الطاقة الضوئية خلال بضعة أجزاء من المليار من الثانية إلى هدف يبلغ حجمه بضعة ملليمترات لتحفيز تفاعل الاندماج النووي. المهمة الأساسية لـ NIF وLMJ هي البحث لدعم البرامج النووية العسكرية الوطنية.

ايتر

في عام 1985، اقترح الاتحاد السوفييتي بناء الجيل التالي من التوكاماك بالاشتراك مع أوروبا واليابان والولايات المتحدة. وتم تنفيذ العمل تحت رعاية الوكالة الدولية للطاقة الذرية. بين عامي 1988 و1990، تم إنشاء التصاميم الأولى للمفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي ITER، والذي يعني أيضًا "المسار" أو "الرحلة" باللغة اللاتينية، لإثبات أن الاندماج يمكن أن ينتج طاقة أكثر مما يمتصها. وشاركت كندا وكازاخستان أيضًا بوساطة الجماعة الأوروبية للطاقة الذرية وروسيا على التوالي.

وبعد ست سنوات، وافق مجلس إدارة ITER على أول تصميم شامل للمفاعل يعتمد على الفيزياء والتكنولوجيا الراسخة، بتكلفة 6 مليارات دولار. ثم انسحبت الولايات المتحدة من الكونسورتيوم، مما أجبرهم على خفض التكاليف إلى النصف وتغيير المشروع. والنتيجة هي ITER-FEAT، التي تبلغ تكلفتها 3 مليارات دولار ولكنها تحقق استجابة مستدامة ذاتيًا وتوازن إيجابي للقوى.

وفي عام 2003، انضمت الولايات المتحدة مرة أخرى إلى الكونسورتيوم، وأعلنت الصين رغبتها في المشاركة. ونتيجة لذلك، وافق الشركاء في منتصف عام 2005 على بناء ITER في كاداراش في جنوب فرنسا. وساهم الاتحاد الأوروبي وفرنسا بنصف المبلغ البالغ 12.8 مليار يورو، في حين ساهمت اليابان والصين وكوريا الجنوبية والولايات المتحدة وروسيا بنسبة 10% لكل منهما. فقد قدمت اليابان مكونات عالية التقنية، وحافظت على مرفق IFMIF بقيمة مليار يورو مصمم لاختبار المواد، وكان لها الحق في بناء مفاعل الاختبار التالي. تشمل التكلفة الإجمالية للمفاعل التجريبي الحراري التجريبي الدولي نصف التكاليف لمدة 10 سنوات من البناء والنصف الآخر لمدة 20 عامًا من التشغيل. أصبحت الهند العضو السابع في ITER في نهاية عام 2005.

ومن المقرر أن تبدأ التجارب في عام 2018 باستخدام الهيدروجين لتجنب تنشيط المغناطيس. ومن غير المتوقع استخدام بلازما D-T قبل عام 2026.

هدف ITER هو توليد 500 ميجاوات (على الأقل لمدة 400 ثانية) باستخدام أقل من 50 ميجاوات من مدخلات الطاقة دون توليد الكهرباء.

ستنتج محطة الطاقة التجريبية التي تبلغ طاقتها 2 جيجاوات إنتاجًا واسع النطاق بشكل مستمر. سيتم الانتهاء من التصميم المفاهيمي للعرض التجريبي بحلول عام 2017، على أن يبدأ البناء في عام 2024. سيتم الإطلاق في عام 2033.

طائرة

في عام 1978 بدأ الاتحاد الأوروبي (اليوراتوم والسويد وسويسرا) المشروع الأوروبي المشترك JET في المملكة المتحدة. JET هي اليوم أكبر توكاماك عاملة في العالم. ويعمل مفاعل مماثل من طراز JT-60 في المعهد الوطني للاندماج النووي في اليابان، ولكن JET هو الوحيد القادر على استخدام وقود الديوتيريوم والتريتيوم.

تم إطلاق المفاعل في عام 1983، وأصبح أول تجربة أسفرت عن اندماج نووي حراري متحكم فيه بقدرة تصل إلى 16 ميجاوات لثانية واحدة و5 ميجاوات من الطاقة المستقرة على بلازما الديوتيريوم والتريتيوم في نوفمبر 1991. تم إجراء العديد من التجارب لدراسة أنظمة التدفئة المختلفة والتقنيات الأخرى.

تتضمن التحسينات الإضافية على JET زيادة قوتها. يتم تطوير مفاعل MAST المدمج بالتعاون مع JET وهو جزء من مشروع ITER.

