الاندماج المغناطيسي

من الأعلى، من اليسار إلى اليمين

جهاز توكاماك الأول ، الاتحاد السوفيتي
جهاز التوروس الأوروبي المشترك ، وهو جهاز توكاماك بارز، المملكة المتحدة
بلازما الاندماج في جهاز توكاماك حديث، شرق الصين
ماست , توكاماك كروية , المملكة المتحدة
خطوط المجال المغناطيسي في ويندلشتاين 7-إكس ، أكبر جهاز ستيلاراتور ، ألمانيا
الجزء الداخلي من جهاز ستيلاراتور الحلزوني الكبير ، اليابان
مشروع ITER، وهو أكبر تجربة MCF، من المقرر أن يبدأ تشغيله في فرنسا اعتبارًا من عام 2034.

الاندماج النووي بالحصر المغناطيسي ( MCF ) هو أسلوب لتوليد طاقة الاندماج النووي الحراري ، يستخدم المجالات المغناطيسية لحصر وقود الاندماج على شكل بلازما . يُعدّ الحصر المغناطيسي أحد الفرعين الرئيسيين لأبحاث الاندماج النووي المُتحكّم به، إلى جانب الاندماج النووي بالحصر القصوري .

عادةً ما تجمع تفاعلات الاندماج في المفاعلات نوى ذرية خفيفة من الديوتيريوم والتريتيوم لتكوين جسيم ألفا (نواة الهيليوم-4) ونيوترون ، حيث تُطلق الطاقة على شكل طاقة حركية لنواتج التفاعل. وللتغلب على التنافر الكهروستاتيكي بين النوى، يجب أن تصل درجة حرارة الوقود إلى مئات الملايين من الكلفن ، حيث يتأين الوقود بالكامل ويتحول إلى بلازما . إضافةً إلى ذلك، يجب أن تكون كثافة البلازما كافية، وأن تبقى الطاقة في منطقة التفاعل لفترة كافية، وفقًا لمعيار لوسون (المنتج الثلاثي). تمنع درجة الحرارة العالية لبلازما الاندماج استخدام أوعية مادية للاحتواء المباشر. يحاول الاندماج بالحصر المغناطيسي استخدام فيزياء حركة الجسيمات المشحونة لاحتواء جسيمات البلازما بتطبيق مجالات مغناطيسية قوية.

تُعدّ أجهزة التوكاماك والستيلاراتور من أبرز المرشحين لتطوير أجهزة حصر البلازما المغناطيسية (MCF) حتى اليوم. بدأ البحث في استخدام تكوينات مغناطيسية مختلفة لحصر بلازما الاندماج في خمسينيات القرن الماضي. وقد أظهرت الأجهزة البسيطة ذات المرايا والحلقات نتائج مخيبة للآمال فيما يتعلق بانخفاض مستوى الحصر. بعد رفع السرية عن أبحاث الاندماج من قِبل الولايات المتحدة والمملكة المتحدة والاتحاد السوفيتي عام 1958، أعلن معهد كورتشاتوف عن إنجاز هام في مجال الأجهزة الحلقية . فقد أظهر جهاز التوكاماك التابع له درجة حرارة تتجاوز 10 ملايين كلفن وزمن حصر قصير جدًا (بالمللي ثانية)، وهو ما أكده فريق بريطاني زائر. ^[¹^]^[²^] ومنذ ذلك الحين، أصبحت أجهزة التوكاماك محورًا رئيسيًا للبحث العلمي عالميًا، حيث تم بناء وتشغيل أجهزة JET و TFTR و JT-60 . أما تجربة التوكاماك ITER قيد الإنشاء حاليًا، والتي تهدف إلى تحقيق نقطة التعادل العلمي ، فستكون أكبر جهاز MCF في العالم.

أنتجت التجارب التي أُجريت على بلازما الديوتيريوم-التريتيوم في مفاعل TFTR ^{[ 3 ]} طاقة اندماج بلغت 1.6 جيجا جول خلال الفترة 1993-1996. وبلغت ذروة طاقة الاندماج 10.3 ميجا واط من 3.7 × 10¹⁸ ^تفاعل في الثانية، وبلغت ذروة طاقة الاندماج المتولدة في تفريغ واحد 7.6 ميجا جول. وحققت تجارب لاحقة في مفاعل JET ذروة طاقة اندماج بلغت 16 ميجا واط (5.8 × ^10¹⁸ /ثانية) خلال التجربة DTE1 ^{[ 4 ]} ، وتفريغًا أنتج 69 ميجا جول خلال التجربة DTE3 الأخيرة (باستهلاك 0.2 مليجرام من الديوتيريوم والتريتيوم).

