تتمتع طاقة الاندماج بالقدرة على أن تكون مصدرًا فعالاً للطاقة النظيفة، حيث تولد تفاعلاتها كميات كبيرة من الطاقة بشكل لا يصدق. تهدف مفاعلات الاندماج النووي إلى إعادة إنتاج ما يحدث في قلب الشمس على الأرض، حيث تندمج العناصر الخفيفة للغاية وتطلق الطاقة في هذه العملية. يمكن للمهندسين تسخير هذه الطاقة لتسخين المياه وتوليد الكهرباء من خلال توربين بخاري، ولكن الطريق إلى الاندماج ليس واضحًا تمامًا.
يتمتع الاندماج النووي الخاضع للرقابة بالعديد من المزايا مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى لتوليد الكهرباء. أولاً، تفاعل الاندماج نفسه لا ينتج أي ثاني أكسيد الكربون. لا يوجد خطر الانصهار، ولا ينتج عن التفاعل أي نفايات مشعة طويلة العمر.
أنا مهندس نووي أقوم بدراسة المواد التي يمكن للعلماء استخدامها في مفاعلات الاندماج النووي. يحدث الاندماج في درجات حرارة عالية بشكل لا يصدق. لذا، لكي نجعل الاندماج النووي مصدرًا ممكنًا للطاقة في يوم من الأيام، يجب بناء المفاعلات بمواد يمكنها تحمل الحرارة والإشعاع الناتج عن تفاعلات الاندماج النووي.
تحديات المواد الانصهار
يمكن دمج عدة أنواع من العناصر أثناء تفاعل الاندماج. والشيء الذي يفضله معظم العلماء هو الديوتيريوم بالإضافة إلى التريتيوم. يتمتع هذان العنصران بأعلى احتمالية للاندماج عند درجات حرارة يمكن للمفاعل الحفاظ عليها. ويولد هذا التفاعل ذرة الهيليوم والنيوترون، الذي يحمل معظم الطاقة من التفاعل.
لقد نجح البشر في توليد تفاعلات اندماجية على الأرض منذ عام 1952، وبعضها حتى في مرآبهم. لكن الحيلة الآن هي جعل الأمر يستحق العناء. تحتاج إلى الحصول على طاقة أكبر من العملية مما تضعه لبدء التفاعل.
تحدث تفاعلات الاندماج في البلازما الساخنة جدًا، وهي حالة من المادة تشبه الغاز ولكنها مكونة من جزيئات مشحونة. يجب أن تظل البلازما ساخنة للغاية – أكثر من 100 مليون درجة مئوية – ومكثفة طوال مدة التفاعل.
للحفاظ على البلازما ساخنة ومكثفة وخلق تفاعل يمكن أن يستمر، تحتاج إلى مواد خاصة تشكل جدران المفاعل. أنت أيضًا بحاجة إلى مصدر وقود رخيص وموثوق.
في حين أن الديوتيريوم شائع جدًا ويتم الحصول عليه من الماء، فإن التريتيوم نادر جدًا. ومن المتوقع أن يحرق مفاعل اندماجي بقدرة 1 جيجاوات 56 كيلوجرامًا من التريتيوم سنويًا. لكن العالم لا يملك سوى نحو 25 كيلوغراما من التريتيوم المتاح تجاريا.
يحتاج الباحثون إلى إيجاد مصادر بديلة للتريتيوم قبل أن تتمكن طاقة الاندماج من الانطلاق. أحد الخيارات هو أن يقوم كل مفاعل بتوليد التريتيوم الخاص به من خلال نظام يسمى بطانية التكاثر.
تشكل بطانية التكاثر الطبقة الأولى من جدران حجرة البلازما وتحتوي على الليثيوم الذي يتفاعل مع النيوترونات المتولدة في تفاعل الاندماج لإنتاج التريتيوم. تعمل البطانية أيضًا على تحويل الطاقة التي تحملها هذه النيوترونات إلى حرارة.
تحتاج أجهزة الاندماج أيضًا إلى محول يستخرج الحرارة والرماد الناتج في التفاعل. يساعد المحول في الحفاظ على استمرارية التفاعلات لفترة أطول.
ستتعرض هذه المواد لمستويات غير مسبوقة من الحرارة وقصف الجسيمات. ولا توجد حاليًا أي مرافق تجريبية لإعادة إنتاج هذه الظروف واختبار المواد في سيناريو العالم الحقيقي. لذلك، يركز بحثي على سد هذه الفجوة باستخدام النماذج والمحاكاة الحاسوبية.
من الذرة إلى الجهاز الكامل
نعمل أنا وزملائي على إنتاج أدوات يمكنها التنبؤ بكيفية تآكل المواد الموجودة في مفاعل الاندماج، وكيف تتغير خصائصها عندما تتعرض للحرارة الشديدة والكثير من إشعاعات الجسيمات.