كيه ستار

K-STAR هو توكاماك كوري فائق التوصيل من المعهد الوطني لأبحاث الاندماج (NFRI) في دايجون، والذي أنتج أول بلازما له في منتصف عام 2008. ITER، وهو نتيجة للتعاون الدولي. يُعد مفاعل توكاماك، الذي يبلغ قطره 1.8 مترًا، أول مفاعل يستخدم مغناطيسات فائقة التوصيل من نوع Nb3Sn، وهي نفس المفاعلات المخطط لها في ITER. خلال المرحلة الأولى، التي اكتملت بحلول عام 2012، كان على K-STAR إثبات جدوى التقنيات الأساسية وتحقيق نبضات بلازما تصل إلى 20 ثانية. وفي المرحلة الثانية (2013-2017)، يتم تحديثه لدراسة النبضات الطويلة التي تصل إلى 300 ثانية في الوضع H والانتقال إلى وضع AT عالي الأداء. والهدف من المرحلة الثالثة (2018-2023) هو تحقيق إنتاجية وكفاءة عالية في وضع النبض الطويل. في المرحلة الرابعة (2023-2025) سيتم اختبار تقنيات العرض التجريبي. الجهاز غير قادر على العمل مع التريتيوم ولا يستخدم وقود D-T.

ك-ديمو

تم تطويره بالتعاون مع مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وNFRI في كوريا الجنوبية، والمقصود من K-DEMO هو أن يكون الخطوة التالية في تطوير المفاعل التجاري بعد ITER، وستكون أول محطة طاقة قادرة على توليد الطاقة إلى الشبكة الكهربائية أي مليون كيلوواط خلال أسابيع قليلة. سيكون قطره 6.65 مترًا وسيحتوي على وحدة منطقة استنساخ تم إنشاؤها كجزء من المشروع التجريبي. وتخطط وزارة التعليم والعلوم والتكنولوجيا الكورية لاستثمار حوالي تريليون وون كوري (941 مليون دولار) فيه.

شرق

أنشأ توكاماك التجريبي فائق التوصيل الصيني (EAST) في معهد الفيزياء الصيني في خفي بلازما الهيدروجين عند درجة حرارة 50 مليون درجة مئوية وحافظ عليها لمدة 102 ثانية.

TFTR

في المختبر الأمريكي PPPL، تم تشغيل مفاعل الاندماج التجريبي TFTR من عام 1982 إلى عام 1997. في ديسمبر 1993، أصبح TFTR أول توكاماك مغناطيسي يجري تجارب واسعة النطاق على بلازما الديوتيريوم والتريتيوم. وفي العام التالي، أنتج المفاعل طاقة يمكن التحكم بها، وهي 10.7 ميجاوات، وهو رقم قياسي في ذلك الوقت، وفي عام 1995 تم الوصول إلى درجة حرارة قياسية بلغت 510 مليون درجة مئوية. ومع ذلك، لم تحقق المنشأة هدف التعادل المتمثل في طاقة الاندماج، ولكنها حققت بنجاح أهداف تصميم الأجهزة، مما ساهم بشكل كبير في تطوير ITER.

LHD

كان LHD الموجود في معهد الاندماج الوطني الياباني في توكي بمحافظة جيفو أكبر نجم في العالم. تم إطلاق مفاعل الاندماج في عام 1998 وأظهر خصائص احتجاز البلازما المماثلة للمرافق الكبيرة الأخرى. تم تحقيق درجة حرارة أيون تبلغ 13.5 كيلو إلكترون فولت (حوالي 160 مليون درجة مئوية) وطاقة قدرها 1.44 ميجا جول.

ويندلستين 7-X

وبعد عام من الاختبارات، التي بدأت في أواخر عام 2015، وصلت درجات حرارة الهيليوم لفترة وجيزة إلى مليون درجة مئوية. في عام 2016، وصل مفاعل اندماج بلازما الهيدروجين باستخدام 2 ميجاوات من الطاقة إلى درجة حرارة 80 مليون درجة مئوية خلال ربع ثانية. يعد W7-X أكبر نجم في العالم ومن المخطط أن يعمل بشكل متواصل لمدة 30 دقيقة. وبلغت تكلفة المفاعل مليار يورو.

نيف

تم الانتهاء من مرفق الإشعال الوطني (NIF) في مختبر ليفرمور الوطني (LLNL) في مارس 2009. باستخدام 192 شعاع ليزر، يستطيع NIF تركيز طاقة أكبر بـ 60 مرة من أي نظام ليزر سابق.

الانصهار البارد

في مارس 1989، أعلن اثنان من الباحثين، الأمريكي ستانلي بونس والبريطاني مارتن فليشمان، أنهما أطلقا مفاعلًا بسيطًا للاندماج البارد منضدية يعمل في درجة حرارة الغرفة. تضمنت العملية التحليل الكهربائي للماء الثقيل باستخدام أقطاب البلاديوم التي تم فيها تركيز نوى الديوتيريوم بكثافة عالية. يقول الباحثون إنها أنتجت حرارة لا يمكن تفسيرها إلا من خلال العمليات النووية، وكانت هناك منتجات ثانوية للاندماج بما في ذلك الهيليوم والتريتيوم والنيوترونات. ومع ذلك، لم يتمكن المجربون الآخرون من تكرار هذه التجربة. لا يعتقد معظم المجتمع العلمي أن مفاعلات الاندماج البارد حقيقية.