يحمل جهاز JET الرقم القياسي الحالي لقوة الاندماج النووي المُولَّدة بواسطة أجهزة MCF. ففي عام 2021، حافظ JET على عامل تضخيم Q = 0.33 لمدة 5 ثوانٍ، مُنتجًا 59 ميغا جول من الطاقة. ^{[ 5 ]} وكان الرقم القياسي لعامل التضخيم 0.67، والذي سُجِّل عام 1997، وقد حُسِبَ التضخيم في لب البلازما Q _core لهذا التفريغ بـ 1.3، باستخدام برنامج TRANSP للنمذجة المتكاملة. ^{[ 6 ]}

رغم أن النجاح الأولي لأجهزة التوكاماك طغى على أجهزة الستيلاراتور المبكرة ذات الحصر المنخفض في خمسينيات القرن الماضي، إلا أن الاهتمام بها عاد للظهور مجدداً بفضل قدرتها المتأصلة على العمل بثبات ودون اضطرابات، وهو ما يميزها عن أجهزة التوكاماك. وقد بدأ تشغيل أكبر تجربة ستيلاراتور في العالم، وهي تجربة ويندلشتاين 7-إكس ، في عام 2015.

يُعدّ تطوير سيناريوهات البلازما وتطبيقها على ظروف محطات الطاقة، حيث يجب الحفاظ على أداء اندماجي جيد وحصر الطاقة، أحد التحديات الرئيسية في أبحاث الاندماج النووي متعدد القنوات. وتجري دراسة مكثفة لإيجاد حلول محتملة لمشاكل أخرى، مثل تصريف الطاقة من المحوّل ، وتخفيف حدة الظواهر العابرة (الاضطرابات، والإلكترونات المتسارعة ، والأنماط الموضعية عند الحواف )، والتحكم في تدفق النيوترونات ، وتوليد التريتيوم، وفيزياء البلازما المحترقة . ويُعدّ تطوير تقنيات جديدة في تشخيص البلازما ، والتحكم في الوقت الحقيقي ، والمواد المواجهة للبلازما ، ومصادر الموجات الميكروية عالية الطاقة ، وهندسة الفراغ ، وتقنيات التبريد الفائق، والمغناطيسات فائقة التوصيل ، أمراً بالغ الأهمية في أبحاث الاندماج النووي متعدد القنوات.

الأنواع

مرايا مغناطيسية

كان مجال المرآة المغناطيسية أحد أهم مجالات البحث في السنوات الأولى لأبحاث طاقة الاندماج . سعت معظم أجهزة المرآة المبكرة إلى حصر البلازما بالقرب من بؤرة مجال مغناطيسي غير مستوٍ مُوَلَّد في ملف لولبي، مع زيادة شدة المجال عند طرفي الأنبوب. وللخروج من منطقة الحصر، كان على النوى دخول منطقة حلقية صغيرة بالقرب من كل مغناطيس. كان من المعروف أن النوى ستتسرب عبر هذه المنطقة، ولكن كان يُعتقد أنه يمكن التغلب على هذه المشكلة بإضافة الوقود وتسخينه باستمرار.

في عام ١٩٥٤، ألقى إدوارد تيلر محاضرةً شرح فيها مشكلةً نظريةً أشارت إلى أن البلازما ستتسرب بسرعةٍ جانبيةً عبر حقول الحصر. سيحدث هذا في أي جهاز ذي حقول مغناطيسية محدبة، موجودة في مركز منطقة المرآة. كانت الأجهزة الموجودة آنذاك تعاني من مشاكل أخرى، ولم يكن من الواضح ما إذا كان هذا يحدث بالفعل. في عام ١٩٦١، أثبت فريق سوفيتي بشكل قاطع حدوث عدم استقرار المزمار هذا ، وعندما صرّح فريق أمريكي بأنه لم يلحظ هذه المشكلة، فحص السوفييت تجربتهم ولاحظوا أن ذلك يعود إلى خطأ بسيط في الأجهزة.

قدّم الفريق السوفيتي حلاً محتملاً على شكل "قضبان يوف". تعمل هذه القضبان على ثني البلازما إلى شكل جديد مقعر من جميع الجهات، متجاوزةً بذلك المشكلة التي أشار إليها تيلر. وقد أظهر هذا تحسناً واضحاً في الحصر. ثم قدّم فريق بريطاني ترتيباً أبسط لهذه المغناطيسات أطلقوا عليه اسم "كرة التنس"، والذي شاع استخدامه في الولايات المتحدة تحت اسم "كرة البيسبول". تم اختبار العديد من أجهزة سلسلة البيسبول، وأظهرت أداءً محسّناً بشكل ملحوظ. مع ذلك، أظهرت الحسابات النظرية أن الحد الأقصى للطاقة التي يمكن أن تنتجها هذه الأجهزة سيكون مساوياً تقريباً للطاقة اللازمة لتشغيل المغناطيسات. وبذلك، بدا أن المرآة، كجهاز لتوليد الطاقة، طريق مسدود.