عندما تتعرض للإشعاع، يمكن أن تتشكل العيوب وتنمو في هذه المواد، مما يؤثر على مدى تفاعلها مع الحرارة والإجهاد. وفي المستقبل، نأمل أن تتمكن الوكالات الحكومية والشركات الخاصة من استخدام هذه الأدوات لتصميم محطات توليد الطاقة بالاندماج النووي.
يتكون نهجنا، الذي يسمى النمذجة متعددة النطاقات، من النظر إلى الفيزياء في هذه المواد عبر مقاييس زمنية وطولية مختلفة مع مجموعة من النماذج الحسابية.
نقوم أولاً بدراسة الظواهر التي تحدث في هذه المواد على المستوى الذري من خلال عمليات محاكاة دقيقة ولكنها مكلفة. على سبيل المثال، قد تقوم إحدى عمليات المحاكاة بدراسة كيفية تحرك الهيدروجين داخل المادة أثناء التشعيع.
ومن خلال عمليات المحاكاة هذه، ننظر إلى خصائص مثل الانتشارية، والتي تخبرنا بمدى انتشار الهيدروجين في جميع أنحاء المادة.
يمكننا دمج المعلومات من عمليات المحاكاة على المستوى الذري هذه في عمليات محاكاة أقل تكلفة، والتي تبحث في كيفية تفاعل المواد على نطاق أوسع. تعتبر عمليات المحاكاة واسعة النطاق هذه أقل تكلفة لأنها تصمم المواد كسلسلة متصلة بدلاً من النظر في كل ذرة على حدة.
يمكن أن تستغرق عمليات المحاكاة على المستوى الذري أسابيع لتشغيلها على حاسوب عملاق، في حين أن المحاكاة المستمرة ستستغرق بضع ساعات فقط.
تتم بعد ذلك مقارنة جميع أعمال النمذجة التي تحدث على أجهزة الكمبيوتر مع النتائج التجريبية التي تم الحصول عليها في المختبرات.
على سبيل المثال، إذا كان أحد جوانب المادة يحتوي على غاز الهيدروجين، فنحن نريد أن نعرف مقدار الهيدروجين الذي يتسرب إلى الجانب الآخر من المادة. إذا تطابق النموذج والنتائج التجريبية، يمكننا أن نثق في النموذج ونستخدمه للتنبؤ بسلوك نفس المادة في ظل الظروف التي نتوقعها في جهاز الاندماج.
إذا لم تتطابق، فإننا نعود إلى عمليات المحاكاة على المستوى الذري للتحقيق في ما فاتنا.
بالإضافة إلى ذلك، يمكننا ربط نموذج المواد واسع النطاق بنماذج البلازما. يمكن لهذه النماذج أن تخبرنا أي أجزاء مفاعل الاندماج ستكون الأكثر سخونة أو التي تحتوي على أكبر قدر من القصف بالجسيمات. ومن هناك، يمكننا تقييم المزيد من السيناريوهات.
على سبيل المثال، إذا تسرب الكثير من الهيدروجين عبر المادة أثناء تشغيل مفاعل الاندماج، فيمكننا أن نوصي بجعل المادة أكثر سمكًا في أماكن معينة، أو إضافة شيء لاحتجاز الهيدروجين.
تصميم مواد جديدة
ومع استمرار البحث عن طاقة الاندماج التجارية، سيحتاج العلماء إلى هندسة مواد أكثر مرونة. يعد مجال الاحتمالات أمرًا شاقًا، حيث يستطيع المهندسون تصنيع عناصر متعددة معًا بعدة طرق.
يمكنك الجمع بين عنصرين لإنشاء مادة جديدة، ولكن كيف تعرف النسبة الصحيحة لكل عنصر؟ وماذا لو كنت تريد تجربة مزج خمسة عناصر أو أكثر معًا؟ سوف يستغرق الأمر وقتًا طويلاً جدًا لمحاولة إجراء عمليات المحاكاة لكل هذه الاحتمالات.
ولحسن الحظ، الذكاء الاصطناعي موجود هنا للمساعدة. من خلال الجمع بين النتائج التجريبية ونتائج المحاكاة، يمكن للذكاء الاصطناعي التحليلي أن يوصي بمجموعات من المرجح أن تحتوي على الخصائص التي نبحث عنها، مثل مقاومة الحرارة والإجهاد.
الهدف هو تقليل عدد المواد التي يتعين على المهندس إنتاجها واختبارها تجريبيًا لتوفير الوقت والمال.
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: صوفي بلونديل، جامعة تينيسي
اقرأ المزيد:
صوفي بلونديل تتلقى تمويلاً من وزارة الطاقة الأمريكية.