التفاعلات النووية منخفضة الطاقة

بدأت الأبحاث بادعاءات "الاندماج البارد"، واستمرت الأبحاث في مجال الطاقة المنخفضة مع بعض الدعم التجريبي، ولكن لا يوجد تفسير علمي مقبول بشكل عام. على ما يبدو، يتم استخدام التفاعلات النووية الضعيفة لإنشاء النيوترونات والتقاطها (وليس قوة قوية، كما هو الحال في اندماجها). تتضمن التجارب مرور الهيدروجين أو الديوتيريوم عبر طبقة تحفيزية والتفاعل مع المعدن. أبلغ الباحثون عن إطلاق ملحوظ للطاقة. والمثال العملي الرئيسي هو تفاعل الهيدروجين مع مسحوق النيكل، مما يؤدي إلى إطلاق حرارة بكمية أكبر مما يمكن أن ينتج عن أي تفاعل كيميائي.

محطة توليد الطاقة الانصهار.

يعمل العلماء حاليًا على إنشاء محطة للطاقة النووية الحرارية، وتتمثل ميزتها في تزويد البشرية بالكهرباء لفترة غير محدودة. تعمل محطة الطاقة النووية الحرارية على أساس الاندماج النووي الحراري - وهو تفاعل تخليق نظائر الهيدروجين الثقيلة مع تكوين الهيليوم وإطلاق الطاقة. لا ينتج عن تفاعل الاندماج النووي الحراري نفايات مشعة غازية أو سائلة ولا ينتج البلوتونيوم الذي يستخدم لإنتاج الأسلحة النووية. وإذا أخذنا في الاعتبار أيضًا أن وقود المحطات النووية الحرارية سيكون نظير الهيدروجين الثقيل الديوتيريوم، والذي يتم الحصول عليه من الماء البسيط - نصف لتر من الماء يحتوي على طاقة اندماجية تعادل تلك التي يتم الحصول عليها عن طريق حرق برميل من البنزين - فإن مزايا أصبحت محطات توليد الطاقة القائمة على التفاعلات النووية الحرارية واضحة.

أثناء التفاعل النووي الحراري، يتم إطلاق الطاقة عندما تتحد الذرات الخفيفة وتتحول إلى ذرات أثقل. ولتحقيق ذلك، من الضروري تسخين الغاز إلى درجة حرارة تزيد عن 100 مليون درجة - وهي أعلى بكثير من درجة الحرارة في مركز الشمس.

ويتحول الغاز عند درجة الحرارة هذه إلى بلازما. وفي الوقت نفسه، تندمج ذرات نظائر الهيدروجين، وتتحول إلى ذرات الهيليوم والنيوترونات، وتطلق كمية كبيرة من الطاقة. إن محطة توليد الطاقة التجارية التي تعمل على هذا المبدأ سوف تستخدم طاقة النيوترونات المخففة بطبقة من المادة الكثيفة (الليثيوم).

بالمقارنة مع محطة الطاقة النووية، فإن مفاعل الاندماج سيترك وراءه نفايات مشعة أقل بكثير.

المفاعل النووي الحراري الدولي ITER

وقع المشاركون في التحالف الدولي لإنشاء أول مفاعل نووي حراري في العالم، ITER، اتفاقية في بروكسل لإطلاق التنفيذ العملي للمشروع.

ويعتزم ممثلو الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة واليابان والصين وكوريا الجنوبية وروسيا البدء في بناء المفاعل التجريبي في عام 2007 واستكماله في غضون ثماني سنوات. إذا سار كل شيء وفقًا للخطة، فمن الممكن بحلول عام 2040 بناء محطة كهرباء تجريبية تعمل وفقًا للمبدأ الجديد.

أود أن أصدق أن عصر محطات الطاقة الكهرومائية والنووية الخطرة بيئيًا سينتهي قريبًا، وسيأتي الوقت لمحطة طاقة جديدة - محطة نووية حرارية، يجري بالفعل تنفيذ مشروعها. ولكن على الرغم من أن مشروع ITER (المفاعل النووي الحراري الدولي) أصبح شبه جاهز؛ على الرغم من حقيقة أنه في أول مفاعلات نووية حرارية تجريبية تم الحصول على طاقة تتجاوز 10 ميجاوات - مستوى محطات الطاقة النووية الأولى، فإن أول محطة للطاقة النووية الحرارية لن تعمل قبل عشرين عامًا، لأن تكلفتها مرتفعة جدًا. تقدر تكلفة العمل بـ 10 مليارات يورو - وهذا هو أغلى مشروع دولي لمحطة كهرباء. ويغطي الاتحاد الأوروبي نصف تكاليف بناء المفاعل. وسيخصص المشاركون الآخرون في الكونسورتيوم 10% من التقدير.

والآن يجب التصديق على خطة بناء المفاعل، الذي سيصبح أغلى مشروع علمي مشترك على الإطلاق، من قبل برلمانيين من الدول الأعضاء في الكونسورتيوم.

وسيتم بناء المفاعل في مقاطعة بروفانس جنوب فرنسا، على مقربة من مدينة كاداراش، حيث يقع مركز الأبحاث النووية الفرنسي.