في سبعينيات القرن الماضي، طُوّر حلٌّ لهذه المشكلة. فبوضع ملف لولبي على شكل كرة بيسبول عند طرفي ملف لولبي كبير، أصبح بالإمكان استيعاب حجم أكبر بكثير من البلازما، وبالتالي إنتاج طاقة أكبر. وبدأت الخطط لبناء جهاز كبير بتصميم "المرآة المزدوجة"، والذي أصبح فيما بعد مرفق اختبار اندماج المرايا (MFTF). ولأن هذا التصميم لم يُجرَّب من قبل، بُني جهاز أصغر، هو تجربة المرآة المزدوجة (TMX)، لاختبار هذا التصميم. وقد أظهرت تجربة المرآة المزدوجة سلسلة جديدة من المشاكل التي أشارت إلى أن مرفق اختبار اندماج المرايا لن يحقق أهدافه، وخلال عملية البناء، عُدِّل المرفق إلى MFTF-B. إلا أنه بسبب تخفيضات الميزانية، تم إيقاف تشغيل المرفق بعد يوم واحد من اكتمال بنائه. ولم تشهد المرايا تطورًا يُذكر منذ ذلك الحين.

الآلات الحلقية

قرصة على شكل حرف Z

استُخدمت أول محاولة جادة لبناء مفاعل اندماج نووي مُتحكم به، وذلك باستخدام تأثير الانضغاط في حاوية حلقية. وتم استخدام محول كهربائي كبير مُغلف للحاوية لحث تيار كهربائي في البلازما الموجودة بداخلها. يُولد هذا التيار مجالًا مغناطيسيًا يضغط البلازما في حلقة رقيقة، مُحدثًا بذلك انضغاطها. يؤدي الجمع بين التسخين الجولي الناتج عن التيار والتسخين الأديباتي أثناء الانضغاط إلى رفع درجة حرارة البلازما إلى النطاق المطلوب الذي يصل إلى عشرات الملايين من درجات كلفن.

بُني هذا الجهاز لأول مرة في المملكة المتحدة عام ١٩٤٨، وتلاه سلسلة من الأجهزة الأكبر حجمًا والأقوى في المملكة المتحدة والولايات المتحدة. وقد تبين أن جميع الأجهزة الأولى عُرضة لعدم استقرار قوي في البلازما. ومن أبرز هذه المشاكل عدم استقرار الانحناء ، الذي تسبب في اهتزاز الحلقة المضغوطة وارتطامها بجدران الحاوية قبل وقت طويل من وصولها إلى درجات الحرارة المطلوبة. ومع ذلك، كان المفهوم بسيطًا للغاية، لدرجة أنه بُذلت جهود جبارة لمعالجة هذه المشاكل.

أدى ذلك إلى ظهور مفهوم "الضغط المُستقر"، الذي أضاف مغناطيسات خارجية "لإعطاء البلازما بنية أساسية" أثناء انضغاطها. وكان أكبر هذه الآلات مفاعل زيتا البريطاني ، الذي اكتمل بناؤه عام 1957، والذي بدا أنه يُنتج الاندماج النووي بنجاح. ولكن بعد أشهر قليلة من إعلانه رسميًا في يناير 1958، اضطرت السلطات إلى سحب هذه الادعاءات عندما اكتُشف أن النيوترونات المرصودة ناتجة عن عدم استقرار جديد في كتلة البلازما. وأظهرت دراسات لاحقة أن أي تصميم مماثل سيواجه مشاكل مماثلة، فتوقف البحث باستخدام تقنية الضغط المُستقر إلى حد كبير.

ستيلاراتور

كانت المحاولة المبكرة لبناء نظام حصر مغناطيسي هي جهاز ستيلاراتور ، الذي قدمه ليمان سبيتزر عام 1951. ويتكون جهاز ستيلاراتور أساسًا من حلقة تم قطعها إلى نصفين ثم إعادة وصلها معًا بأجزاء مستقيمة "متقاطعة" لتشكيل شكل الرقم 8. ويؤدي هذا إلى نقل النوى من الداخل إلى الخارج أثناء دورانها حول الجهاز، مما يلغي الانجراف عبر المحور، على الأقل إذا كانت النوى تدور بسرعة كافية.

