الانصهار بسيط. تندمج نواتان خفيفتان لتكوين نواة أكبر ، وتطلق الطاقة. إنه ما يمد النجوم بالطاقة ، لكن بناء مفاعل اندماج يمكنه توصيل الطاقة بطريقة يمكن التحكم فيها ليس بالأمر السهل. يحتاج الاندماج إلى درجات حرارة عالية وضغوط عالية ووقت حبس لائق. ومع ذلك ، فقد أدت هذه المطالب إلى ظهور بعض الأساليب المدهشة لجعل قوة الاندماج حقيقة واقعة.
المشكلة هي أن لا أحد يعرف حقًا أيهما سيعمل بشكل أفضل. ما هو أكثر من ذلك ، بمجرد تحقيق الاندماج ، تحتاج إلى توليد طاقة أكثر مما تضعه ، بحيث تكون النسبة Q > 1. ولكن حتى الآن لم يتم تحقيق نتيجة "نقطة التعادل" بواسطة مفاعل الاندماج هنا على الأرض. في الواقع ، ما تريده حقًا هو ملف Q بين 5 و 10 بحيث ينتج مفاعلك قدرًا مفيدًا من الطاقة.
يتمتع الانصهار بزاوية تجارية متزايدة أيضًا مع 35 شركة اندماج حول العالم.
النهج المتبع في مفاعل الاندماج ITER، الذي يتم بناؤه حاليًا من قبل اتحاد دولي ضخم في جنوب فرنسا ، هو حصر بلازما ساخنة بمغناطيسات كبيرة فائقة التوصيل في توكاماك على شكل دونات. من المقرر أن يبدأ العمل على الإنترنت في عام 2025 ، وسوف يوجه ITER الطريق إلى مفاعل اندماج تجاري يسمى DEMO ، والذي سيتم بناؤه بحلول عام 2060. لقد زرت هذا المفاعل في عام 2019 ، ومن المذهل حقًا رؤية ITER.
لكنها ليست اللعبة الوحيدة في المدينة. العام الماضي، توكاماك التجريبية المتقدمة فائقة التوصيل للصين حقق درجة حرارة 120 مليون كلفن لمدة 101 ثانية. حطم ذلك الرقم القياسي السابق البالغ 100 مليون كلفن الذي سجله لمدة 20 ثانية مفاعل KSTAR في كوريا الجنوبية في عام 2020. هناك أيضًا الحلقة الأوروبية المشتركة (JET) في أوكسفوردشاير ، المملكة المتحدة - سابقة ITER - والتي لا تزال تحمل الرقم القياسي لأعلى Q من أي وقت مضى (يجب أن Q = 0.67 في عام 1997). قامت JET للتو بإجراء الاختبارات التي أنتجت أكثر من 59 ميجا جول من الطاقة خلال خمس ثوان ، أي أكثر من ضعف الإنتاج الذي تم تحقيقه في عام 1997.
جهد صناعي
الاندماج له زاوية تجارية متزايدة أيضًا. وفق صناعة الاندماج العالمية في عام 2021 في التقرير ، هناك الآن 35 شركة اندماج في جميع أنحاء العالم ، والتي تلقت معًا أكثر من 1.8 مليار دولار من التمويل منذ التسعينيات. أكبر أربعة لاعبين - أنظمة دمج الكومنولث (CFS) ، الانصهار العام, تقنيات TAE و توكاماك إنرجي - تمثل 85٪ من تلك النقود.
وجد التقرير أن معظم شركات الاندماج الخاصة تتوقع أن تقوم طاقة الاندماج بتزويد الشبكة بالكهرباء في ثلاثينيات القرن الحالي. إذا نجحت جهودهم ، فإن ذلك سيضعهم في مرتبة متقدمة على ITER ، التي جمدت تصميمها إلى حد كبير في حوالي عام 2030 ولم تكن قادرة على استغلال التطورات الهائلة الأخيرة في المغناطيسات فائقة التوصيل عالية الحرارة (HTS). في الواقع ، منذ صدور التقرير ، ارتفع الاستثمار في شركات الاندماج الخاصة.
CFS - التي انبثقت عن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في 2018 - العام الماضي أظهر بنجاح مغناطيس 20 T HTS. تشير عمليات المحاكاة إلى أن هذا المغناطيس يمكن أن يكون قويًا بما يكفي للسماح لمفاعل SPARC Tokamak التابع للشركة بتحقيق صافي الطاقة من الاندماج. منذ ذلك الحين ، جمعت شركة CFS 1.8 مليار دولار لبناء المفاعل ، الأمر الذي سيمهد الطريق له ARC - أول محطة طاقة اندماجية قابلة للتطبيق تجاريًا. يمكن أن يبدأ التطوير في عام 2025.