إن الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة هو الحلم الأزرق للفيزيائيين وشركات الطاقة، والذي ظلوا يعتزون به لعقود من الزمن. حبس شمس اصطناعية فكرة عظيمة. "لكن المشكلة هي أننا لا نعرف كيفية إنشاء مثل هذا الصندوق"- قال الحائز على جائزة نوبل بيير جيل دي جين عام 1991. ومع ذلك، بحلول منتصف عام 2018، سنعرف بالفعل كيف نفعل ذلك. ونحن حتى نبني. تعمل أفضل العقول في العالم على مشروع المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي ITER - التجربة الأكثر طموحًا والأكثر تكلفة في العلوم الحديثة.

وتبلغ تكلفة مثل هذا المفاعل خمسة أضعاف تكلفة مصادم الهادرونات الكبير. ويعمل مئات العلماء حول العالم على المشروع. ويمكن أن يتجاوز تمويله بسهولة 19 مليار يورو، ولن يتم إطلاق البلازما الأولى في المفاعل إلا في ديسمبر 2025. وعلى الرغم من التأخير المستمر، والصعوبات التكنولوجية، وعدم كفاية التمويل من البلدان المشاركة الفردية، يجري بناء أكبر "آلة الحركة الدائمة" النووية الحرارية في العالم. لديها مزايا أكثر بكثير من العيوب. أي منها؟ نبدأ القصة حول مشروع البناء العلمي الأكثر طموحًا في عصرنا بالنظرية.

ما هو توكاماك؟

تحت تأثير درجات الحرارة الهائلة والجاذبية، يحدث الاندماج النووي الحراري في أعماق شمسنا والنجوم الأخرى. تتصادم نواة الهيدروجين لتشكل ذرات هيليوم أثقل، وفي الوقت نفسه تنطلق النيوترونات وكميات هائلة من الطاقة.

توصل العلم الحديث إلى نتيجة مفادها أنه عند أدنى درجة حرارة أولية، يتم إنتاج أكبر كمية من الطاقة عن طريق التفاعل بين نظائر الهيدروجين - الديوتيريوم والتريتيوم. ولكن هناك ثلاثة شروط مهمة لذلك: ارتفاع درجة الحرارة (حوالي 150 مليون درجة مئوية)، وارتفاع كثافة البلازما، وارتفاع وقت الاحتفاظ بالبلازما.

الحقيقة هي أننا لن نكون قادرين على خلق مثل هذه الكثافة الهائلة مثل كثافة الشمس. كل ما تبقى هو تسخين الغاز إلى حالة البلازما باستخدام درجات حرارة عالية جدًا. لكن لا توجد مادة يمكنها تحمل التلامس مع مثل هذه البلازما الساخنة. للقيام بذلك، اقترح الأكاديمي أندريه ساخاروف (بناءً على اقتراح أوليغ لافرينتييف) في الخمسينيات من القرن الماضي استخدام غرف حلقية (على شكل كعكة مجوفة) ذات مجال مغناطيسي من شأنه أن يحمل البلازما. في وقت لاحق تمت صياغة المصطلح - توكاماك.

تعمل محطات الطاقة الحديثة، التي تحرق الوقود الأحفوري، على تحويل الطاقة الميكانيكية (دوران التوربينات، على سبيل المثال) إلى كهرباء. سوف يستخدم توكاماك طاقة الاندماج، التي تمتصها جدران الجهاز على شكل حرارة، لتسخين وإنتاج البخار، الذي سيعمل على تدوير التوربينات.

أول توكاماك في العالم. السوفياتي T-1. 1954

تم بناء توكاماك تجريبية صغيرة في جميع أنحاء العالم. وقد أثبتوا بنجاح أن الإنسان يستطيع إنتاج بلازما ذات درجة حرارة عالية وإبقائها في حالة مستقرة لبعض الوقت. لكن التصاميم الصناعية لا تزال بعيدة المنال.

تركيب T-15. الثمانينيات

مزايا وعيوب مفاعلات الاندماج

تعمل المفاعلات النووية النموذجية بعشرات الأطنان من الوقود المشع (الذي يتحول في النهاية إلى عشرات الأطنان من النفايات المشعة)، في حين أن مفاعل الاندماج لا يتطلب سوى مئات الجرامات من التريتيوم والديوتيريوم. يمكن إنتاج الأول في المفاعل نفسه: ستؤثر النيوترونات المنبعثة أثناء التوليف على جدران المفاعل بشوائب الليثيوم التي يظهر منها التريتيوم. سوف تستمر احتياطيات الليثيوم لآلاف السنين. لن يكون هناك أيضًا نقص في الديوتيريوم - حيث يتم إنتاجه في العالم بعشرات الآلاف من الأطنان سنويًا.

لا ينتج مفاعل الاندماج انبعاثات غازات الدفيئة، وهو أمر نموذجي للوقود الأحفوري. والمنتج الثانوي على شكل الهليوم -4 هو غاز خامل غير ضار.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن المفاعلات النووية الحرارية آمنة. في أي كارثة، سيتوقف التفاعل النووي الحراري ببساطة دون أي عواقب وخيمة على البيئة أو الموظفين، لأنه لن يكون هناك ما يدعم تفاعل الاندماج: فهو يحتاج إلى ظروف دفيئة للغاية.