بعد فترة وجيزة من بناء أولى آلات الشكل 8، لوحظ أنه يمكن تحقيق التأثير نفسه في ترتيب دائري كامل بإضافة مجموعة ثانية من المغناطيسات الملفوفة حلزونيًا على كلا الجانبين. يولّد هذا الترتيب مجالًا يمتد جزئيًا فقط داخل البلازما، مما أثبت ميزته الهامة المتمثلة في إضافة "قص" يقلل من الاضطراب في البلازما. مع ذلك، عند بناء أجهزة أكبر حجمًا على هذا النموذج، تبيّن أن البلازما تتسرب من النظام بسرعة أكبر بكثير من المتوقع، وبسرعة تفوق بكثير قدرة النظام على تعويضها.

بحلول منتصف الستينيات، بدا أن نهج الستيلاراتور قد وصل إلى طريق مسدود. فبالإضافة إلى مشاكل فقدان الوقود، حُسب أيضاً أن آلة توليد الطاقة القائمة على هذا النظام ستكون ضخمة للغاية، إذ يبلغ طولها ما يقارب 300 متر. وعندما طُرح التوكاماك عام 1968، تلاشى الاهتمام بالستيلاراتور، وفي نهاية المطاف، تم تحويل أحدث تصميم في جامعة برينستون ، وهو النموذج C، إلى التوكاماك المتناظر .

شهدت أجهزة ستيلاراتور اهتمامًا متجددًا منذ مطلع الألفية الجديدة، نظرًا لتجنبها العديد من المشاكل التي ظهرت لاحقًا في أجهزة توكاماك. وقد تم بناء نماذج أحدث، لكنها لا تزال متأخرة بجيلين تقريبًا عن أحدث تصاميم توكاماك.

على الرغم من أن استخدام وبناء مفاعلات ستيلاراتور اليوم أقل انتشارًا من مفاعلات توكاماك، إلا أنها لا تزال جذابة نظرًا لتشغيلها المستقر وانخفاض مخاطر اضطرابات البلازما مقارنةً بمفاعلات توكاماك. مع ذلك، يتمثل عيبها الرئيسي في تعقيد بناء أنظمتها وانخفاض قدرتها على احتواء الطاقة مقارنةً بمفاعلات توكاماك المماثلة. لكن الدراسات الحديثة كشفت عن جيل جديد من تصاميم المجال المغناطيسي لمفاعلات ستيلاراتور، والتي تسعى إلى التغلب على هذه العيوب. فبفضل تقنيات التحسين المتقدمة، توصل الباحثون إلى طرق لتحسين احتواء الجسيمات للوصول إلى مستوى احتواء طاقة أقرب إلى مفاعلات توكاماك. إضافةً إلى ذلك، تحافظ هذه التصاميم الجديدة على مزايا الاستقرار والثبات التي تتميز بها مفاعلات ستيلاراتور. ^{[ 7 ]} تستند هذه النتائج إلى تجربة ويندلشتاين 7-X التي أظهرت خصائص مماثلة في مفاعل ستيلاراتور. يسمح تزايد البحث والتصميم للباحثين بتحسين الأشكال الهندسية المغناطيسية التي كانت معقدة للغاية في السابق، مما قد يؤدي إلى جيل جديد من مفاعلات ستيلاراتور ينافس مفاعلات توكاماك المهيمنة في هذا المجال.

توكاماك

في أواخر خمسينيات القرن العشرين، لاحظ باحثون سوفييت أن عدم استقرار الانحناءات يمكن كبحه بشدة إذا كانت الالتواءات في المسار قوية بما يكفي بحيث يتحرك الجسيم حول محيط الجزء الداخلي من الحجرة بسرعة أكبر من سرعته حول طول الحجرة. وهذا يتطلب تقليل تيار الانضغاط وزيادة قوة المغناطيسات الخارجية المثبتة بشكل كبير.

في عام 1968، عُرضت لأول مرة أبحاث روسية حول التوكاماك الحلقي ، وحققت نتائج فاقت بكثير الجهود المبذولة في أي تصميم منافس، سواء كان مغناطيسيًا أم لا. ومنذ ذلك الحين، استندت غالبية الجهود في مجال الحصر المغناطيسي على مبدأ التوكاماك. في التوكاماك، يُمرر تيار كهربائي دوريًا عبر البلازما نفسها، مما يُنشئ مجالًا "حول" الحلقة، يتحد مع المجال الحلقي لإنتاج مجال حلزوني، يشبه إلى حد ما المجال الموجود في جهاز ستيلاراتور الحديث (حيث تتحرك النوى من داخل الجهاز إلى خارجه أثناء تدفقها حوله).