أما بالنسبة لل توكاماك إنرجي، وصل مفاعل توكاماك الكروي ST40 التابع للشركة البريطانية مع مغناطيس HTS إلى 15 مليون كلفن في عام 2018. وتستهدف الشركة ، التي تلقت تمويلها الأخير البالغ 67 مليون جنيه إسترليني في يناير 2020 ، الآن 100 مليون كلفن بلازما من مفاعلها المطور ST40. أتساءل عما إذا كان عام 2022 يمكن أن يكون أيضًا عامًا اختراقًا كبيرًا للشركة؟
في غضون ذلك ، أعلنت حكومة المملكة المتحدة العام الماضي عن قائمة مختصرة لمواقع نموذج أولي لمصنع اندماج معروف باسم توكاماك كروية لإنتاج الطاقة، أو STEP. استنادًا إلى التكنولوجيا التي ابتكرها مركز كولهام للطاقة الاندماجية التابع لهيئة الطاقة الذرية بالمملكة المتحدة ، يمكن أن يتم تشغيل STEP بحلول عام 2040. ومن المقرر تحديد الموقع النهائي هذا العام.
CCFE ، حيث تقع JET ، لديها أيضًا تم اختياره من قبل General Fusion كموقع لمصنع مظاهرة الاندماج. يستخدم سترة سائلة دوارة لحمل البلازما ، والتي يتم ضغطها بسرعة في كرة باستخدام مكابس قوية. يتم امتصاص مصاهر الوقود والحرارة الناتجة عن طريق المعدن السائل واستخدامهما لتشغيل المولد. بعد أن أعلنت في نوفمبر الماضي عن استثمار إضافي بقيمة 130 مليون دولار ، تأمل الشركة في بدء العمل هذا العام في المفاعل ، والذي قد يكون جاهزًا بحلول عام 2025.
لاعب آخر في السوق هو أول ضوء فيوجن، والتي جمعت 25 مليون دولار في عام 2020 ، وفي مايو الماضي قامت بتثبيت ملف "مدفع غاز فائق السرعة" على "الجهاز 3". إنها تطلق قذيفة على هدف وقود ، مع موجات الصدمة الناتجة التي تضغط على الوقود لدرجة أنه يصبح ساخنًا بدرجة كافية للانصهار. يمكن أن يكون متوسط التكلفة الصافية لتوليد الكهرباء على مدى عمر المحطة أقل من 25 دولارًا / ميجاوات في الساعة - أي ما يقرب من نصف تكلفة محطة الرياح البرية.
العديد من الأساليب تبدو أكثر وأكثر مصداقية مع كل معلم تقني تحقق.
ثم هناك الهيليوم، وهي شركة أمريكية أعلنت العام الماضي عن أكبر عملية جمع تبرعات في تاريخ الاندماج الخاص. وحصلت على حزمة تمويل بقيمة 2.2 مليار دولار لبناء مفاعل الاندماج النووي من الجيل السابع بولاريس باستخدام وقود الديوتيريوم والهيليوم -3 لإنتاج الكهرباء مباشرة. من المتوقع أن تكون مفاعلات هيليون بحجم حاوية شحن ويمكن أن تنتج حوالي 50 ميغاواط ، مع تشغيل المصانع بحلول عام 2024.
السباق مستمر
إن فهم كل هذه الإنجازات - ومعرفة من سيفوز بالسباق - ليس بالأمر السهل لأن كل مفاعل مختلف ويواجه صعوبات فنية خاصة به. ومع ذلك ، فإن أحد التحديات الشائعة هو "دورة الوقت" بين كل خطوة من خطوات التوسع حيث أن هذا سيحدد في النهاية السرعة التي تصل بها محطة الطاقة إلى السوق. من الواضح بالنسبة لي ، مع ذلك ، أن العديد من الأساليب تبدو أكثر مصداقية مع كل معلم تقني يتم تحقيقه.
لا أحد متأكد تمامًا من حجم سوق الاندماج لأن التوقيت والتكلفة وإنتاج الطاقة للمفاعلات المحتملة مختلفة تمامًا. لكن الاندماج له مزايا عديدة على الانشطار ، بما في ذلك سجل أمان رائع ، وعدم وجود نفايات طويلة العمر ، وإمكانية الحصول على وقود رخيص. إذا تمكنت مفاعلات الاندماج من الحصول على الموافقة التنظيمية وإثبات أن لديها سعرًا تنافسيًا ، فيمكننا رؤية مصنع تجاري في أقل من خمس إلى 10 سنوات.
بالنسبة للاندماج ، لا يتعلق الأمر بـ "إذا" - ولكن متى.
وظيفة هل يمكن لمحطات توليد الطاقة التجارية الاندماجية أن توصلنا إلى صافي الصفر؟ ظهرت للمرة الأولى على عالم الفيزياء.