ومع ذلك، فإن المفاعلات النووية الحرارية لها أيضًا عيوب. بادئ ذي بدء، هذه هي الصعوبة المبتذلة لبدء رد فعل مستدام ذاتي. إنها تحتاج إلى فراغ عميق. تتطلب أنظمة الحبس المغناطيسي المعقدة ملفات مغناطيسية ضخمة فائقة التوصيل.

ولا تنسى الإشعاع. على الرغم من بعض الصور النمطية حول عدم ضرر المفاعلات النووية الحرارية، إلا أنه لا يمكن إلغاء قصف محيطها بالنيوترونات المنتجة أثناء الاندماج. وينتج عن هذا القصف إشعاع. ولذلك يجب أن تتم صيانة المفاعل عن بعد. وبالنظر إلى المستقبل، لنفترض أنه بعد الإطلاق، ستقوم الروبوتات بصيانة ITER tokamak مباشرة.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون التريتيوم المشع خطيرًا إذا دخل الجسم. صحيح أنه سيكون كافيًا الاهتمام بتخزينه المناسب وإنشاء حواجز أمان على طول جميع الطرق الممكنة لتوزيعه في حالة وقوع حادث. وبالإضافة إلى ذلك، فإن عمر النصف للتريتيوم هو 12 سنة.

عند وضع الحد الأدنى الضروري من الأساس للنظرية، يمكنك الانتقال إلى بطل المقال.

المشروع الأكثر طموحا في عصرنا

في عام 1985، انعقد أول اجتماع شخصي لرؤساء اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والولايات المتحدة الأمريكية منذ سنوات عديدة في جنيف. قبل ذلك، كانت الحرب الباردة قد وصلت إلى ذروتها: قاطعت القوى العظمى الألعاب الأولمبية، وقامت ببناء إمكاناتها النووية ولم تكن تنوي الدخول في أي مفاوضات. وتتميز هذه القمة بين البلدين على أرض محايدة بظرف مهم آخر. وخلال ذلك، اقترح الأمين العام للجنة المركزية للحزب الشيوعي ميخائيل غورباتشوف تنفيذ مشروع دولي مشترك لتطوير الطاقة النووية الحرارية للأغراض السلمية.

يصلون إلى فرنسا عن طريق البحر، ومن الميناء إلى موقع البناء يتم تسليمهم عبر طريق تم تحويله خصيصًا من قبل الحكومة الفرنسية. أنفقت البلاد 110 مليون يورو و4 سنوات من العمل على مسار ITER البالغ طوله 104 كيلومترات. تم توسيع الطريق وتعزيزه. والحقيقة هي أنه بحلول عام 2021، ستمر عبره 250 قافلة تحمل بضائع ضخمة. أثقل الأجزاء تصل إلى 900 طن، والأعلى - 10 أمتار، والأطول - 33 مترا.

لم يتم تشغيل ITER بعد. ومع ذلك، يوجد بالفعل مشروع لمحطة DEMO لتوليد الطاقة بالاندماج النووي، والغرض منه هو إظهار جاذبية الاستخدام التجاري لهذه التكنولوجيا. سيتعين على هذا المجمع أن يولد بشكل مستمر (وليس نبضيًا، مثل ITER) 2 جيجاوات من الطاقة.

ويعتمد توقيت المشروع العالمي الجديد على نجاح ITER، ولكن وفقًا لخطة 2012، فإن الإطلاق الأول لـ DEMO لن يحدث قبل عام 2044.

ITER - المفاعل النووي الحراري الدولي (ITER)

يتزايد استهلاك الطاقة البشرية كل عام، مما يدفع قطاع الطاقة نحو التنمية النشطة. وهكذا، مع ظهور محطات الطاقة النووية، زادت كمية الطاقة المولدة حول العالم بشكل كبير، مما جعل من الممكن استخدام الطاقة بشكل آمن لجميع احتياجات البشرية. على سبيل المثال، 72.3٪ من الكهرباء المولدة في فرنسا تأتي من محطات الطاقة النووية، في أوكرانيا - 52.3٪، في السويد - 40.0٪، في المملكة المتحدة - 20.4٪، في روسيا - 17.1٪. ومع ذلك، فإن التكنولوجيا لا تقف ساكنة، ومن أجل تلبية احتياجات الطاقة الإضافية للبلدان المستقبلية، يعمل العلماء على عدد من المشاريع المبتكرة، أحدها هو ITER (المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي).