في عام ١٩٩١، تم بناء جهاز START في كولهام بالمملكة المتحدة ، كأول جهاز توكاماك كروي مصمم خصيصًا لهذا الغرض . كان هذا الجهاز في الأساس عبارة عن جهاز توكاماك كروي مزود بقضيب مركزي. حقق START نتائج مبهرة، حيث بلغت قيم β حوالي ٤٠٪، أي ثلاثة أضعاف ما تنتجه أجهزة التوكاماك القياسية في ذلك الوقت. تم تطوير هذا المفهوم ليشمل تيارات بلازما أعلى وأحجامًا أكبر، مع إجراء تجارب NSTX (الولايات المتحدة)، و MAST (المملكة المتحدة)، و Globus-M (روسيا) حاليًا. تتميز أجهزة التوكاماك الكروية بخصائص استقرار محسّنة مقارنةً بأجهزة التوكاماك التقليدية، ولذلك يحظى هذا المجال باهتمام تجريبي كبير. مع ذلك، فإن أجهزة التوكاماك الكروية حتى الآن تعمل في مجال حلقي منخفض، مما يجعلها غير عملية لأجهزة الاندماج النووي النيوتروني.

أجرى تحليل ببليومتري حديث لاتجاهات براءات الاختراع دراسةً حول التطور العالمي لأبحاث تقنية التوكاماك خلال العقد الذي سبق عام 2024. وأشار الباحثون إلى الصين وكوريا الجنوبية واليابان كأبرز المساهمين في هذا المجال خلال العقد السابق، مع التركيز على المغناطيسات فائقة التوصيل في درجات الحرارة العالية. ^{[ 8 ]} ومن المجالات البحثية الناشئة الأخرى في النصف الثاني من فترة الدراسة، الذكاء الاصطناعي والتحكم بالتعلم الآلي . وقد استخدم الباحثون موارد الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي للتنبؤ باستقرار البلازما والتحكم فيه . ويبدو أن الصناعة تتجه نحو المجال التجاري، بالنظر إلى نتائج الدراسة المتعلقة باتجاهات براءات الاختراع، مما يشير إلى إمكانية التصنيع باستخدام تقنيات الاندماج النووي في أنظمة التوكاماك. وبشكل عام، تشير هذه الأبحاث إلى تشغيل أكثر عملية واستقرارًا في المفاعلات المستقبلية.

في مفاعلات التوكاماك، تُعدّ أنظمة التشغيل (أو الأنماط التي يعمل بها النظام) عنصرًا بالغ الأهمية في تصميمها. وقد حقق نمط الحصر العالي (H-mode) نجاحًا كبيرًا في الوصول إلى كسب طاقة عالٍ؛ إلا أنه دائمًا ما يكون مصحوبًا بأنماط موضعية على الحواف (ELMs)، والتي قد تُلحق الضرر بالمكونات المواجهة للبلازما. يوفر نمط I-mode، وهو نمط بديل، حصرًا مُحسّنًا دون حدوث أنماط ELMs وعدم استقرار على الحواف. مع ذلك، لم يُرصد نمط I-mode إلا في نبضات صغيرة وقصيرة. في عام 2023، حقق الباحثون الذين يُشغلون مفاعل التوكاماك التجريبي المتقدم فائق التوصيل (EAST) ما أطلقوا عليه اسم "Super I-mode". حسّن نمط Super I-mode الحصر، بالإضافة إلى زيادة مدة الحصر إلى أكثر من 1000 ثانية: وهي واحدة من أطول عمليات التفريغ ذات الحصر المُحسّن التي رُصدت على الإطلاق في نظام توكاماك. كما وُجد أن وضع التشغيل الفائق (Super I-mode) يحافظ على جميع مزايا وضع التشغيل العادي (I-mode) مع إطالة مدة النبضات، مما يمثل خطوة هائلة نحو التشغيل المستقر المطلوب في محطات توليد الطاقة. ^{[ 9 ]} قد تكون هذه النتائج الخطوة الأولى في التغلب على قيود وضع التشغيل العالي (H-mode) واضطرابات الحافة المصاحبة له.

حلقات توريدية مدمجة

تسعى الحلقات المدمجة ، مثل التكوين ذي المجال المعكوس أو الكروية ، إلى الجمع بين الحصر المحسن لتكوينات الأسطح المغناطيسية المغلقة وبساطة الآلات التي لا تحتوي على نواة مركزية. ومن التجارب المبكرة من هذا النوع في سبعينيات القرن الماضي تجربة تريسوبس ، التي شكلت حلقتين من نوع ثيتا بينش (θ-pinch) وأطلقتهما باتجاه بعضهما البعض.

