قد يصبح الاندماج النووي في يوم من الأيام مصدرًا صالحًا للطاقة النظيفة، لكن التحديات الهندسية الكبيرة تقف في طريق ذلك

تغيرت الطريقة التي يفكر بها العلماء في الاندماج النووي إلى الأبد في عام 2022، عندما أثبتت ما أطلق عليه البعض تجربة القرن لأول مرة أن الاندماج يمكن أن يكون مصدرًا صالحًا للطاقة النظيفة.

أظهرت التجربة، التي أجريت في مختبر لورانس ليفرمور الوطني، الاشتعال: تفاعل اندماجي يولد طاقة أكثر مما تم إدخاله.

وبالإضافة إلى ذلك، فقد تميزت السنوات القليلة الماضية بمكاسب غير متوقعة تقدر بمليارات الدولارات من الاستثمارات الخاصة في هذا المجال، وخاصة في الولايات المتحدة.

ولكن يجب معالجة مجموعة كاملة من التحديات الهندسية قبل أن نتمكن من توسيع نطاق الاندماج النووي ليصبح مصدرًا آمنًا وبأسعار معقولة للطاقة النظيفة غير المحدودة تقريبًا. بمعنى آخر، إنه وقت الهندسة.

كمهندسين عملوا في العلوم الأساسية والهندسة التطبيقية في مجال الاندماج النووي لعقود من الزمن، فقد شهدنا أن الكثير من علوم وفيزياء الاندماج تصل إلى مرحلة النضج في السنوات العشر الماضية.

ولكن لجعل الاندماج مصدرًا ممكنًا للطاقة التجارية، يتعين على المهندسين الآن مواجهة مجموعة من التحديات العملية. إن قدرة الولايات المتحدة على اغتنام هذه الفرصة والظهور كزعيم عالمي في مجال الطاقة الاندماجية سوف يعتمد جزئيًا على مدى استعداد الدولة للاستثمار في حل هذه المشاكل العملية – وخاصة من خلال الشراكات بين القطاعين العام والخاص.

بناء مفاعل اندماجي

يحدث الاندماج عندما يتصادم نوعان من ذرات الهيدروجين، الديوتيريوم والتريتيوم، في ظروف قاسية. تندمج الذرتان حرفيًا في ذرة واحدة عن طريق تسخين ما يصل إلى 180 مليون درجة فهرنهايت (100 مليون درجة مئوية)، أي أكثر سخونة بعشر مرات من قلب الشمس. لتحقيق هذه التفاعلات، ستحتاج البنية التحتية للطاقة الاندماجية إلى تحمل هذه الظروف القاسية.

هناك طريقتان لتحقيق الاندماج في المختبر: اندماج الحبس بالقصور الذاتي، والذي يستخدم أشعة ليزر قوية، واندماج الحبس المغناطيسي، والذي يستخدم مغناطيسات قوية.

وفي حين استخدمت “تجربة القرن” الاندماج النووي بالقصور الذاتي، فإن الاندماج بالحبس المغناطيسي لم يثبت بعد أنه قادر على تحقيق التعادل في توليد الطاقة.

تهدف العديد من التجارب الممولة من القطاع الخاص إلى تحقيق هذا الإنجاز في وقت لاحق من هذا العقد، كما تأمل تجربة كبيرة مدعومة دوليًا في فرنسا، ITER، في تحقيق التعادل بحلول أواخر ثلاثينيات القرن الحالي. كلاهما يستخدم اندماج الحبس المغناطيسي.

التحديات التي تنتظرنا

يشترك كلا النهجين في عملية الاندماج في مجموعة من التحديات التي لن يكون التغلب عليها رخيصًا. على سبيل المثال، يحتاج الباحثون إلى تطوير مواد جديدة يمكنها تحمل درجات الحرارة القصوى وظروف الإشعاع.

تصبح مواد مفاعل الاندماج أيضًا مشعة عندما يتم قصفها بجزيئات عالية الطاقة. ويحتاج الباحثون إلى تصميم مواد جديدة يمكن أن تتحلل في غضون سنوات قليلة إلى مستويات النشاط الإشعاعي التي يمكن التخلص منها بأمان وسهولة أكبر.

ويشكل إنتاج ما يكفي من الوقود، والقيام بذلك على نحو مستدام، تحديا مهما أيضا. الديوتيريوم متوفر بكثرة ويمكن استخلاصه من الماء العادي. لكن تكثيف إنتاج التريتيوم، الذي يتم إنتاجه عادة من الليثيوم، سيكون أكثر صعوبة بكثير. سيحتاج مفاعل اندماجي واحد إلى مئات الجرامات إلى كيلوغرام واحد (2.2 رطل) من التريتيوم يوميًا لتشغيله.

في الوقت الحالي، تنتج المفاعلات النووية التقليدية التريتيوم كمنتج ثانوي للانشطار، لكنها لا تستطيع توفير ما يكفي للحفاظ على أسطول من مفاعلات الاندماج النووي.