على الرغم من أن ربحية هذا التثبيت لا تزال موضع شك، وفقًا لعمل العديد من الباحثين، فإن إنشاء تكنولوجيا الاندماج النووي الحراري الخاضعة للرقابة وتطويرها لاحقًا يمكن أن يؤدي إلى مصدر قوي وآمن للطاقة. دعونا نلقي نظرة على بعض الجوانب الإيجابية لهذا التثبيت:

• الوقود الرئيسي للمفاعل النووي الحراري هو الهيدروجين، وهو ما يعني احتياطيات لا تنضب عمليا من الوقود النووي.
• يمكن إنتاج الهيدروجين عن طريق معالجة مياه البحر، وهو متوفر في معظم البلدان. ويترتب على ذلك أنه لا يمكن أن ينشأ احتكار لموارد الوقود.
• احتمال حدوث انفجار طارئ أثناء تشغيل مفاعل نووي حراري أقل بكثير منه أثناء تشغيل مفاعل نووي. ووفقا للباحثين، حتى في حالة وقوع حادث، فإن الانبعاثات الإشعاعية لن تشكل خطرا على السكان، مما يعني عدم وجود حاجة للإخلاء.
• على عكس المفاعلات النووية، تنتج مفاعلات الاندماج نفايات مشعة ذات نصف عمر قصير، مما يعني أنها تتحلل بشكل أسرع. كما لا توجد منتجات احتراق في المفاعلات النووية الحرارية.
• ولا يحتاج مفاعل الاندماج إلى مواد تستخدم أيضًا في صنع الأسلحة النووية. وهذا يلغي إمكانية التستر على إنتاج الأسلحة النووية عن طريق معالجة المواد اللازمة لاحتياجات المفاعل النووي.

مفاعل نووي حراري – منظر داخلي

ومع ذلك، هناك أيضًا عدد من أوجه القصور التقنية التي يواجهها الباحثون باستمرار.

على سبيل المثال، النسخة الحالية من الوقود، المقدمة في شكل خليط من الديوتيريوم والتريتيوم، تتطلب تطوير تقنيات جديدة. على سبيل المثال، في نهاية السلسلة الأولى من الاختبارات في مفاعل JET النووي الحراري، وهو الأكبر حتى الآن، أصبح المفاعل مشعًا للغاية لدرجة أنه كان من الضروري تطوير نظام صيانة آلي خاص لإكمال التجربة. هناك عامل مخيب للآمال آخر في تشغيل المفاعل النووي الحراري وهو كفاءته - 20٪، في حين أن كفاءة محطة الطاقة النووية 33-34٪، ومحطة الطاقة الحرارية 40٪.

إنشاء مشروع ITER وإطلاق المفاعل

يعود تاريخ مشروع ITER إلى عام 1985، عندما اقترح الاتحاد السوفييتي الإنشاء المشترك للتوكاماك - وهي غرفة حلقية تحتوي على ملفات مغناطيسية يمكنها حمل البلازما باستخدام المغناطيس، وبالتالي خلق الظروف اللازمة لحدوث تفاعل اندماج نووي حراري. وفي عام 1992، تم التوقيع على اتفاقية رباعية بشأن تطوير ITER، وكانت الأطراف فيها هي الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة الأمريكية وروسيا واليابان. في عام 1994، انضمت جمهورية كازاخستان إلى المشروع، في عام 2001 - كندا، في عام 2003 - كوريا الجنوبية والصين، في عام 2005 - الهند. وفي عام 2005، تم تحديد موقع بناء المفاعل - مركز أبحاث الطاقة النووية كاداراش، فرنسا.

بدأ بناء المفاعل بإعداد حفرة للأساس. فكانت أبعاد الحفرة 130 × 90 × 17 مترًا. سوف يزن مجمع توكاماك بأكمله 360 ألف طن، منها 23 ألف طن توكاماك نفسه.

سيتم تطوير عناصر مختلفة من مجمع ITER وتسليمها إلى موقع البناء من جميع أنحاء العالم. لذلك، في عام 2016، تم تطوير جزء من الموصلات للملفات البولويدية في روسيا، والتي تم إرسالها بعد ذلك إلى الصين، والتي ستنتج الملفات بنفسها.

من الواضح أن مثل هذا العمل واسع النطاق ليس من السهل تنظيمه على الإطلاق؛ فقد فشل عدد من البلدان مرارًا وتكرارًا في مواكبة الجدول الزمني للمشروع، ونتيجة لذلك تم تأجيل إطلاق المفاعل باستمرار. لذلك، وفقًا لرسالة يونيو من العام الماضي (2016): "من المقرر استلام البلازما الأولى في ديسمبر 2025".

آلية تشغيل ITER توكاماك

يأتي مصطلح "توكاماك" من اختصار روسي يعني "غرفة حلقية ذات ملفات مغناطيسية".

قلب التوكاماك هو حجرة مفرغة على شكل طارة. في الداخل، تحت درجة حرارة وضغط شديدين، يتحول غاز وقود الهيدروجين إلى بلازما، وهو غاز ساخن مشحون كهربائيًا. كما هو معروف، يتم تمثيل المادة النجمية بالبلازما، وتحدث التفاعلات النووية الحرارية في قلب الشمس على وجه التحديد في ظل ظروف ارتفاع درجة الحرارة والضغط. يتم إنشاء ظروف مماثلة لتكوين البلازما والاحتفاظ بها وضغطها وتسخينها عن طريق ملفات مغناطيسية ضخمة تقع حول وعاء مفرغ. سيحد تأثير المغناطيس من البلازما الساخنة من جدران الوعاء.