على الرغم من هيمنة مفاعلات التوكاماك والستيلاراتور على مجال أبحاث الاندماج النووي بالحصر المغناطيسي، إلا أن هناك تكوينات أخرى قيد البحث لاستكشاف بدائل محتملة. تُعدّ التكوينات ذات المجال المعكوس (FRCs) مثالًا على الأجهزة الحلقية المدمجة التي لا تتطلب ملفات حلقية خارجية كبيرة. وقد بدا أن تكوين "نورم"، الذي طُرح مؤخرًا، يُعالج العديد من مشكلات الاستقرار التي حدّت من نجاح هذه التكوينات. وبالمقارنة مع الأساليب السابقة، قد يُتيح تكوين "نورم" طاقةً أكبر بمئة ضعف بتكلفة أقل بكثير. كما تعمل هذه التكوينات بمصادر وقود بديلة مثل بروتون-بورون-11، مقارنةً بالديوتيريوم-تريتيوم المستخدم في أنظمة التوكاماك. ^{[ 10 ]} وبينما لا يزال تكوين "نورم"، وغيره من التكوينات ذات المجال المعكوس المشابهة، في المراحل الأولى من البحث، ولم يتم إثبات فعاليته بعد، إلا أنه يُمثل خطوة نحو مفاعلات أصغر حجمًا وأبسط وأقل تكلفة، قادرة على منافسة مفاعلات التوكاماك والستيلاراتور المهيمنة على الصناعة.

آخر

ومن بين التكوينات الجديدة الأخرى التي يتم إنتاجها في الآلات الحلقية، نذكر انضغاط المجال المعكوس وتجربة ثنائي القطب المعلق .

كما زعمت البحرية الأمريكية في طلب براءة اختراع أمريكي عام 2018 وجود "جهاز اندماج ضغط البلازما" قادر على مستويات طاقة تيراواط:

"من سمات هذا الاختراع توفير جهاز انصهار ضغط البلازما الذي يمكنه إنتاج طاقة في نطاق الجيجاواط إلى التيراواط (وأعلى)، مع طاقة إدخال في نطاق الكيلوواط إلى الميجاواط." ^{[ 11 ]}

إلا أن براءة الاختراع قد تم التخلي عنها منذ ذلك الحين.

طاقة الاندماج المغناطيسي

واجهت جميع هذه الأجهزة صعوبات جمة في توسيع نطاقها وفي تحقيق معيار لوسون . وقد وصف أحد الباحثين مشكلة الحصر المغناطيسي بعبارات بسيطة، مشبهاً إياها بضغط بالون - حيث يحاول الهواء دائماً "الخروج" من مكان آخر. وقد ثبت أن اضطراب البلازما يمثل مشكلة رئيسية، إذ يتسبب في هروب البلازما من منطقة الحصر، وربما ملامستها لجدران الحاوية. وفي حال حدوث ذلك، ستحدث عملية تُعرف باسم " التناثر "، حيث تختلط جسيمات عالية الكتلة من جدران الحاوية (غالباً من الفولاذ والمعادن الأخرى) ببلازما الاندماج، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارتها.

في عام ١٩٩٧، أنتج العلماء في منشآت التوروس الأوروبي المشترك (JET) في المملكة المتحدة ١٦ ميغاواط من طاقة الاندماج النووي. وبات بإمكان العلماء الآن التحكم بدرجة ما في اضطراب البلازما وما ينتج عنه من تسرب للطاقة، والذي كان يُعتبر لفترة طويلة سمة حتمية ومستعصية على الحل في البلازما. وهناك تفاؤل متزايد بإمكانية رفع ضغط البلازما الذي تتفكك عنده إلى مستوى كافٍ للحفاظ على معدل تفاعل اندماجي مقبول لمحطة توليد الطاقة. ^{[ ١٢ ]} ويمكن حقن الموجات الكهرومغناطيسية وتوجيهها للتحكم في مسارات جسيمات البلازما، ومن ثم توليد التيارات الكهربائية الكبيرة اللازمة لتوليد المجالات المغناطيسية لحصر البلازما. ^{[ ١٣ ]} وقد تحققت هذه القدرات وغيرها من قدرات التحكم بفضل التقدم المحرز في الفهم الأساسي لعلم البلازما في مجالات مثل اضطراب البلازما، واستقرار البلازما على المستوى العياني، وانتشار موجات البلازما. وقد تحقق جزء كبير من هذا التقدم مع التركيز بشكل خاص على جهاز التوكاماك .