لذا، سيحتاج المهندسون إلى تطوير القدرة على إنتاج التريتيوم داخل جهاز الاندماج نفسه. وقد يستلزم ذلك إحاطة مفاعل الاندماج بمادة تحتوي على الليثيوم، والتي سيحولها التفاعل إلى التريتيوم.

ولزيادة مستوى الاندماج بالقصور الذاتي، سيحتاج المهندسون إلى تطوير أجهزة ليزر قادرة على ضرب هدف الوقود الاندماجي بشكل متكرر، والمصنوع من الديوتيريوم والتريتيوم المتجمدين، عدة مرات في الثانية أو نحو ذلك. لكن لا يوجد ليزر قوي بما يكفي للقيام بذلك بهذا المعدل حتى الآن. وسيحتاج المهندسون أيضًا إلى تطوير أنظمة التحكم والخوارزميات التي توجه أشعة الليزر هذه بدقة متناهية نحو الهدف.

بالإضافة إلى ذلك، سيحتاج المهندسون إلى زيادة إنتاج الأهداف من حيث الحجم: من بضع مئات من الأهداف المصنوعة يدويًا كل عام بسعر مئات الآلاف من الدولارات لكل منها إلى الملايين بتكلفة بضعة دولارات فقط لكل منها.

بالنسبة للاحتواء المغناطيسي، سيحتاج المهندسون وعلماء المواد إلى تطوير طرق أكثر فعالية لتسخين البلازما والتحكم فيها والمزيد من المواد المقاومة للحرارة والإشعاع لجدران المفاعل. التكنولوجيا المستخدمة لتسخين وحصر البلازما حتى يتم دمج الذرات تحتاج إلى العمل بشكل موثوق لسنوات.

هذه بعض التحديات الكبيرة. إنها صعبة ولكن لا يمكن التغلب عليها.

مشهد التمويل الحالي

لقد زادت استثمارات الشركات الخاصة على مستوى العالم، ومن المرجح أن تظل هذه الاستثمارات عاملاً مهمًا في دفع أبحاث الاندماج إلى الأمام. وقد اجتذبت الشركات الخاصة ما يزيد على 7 مليارات دولار من الاستثمارات الخاصة في السنوات الخمس الماضية.

تعمل العديد من الشركات الناشئة على تطوير تقنيات مختلفة وتصميمات مفاعلات بهدف إضافة الاندماج إلى شبكة الطاقة في العقود القادمة. ويتمركز معظمهم في الولايات المتحدة، وبعضهم في أوروبا وآسيا.

وبينما نمت استثمارات القطاع الخاص، تواصل حكومة الولايات المتحدة لعب دور رئيسي في تطوير تكنولوجيا الاندماج حتى هذه اللحظة. ونتوقع أن يستمر في القيام بذلك في المستقبل.

وكانت وزارة الطاقة الأميركية هي التي استثمرت نحو 3 مليارات دولار لبناء مرفق الإشعال الوطني في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، حيث جرت “تجربة القرن” بعد اثني عشر عاما.

وفي عام 2023، أعلنت وزارة الطاقة عن برنامج مدته أربع سنوات بقيمة 42 مليون دولار لتطوير مراكز الاندماج لهذه التكنولوجيا. ورغم أهمية هذا التمويل، فمن المرجح ألا يكون كافيًا لحل أهم التحديات التي لا تزال قائمة أمام الولايات المتحدة لتبرز كقائد عالمي في مجال طاقة الاندماج النووي العملية.

إحدى الطرق لبناء شراكات بين الحكومة والشركات الخاصة في هذا المجال هي إنشاء علاقات مماثلة لتلك بين وكالة ناسا وSpaceX. باعتبارها أحد الشركاء التجاريين لناسا، تتلقى SpaceX تمويلًا حكوميًا وخاصًا لتطوير التكنولوجيا التي يمكن لناسا استخدامها. وكانت أول شركة خاصة ترسل رواد فضاء إلى الفضاء ومحطة الفضاء الدولية.

نحن، مثل العديد من الباحثين الآخرين، متفائلون بحذر. إن النتائج التجريبية والنظرية الجديدة والأدوات الجديدة واستثمارات القطاع الخاص كلها عوامل تضيف إلى إحساسنا المتزايد بأن تطوير طاقة الاندماج العملي لم يعد مجرد “إذا” بل “متى”.

تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: جورج ر. تينان، جامعة كاليفورنيا، سان دييغو و فرحات بيك جامعة كاليفورنيا، سان دييغو

اقرأ المزيد:

حصل جورج ر. تينان على تمويل بحثي من وزارة الطاقة الأمريكية ومكتب علوم الطاقة الاندماجية، وعمل في العديد من اللجان الاستشارية لوزارة الطاقة والوكالة الدولية للطاقة الذرية. ومن المقرر أن يعمل في المجلس الاستشاري الفني الذي سيتم إنشاؤه قريبًا لشركة XCimer Energy، وهي شركة ناشئة تعمل في مجال دمج الليزر، ولديه بعض التعاون (دون أي تمويل مرفق) مع Commonwealth Fusion Systems.

فرحات بيك يتلقى تمويلاً من وزارة الطاقة والصناعة.