قبل بدء العملية، تتم إزالة الهواء والشوائب من غرفة التفريغ. يتم بعد ذلك شحن الأنظمة المغناطيسية التي تساعد في التحكم في البلازما ويتم إدخال الوقود الغازي. عندما يتم تمرير تيار كهربائي قوي عبر الوعاء، ينقسم الغاز كهربائيًا ويتأين (أي تترك الإلكترونات الذرات) ويشكل البلازما.

عندما يتم تنشيط جزيئات البلازما وتصادمها، فإنها تبدأ أيضًا في التسخين. تساعد تقنيات التسخين المساعدة على رفع البلازما إلى درجات حرارة تتراوح بين 150 و300 مليون درجة مئوية، ويمكن للجسيمات "المثارة" إلى هذه الدرجة التغلب على تنافرها الكهرومغناطيسي الطبيعي عند الاصطدام، حيث تطلق مثل هذه الاصطدامات كميات هائلة من الطاقة.

يتكون تصميم التوكاماك من العناصر التالية:

وعاء فراغ

("الدونات") عبارة عن غرفة حلقية مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. قطرها الكبير 19 م، والصغيرة 6 م، وارتفاعها 11 م، وحجم الحجرة 1400 م3، ووزنها أكثر من 5000 طن، وجدران الوعاء المفرغ مزدوجة؛ سوف يدور المبرد بين الجدران، وهو الماء المقطر. لتجنب تلوث المياه، يتم حماية الجدار الداخلي للغرفة من الإشعاع الإشعاعي باستخدام بطانية.

بطانية

("البطانية") - تتكون من 440 قطعة تغطي السطح الداخلي للغرفة. المساحة الإجمالية للحفلات 700 م2. كل قطعة هي عبارة عن نوع من الكاسيت، جسمها مصنوع من النحاس، والجدار الأمامي قابل للإزالة ومصنوع من البريليوم. تبلغ أبعاد أشرطة الكاسيت 1x1.5 م، والكتلة لا تزيد عن 4.6 طن، حيث تعمل أشرطة البريليوم هذه على إبطاء النيوترونات عالية الطاقة التي تتشكل أثناء التفاعل. أثناء اعتدال النيوترونات، سيتم إطلاق الحرارة وإزالتها بواسطة نظام التبريد. تجدر الإشارة إلى أن غبار البريليوم المتكون نتيجة تشغيل المفاعل يمكن أن يسبب مرضا خطيرا يسمى البريليوم وله أيضا تأثير مسرطن. ولهذا السبب، يجري تطوير إجراءات أمنية مشددة في المجمع.

توكاماك في القسم. أصفر - ملف لولبي، برتقالي - مجال حلقي (TF) ومغناطيس مجال بولويدال (PF)، أزرق - بطانية، أزرق فاتح - VV - وعاء مفرغ، أرجواني - محول

("منفضة السجائر") من النوع البولويدي هو جهاز مهمته الرئيسية هي "تطهير" البلازما من الأوساخ الناتجة عن تسخين وتفاعل جدران الغرفة المغطاة بالبطانية معها. عندما تدخل هذه الملوثات إلى البلازما، فإنها تبدأ في الإشعاع بكثافة، مما يؤدي إلى فقدان إشعاع إضافي. يقع في الجزء السفلي من التوكوماك ويستخدم المغناطيس لتوجيه الطبقات العليا من البلازما (وهي الأكثر تلوثًا) إلى غرفة التبريد. وهنا تبرد البلازما وتتحول إلى غاز، وبعد ذلك يتم ضخها مرة أخرى إلى خارج الغرفة. غبار البريليوم، بعد دخول الغرفة، غير قادر عمليا على العودة إلى البلازما. وبالتالي، يبقى تلوث البلازما على السطح فقط ولا يتغلغل بشكل أعمق.

ناظم البرد

- أكبر مكون في التوكوماك، وهو عبارة عن غلاف من الفولاذ المقاوم للصدأ يبلغ حجمه 16000 م 2 (29.3 × 28.6 م) وكتلة 3850 طنًا، وسيتم وضع عناصر أخرى من النظام داخل ناظم البرد، وهو يخدم نفسه كحاجز بين التوكاماك والبيئة الخارجية. على جدرانه الداخلية ستكون هناك شاشات حرارية يتم تبريدها عن طريق تدوير النيتروجين عند درجة حرارة 80 كلفن (-193.15 درجة مئوية).