التطورات الأخيرة

يُعدّ SPARC مفاعل توكاماك يستخدم وقود الديوتيريوم-التريتيوم (DT)، ويجري تصميمه حاليًا في مركز علوم البلازما والاندماج التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بالتعاون مع شركة Commonwealth Fusion Systems بهدف إنتاج تصميم عملي للمفاعل في المستقبل القريب. في أواخر عام 2020، نُشر عدد خاص من مجلة فيزياء البلازما تضمن سبع دراسات تُشير إلى مستوى عالٍ من الثقة في فعالية تصميم المفاعل، مع التركيز على استخدام المحاكاة للتحقق من صحة التنبؤات المتعلقة بتشغيل المفاعل وقدرته. ^{[ 14 ]} ركزت إحدى الدراسات على نمذجة ظروف الديناميكا المغناطيسية المائية (MHD) في المفاعل. سيُحدد استقرار هذه الظروف حدود ضغط البلازما التي يُمكن تحقيقها في ظل ضغوط مجال مغناطيسي متغيرة. ^{[ 15 ]}

استند التقدم المحرز في مشروع SPARC إلى العمل المذكور سابقًا في مشروع ITER ، ويهدف إلى استخدام تقنية جديدة في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية (HTS) كمادة أكثر عملية. ستُمكّن هذه الموصلات مغناطيسات المفاعل من إنتاج مجال مغناطيسي أكبر، مما سيزيد بشكل متناسب من عمليات النقل اللازمة لتوليد الطاقة. ومن أهم الاعتبارات المتعلقة بالمواد ضمان قدرة الجدار الداخلي على تحمل كميات الحرارة الهائلة المتوقعة (والتي يُتوقع أن تصل إلى 10 جيجاواط لكل متر مربع من تدفق الحرارة من البلازما). لا يقتصر الأمر على ضرورة تحمل هذه المادة للظروف القاسية، بل يجب أن تتحمل أيضًا التلف بدرجة كافية لتجنب تلوث بلازما المفاعل. تُؤخذ هذه التحديات المتعلقة بالمواد بعين الاعتبار بشكل فعال في النماذج والحسابات التنبؤية المستخدمة في عملية التصميم. ^{[ 16 ]}

أُحرز تقدم في معالجة تحدي دمج النواة والحافة في مفاعلات الاندماج المستقبلية في مرفق الاندماج الوطني DIII-D . بالنسبة لبلازما الاندماج المشتعلة، من الضروري الحفاظ على درجة حرارة نواة البلازما عند ملايين الدرجات الكلفن، دون إلحاق الضرر بجدران المفاعل. يُعد حقن شوائب أثقل (ذريًا) من جسيمات البلازما في منطقة تصريف البلازما والطاقة (المُحوِّل ) أمرًا بالغ الأهمية لتبريد حدود البلازما دون التأثير على أداء الاندماج. استخدمت التجارب التقليدية شوائب غازية، ولكن تم أيضًا اختبار حقن البورون، ونيتريد البورون، والليثيوم في صورة مسحوق. ^{[ 17 ]}^{[ 18 ]} أظهرت التجارب تبريدًا فعالًا لحدود البلازما مع تأثير ضئيل على أداء بلازما نمط الحصر العالي . يمكن تطبيق هذا النهج على أجهزة اندماج أكبر مثل ITER والمساهمة في دمج النواة والحافة في محطات طاقة الاندماج المستقبلية. ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]} كما أحرزت التجارب الحديثة تقدمًا في التنبؤ بالاضطراب، والتحكم في اضطرابات الحافة (ELM) ، وهجرة المواد. يعمل البرنامج على تثبيت أدوات إضافية لتحسين تشغيل التوكاماك، واستكشاف تفاعلات البلازما والمواد على الحافة. ويجري النظر في إجراء تحسينات جوهرية لتعزيز الأداء والمرونة لمفاعلات الاندماج المستقبلية. ^{[ 21 ]}^{[ 22 ]}^{[ 23 ]}

أنهى جهاز ويندلشتاين 7-X النجمي في معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما بألمانيا أولى تجاربه البلازما، وخضع لعمليات تطوير شملت تركيب أكثر من 8000 بلاطة جدارية من الجرافيت وعشر وحدات تحويل لحماية جدران الوعاء وتمكين تفريغ البلازما لفترات أطول. [ 24 ] [ 25 ^{] [ 26}^{] ستختبر التجارب}^{المفهوم الأمثل لجهاز} ويندلشتاين 7-X كجهاز اندماج نجمي لاستخدامه المحتمل في محطة طاقة. يلعب محول الجزيرة دورًا حاسمًا في تنظيم نقاء البلازما وكثافتها. يسمح ويندلشتاين 7-X بدراسة اضطراب البلازما وفعالية الحصر المغناطيسي والعزل الحراري. كما تم تحسين نظام التسخين بالميكروويف في الجهاز لتحقيق إنتاجية طاقة وكثافة بلازما أعلى. تهدف هذه التطورات إلى إثبات ملاءمة أجهزة الستيلاراتور لتوليد طاقة الاندماج المستمر. ^{[ 27 ]}^{[ 28 ]}^{[ 29 ]}^{[ 30 ]}

حققت شركة TAE Technologies إنجازًا بحثيًا هامًا في عام 2022 بإجراء أولى تجارب اندماج الهيدروجين والبورون في بلازما اندماج محصورة مغناطيسيًا. أُجريت التجارب بالتعاون مع المعهد الوطني الياباني لعلوم الاندماج باستخدام نظام حقن مسحوق البورون الذي طوره علماء ومهندسون من مختبر برينستون لفيزياء البلازما . ^{[ 31 ]}^{[ 32 ]} يهدف سعي TAE Technologies في مجال اندماج الهيدروجين والبورون إلى تطوير دورة وقود نظيفة، تنافسية من حيث التكلفة، ومستدامة لتوليد الطاقة الاندماجية. تشير النتائج إلى أن مزيج وقود الهيدروجين والبورون لديه القدرة على استخدامه في محطات توليد الطاقة الاندماجية على نطاق واسع. تركز TAE Technologies على تطوير محطة طاقة اندماجية بحلول منتصف ثلاثينيات القرن الحالي، والتي ستنتج كهرباء نظيفة. ^{[ 33 ]}

وقّعت شركة هيليون إنرجي الأمريكية الخاصة المتخصصة في الاندماج النووي اتفاقية مع مايكروسوفت لتزويدها بالكهرباء خلال خمس سنوات تقريبًا، لتكون بذلك أول اتفاقية من نوعها في مجال طاقة الاندماج النووي. ويهدف مصنع هيليون، المتوقع تشغيله بحلول عام 2028، إلى توليد 50 ميغاواط أو أكثر من الطاقة. وتخطط الشركة لاستخدام غاز الهيليوم-3 ، وهو غاز نادر، كمصدر للوقود. ^{[ 34 ]}

أعلنت شركة كرونوس فيوجن إنرجي عن تطوير مولد طاقة اندماجية غير نيوترونية لتوفير طاقة نظيفة وغير محدودة في مجال الدفاع الوطني. ^{[ 35 ]}

في مايو 2023، أعلنت وزارة الطاقة الأمريكية عن منحة قدرها 46 مليون دولار أمريكي لثماني شركات في سبع ولايات لتطوير تصاميم محطات الطاقة الاندماجية وأبحاثها، بهدف ترسيخ مكانة الولايات المتحدة كدولة رائدة في مجال طاقة الاندماج النظيفة. يدعم هذا التمويل، المقدم من برنامج تطوير الاندماج القائم على المراحل، هدف إثبات جدوى الاندماج على نطاق تجريبي خلال عشر سنوات، وتحقيق اقتصاد خالٍ من الانبعاثات بحلول عام 2050. سيعمل الحاصلون على المنحة على معالجة التحديات العلمية والتقنية لإنشاء تصاميم فعّالة لمحطات الاندماج التجريبية خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة. تشمل الشركات الفائزة: Commonwealth Fusion Systems ، وFocusted Energy Inc.، وPrinceton Stellarators Inc.، وRealta Fusion Inc.، و Tokamak Energy Inc.، وType One Energy Group، و Xcimer Energy Inc. ، و Zap Energy Inc. ^{[ 36 ]}

التحديات الهندسية

لا يزال توليد مجالات مغناطيسية قوية ومستقرة التحدي الرئيسي والأكثر صعوبة في هندسة الاندماج النووي بالحصر المغناطيسي. استخدمت الأجهزة الأولى مغناطيسات نحاسية مقاومة، لكنها استهلكت طاقة كبيرة وقللت من مدة تفريغ البلازما (الطاقة). لاحقًا، سمح استخدام النيوبيوم-التيتانيوم والنيوبيوم -القصدير ، وهما موصلان فائقان عند درجات حرارة منخفضة ، بإنشاء مفاعلات توكاماك ذات مدة أطول مثل EAST و ITER . ولا تزال أهمية الموصلات الفائقة عند درجات حرارة عالية (HTS) مثل أكسيد الباريوم والنحاس قائمة. يمكن لهذه المواد العمل في مجالات مغناطيسية أعلى وعند درجات حرارة منخفضة أكثر واقعية. هذا يقلل من استهلاك الطاقة وتعقيد النظام نفسه. مع ذلك، تواجه مغناطيسات HTS تحديات هندسية خاصة بها، مثل الإجهاد الميكانيكي الناتج عن قوى لورنتز وضمان الحماية من الانطفاء المفاجئ للملفات الكبيرة. ^{[ 37 ]} كما تُعد تقنية المغناطيس حيوية لتحسين أداء المفاعل، نظرًا لأن المجالات المغناطيسية الأعلى تؤدي إلى تحسين حصر البلازما وزيادة صغر حجم تصميمات المفاعل.