النظام المغناطيسي

– مجموعة من العناصر التي تعمل على احتواء البلازما والتحكم بها داخل وعاء مفرغ. وهي عبارة عن مجموعة من 48 عنصرًا:

• توجد ملفات المجال الحلقية خارج غرفة التفريغ وداخل ناظم البرد. تم تقديمها في 18 قطعة، قياس كل منها 15 × 9 م ووزنها حوالي 300 طن، وتولد هذه الملفات معًا مجالًا مغناطيسيًا بقوة 11.8 تسلا حول طارة البلازما وتخزن طاقة تبلغ 41 جيجا جول.
• ملفات المجال البولويدال - تقع أعلى ملفات المجال الحلقية وداخل ناظم البرد. هذه الملفات مسؤولة عن توليد مجال مغناطيسي يفصل كتلة البلازما عن جدران الغرفة ويضغط البلازما من أجل التسخين الأديباتي. عدد هذه الملفات هو 6. اثنان منها يبلغ قطرهما 24 مترًا وكتلة 400 طن، والأربعة المتبقية أصغر إلى حد ما.
• يقع الملف اللولبي المركزي في الجزء الداخلي من الغرفة الحلقية، أو بالأحرى في "فتحة الدونات". مبدأ تشغيله يشبه المحول، والمهمة الرئيسية هي إثارة تيار حثي في ​​البلازما.
• توجد ملفات التصحيح داخل وعاء التفريغ، بين البطانية وجدار الغرفة. وتتمثل مهمتهم في الحفاظ على شكل البلازما، القادرة على "الانتفاخ" محليًا وحتى لمس جدران الوعاء. يسمح لك بتقليل مستوى تفاعل جدران الغرفة مع البلازما، وبالتالي مستوى تلوثها، كما يقلل أيضًا من تآكل الغرفة نفسها.

هيكل مجمع ITER

إن تصميم التوكاماك الموصوف أعلاه "باختصار" عبارة عن آلية مبتكرة معقدة للغاية تم تجميعها من خلال جهود العديد من البلدان. ومع ذلك، لتشغيله الكامل، هناك حاجة إلى مجمع كامل من المباني الواقعة بالقرب من توكاماك. فيما بينها:

• نظام التحكم والوصول إلى البيانات والاتصالات – CODAC. تقع في عدد من مباني مجمع ITER.
• تخزين الوقود ونظام الوقود - يعمل على توصيل الوقود إلى توكاماك.
• نظام الفراغ - يتكون من أكثر من أربعمائة مضخة فراغ، وتتمثل مهمتها في ضخ منتجات التفاعل النووي الحراري، فضلا عن الملوثات المختلفة من غرفة الفراغ.
• النظام المبرد – ممثل بدائرة النيتروجين والهيليوم. ستعمل دائرة الهيليوم على تطبيع درجة الحرارة في التوكاماك، والتي لا يحدث عملها (وبالتالي درجة الحرارة) بشكل مستمر، ولكن على شكل نبضات. ستقوم دائرة النيتروجين بتبريد الدروع الحرارية لمنظم البرد ودائرة الهيليوم نفسها. سيكون هناك أيضًا نظام تبريد مائي يهدف إلى خفض درجة حرارة الجدران البطانية.
• مزود الطاقة. سيتطلب التوكاماك ما يقرب من 110 ميجاوات من الطاقة للعمل بشكل مستمر. ولتحقيق ذلك سيتم تركيب خطوط كهرباء بطول كيلومتر واحد وربطها بالشبكة الصناعية الفرنسية. ومن الجدير بالذكر أن المنشأة التجريبية ITER لا توفر إنتاج الطاقة، ولكنها تعمل فقط في المصالح العلمية.

تمويل ITER

يعد المفاعل النووي الحراري الدولي ITER مشروعًا مكلفًا إلى حد ما، حيث قدرت في البداية بمبلغ 12 مليار دولار، حيث تمثل روسيا والولايات المتحدة وكوريا والصين والهند 1/11 من المبلغ، واليابان 2/11، والاتحاد الأوروبي 4. /11 . وزاد هذا المبلغ لاحقا إلى 15 مليار دولار. يشار إلى أن التمويل يتم من خلال توريد المعدات اللازمة للمجمع الذي يتم تطويره في كل دولة. وهكذا، توفر روسيا البطانيات وأجهزة تسخين البلازما والمغناطيس فائق التوصيل.

منظور المشروع

في الوقت الحالي، يجري بناء مجمع ITER وإنتاج جميع المكونات المطلوبة لـ Tokamak. بعد الإطلاق المخطط لـ توكاماك في عام 2025، ستبدأ سلسلة من التجارب، بناءً على نتائجها، وسيتم ملاحظة الجوانب التي تتطلب التحسين. بعد التشغيل الناجح لـ ITER، من المخطط بناء محطة طاقة تعتمد على الاندماج النووي الحراري تسمى DEMO (محطة توليد الطاقة التجريبية). هدف DEMo هو إظهار ما يسمى بـ "الجاذبية التجارية" لقوة الاندماج. إذا كان ITER قادرًا على توليد 500 ميجاوات فقط من الطاقة، فإن العرض التجريبي سيسمح بالتوليد المستمر لـ 2 جيجاوات من الطاقة.

ومع ذلك، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن المنشأة التجريبية ITER لن تنتج الطاقة، والغرض منها هو الحصول على فوائد علمية بحتة. وكما تعلم، فإن هذه التجربة الفيزيائية أو تلك لا يمكنها تلبية التوقعات فحسب، بل يمكنها أيضًا تقديم معرفة وخبرة جديدة للبشرية.