مفاعل اختبار الاندماج توكاماك

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

كان مفاعل اختبار الاندماج النووي توكاماك ( TFTR ) مفاعلًا تجريبيًا من نوع توكاماك، بُني في مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) حوالي عام 1980، ودخل الخدمة عام 1982. صُمم TFTR بهدف الوصول إلى نقطة التعادل العلمي ، وهي النقطة التي تكون فيها الحرارة المنبعثة من تفاعلات الاندماج في البلازما مساوية أو أكبر من الحرارة التي توفرها الأجهزة الخارجية لتسخين البلازما. [ 1 ] [ 2 ]

لم يحقق مفاعل TFTR هذا الهدف، لكنه حقق تقدماً كبيراً في زمن الحصر وكثافة الطاقة. كان أول جهاز اندماج مغناطيسي في العالم يُجري تجارب علمية مكثفة على بلازما مكونة من 50/50 ديوتيريوم/تريتيوم (DT)، وهو مزيج الوقود اللازم لإنتاج طاقة الاندماج عملياً، وكان أيضاً أول جهاز ينتج أكثر من 10 ميغاواط من طاقة الاندماج. وقد سجل العديد من الأرقام القياسية في إنتاج الطاقة، وأقصى درجة حرارة، وناتج الاندماج الثلاثي .

أُغلق مفاعل TFTR عام 1997 بعد خمسة عشر عامًا من التشغيل. استخدم مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) المعرفة المكتسبة من TFTR لبدء دراسة نهج آخر، وهو التوكاماك الكروي ، في تجربتهم الوطنية للتوراس الكروي . يُشبه مفاعل JT-60 الياباني مفاعل TFTR إلى حد كبير، إذ يعود تصميم كليهما إلى ابتكارات رئيسية قدمها شويتشي يوشيكاوا (1934-2010) [ 3 ] خلال فترة عمله في مختبر برينستون لفيزياء البلازما في سبعينيات القرن الماضي.

عام

في الاندماج النووي، يوجد نوعان من المفاعلات المستقرة بما يكفي لإجراء الاندماج: مفاعلات الحصر المغناطيسي ومفاعلات الحصر بالقصور الذاتي. تسعى الطريقة الأولى إلى إطالة الفترة الزمنية التي تقضيها الأيونات متقاربة لدمجها، بينما تهدف الطريقة الثانية إلى دمج الأيونات بسرعة فائقة بحيث لا يتاح لها الوقت للتباعد. تستخدم مفاعلات الحصر بالقصور الذاتي، على عكس مفاعلات الحصر المغناطيسي، الاندماج بالليزر والاندماج بشعاع الأيونات لإجراء الاندماج. مع ذلك، تتجنب مفاعلات الحصر المغناطيسي مشكلة البحث عن مادة قادرة على تحمل درجات الحرارة العالية لتفاعلات الاندماج النووي. يُستحث تيار التسخين بواسطة المجالات المغناطيسية المتغيرة في ملفات الحث المركزية، ويتجاوز مليون أمبير. تحافظ أجهزة الاندماج المغناطيسي على البلازما الساخنة بعيدة عن جدران الحاوية عن طريق إبقائها تتحرك في مسارات دائرية أو حلزونية بواسطة القوة المغناطيسية المؤثرة على الجسيمات المشحونة وقوة الجذب المركزي المؤثرة على الجسيمات المتحركة. [ 4 ]

تاريخ

توكاماك

بحلول أوائل الستينيات، نما مجال طاقة الاندماج النووي بشكل كبير لدرجة أن الباحثين بدأوا بتنظيم اجتماعات نصف سنوية تُعقد بالتناوب بين مختلف المؤسسات البحثية. في عام 1968، عُقد الاجتماع السنوي في نوفوسيبيرسك ، حيث فاجأ الوفد السوفيتي الجميع بادعائه أن تصاميمهم لأجهزة التوكاماك قد وصلت إلى مستويات أداء أفضل بعشرة أضعاف على الأقل من أي جهاز آخر. قوبلت هذه الادعاءات في البداية بالتشكيك، ولكن عندما أكد فريق بريطاني النتائج في العام التالي، أدى هذا التقدم الهائل إلى "اندفاع كبير" في بناء أجهزة التوكاماك. [ 5 ]

في الولايات المتحدة، كان أحد أهم المناهج التي دُرست حتى ذلك الحين هو جهاز ستيلاراتور ، الذي اقتصر تطويره بشكل شبه كامل على مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL). وقد دخل أحدث تصميم لهم، وهو النموذج C، حيز التشغيل مؤخرًا، وأظهر أداءً أقل بكثير من الحسابات النظرية، وهو رقم بعيد كل البعد عن الأرقام المفيدة. ومع تأكيد نتائج نوفوسيبيرسك، شرعوا على الفور في تحويل النموذج C إلى تصميم توكاماك، المعروف باسم التوكاماك المتناظر (ST). وقد أُنجز هذا التحويل في فترة وجيزة لم تتجاوز ثمانية أشهر، ودخل الخدمة في مايو 1970. سمحت أنظمة التشخيص المحوسبة في التوكاماك المتناظر بمطابقة النتائج السوفيتية بسرعة، ومنذ ذلك الحين، ازداد تركيز عالم الاندماج النووي بأكمله على هذا التصميم دون غيره. [ 6 ]

حلقة برينستون الكبيرة

خلال أوائل سبعينيات القرن العشرين، كان شويتشي يوشيكاوا يدرس مفهوم التوكاماك. ولاحظ أنه كلما زاد حجم المحور الأصغر للمفاعل (قطر الأنبوب) مقارنةً بمحوره الأكبر (قطر النظام بأكمله)، زادت كفاءة النظام. ومن الفوائد الإضافية أنه مع زيادة المحور الأصغر، تحسّن زمن الحصر، وذلك ببساطة لأن أيونات الوقود تستغرق وقتًا أطول للوصول إلى خارج المفاعل. وقد أدى ذلك إلى قبول واسع النطاق بأن التصاميم ذات النسب البُعدية المنخفضة تُعدّ تقدمًا رئيسيًا على النماذج السابقة. [ 2 ]

أدى ذلك إلى تطوير جهاز برينستون الحلقي الكبير (PLT)، الذي اكتمل بناؤه عام 1975. وقد حقق هذا النظام نجاحًا كبيرًا لدرجة أنه سرعان ما وصل إلى حدود نظام التسخين الأومي الخاص به، وهو النظام الذي يمرر التيار عبر البلازما لتسخينها. ومن بين الأفكار العديدة المقترحة لزيادة التسخين، وبالتعاون مع مختبر أوك ريدج الوطني ، طوّر مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) فكرة حقن الحزمة المحايدة . وتستخدم هذه الفكرة معجلات جسيمات صغيرة لحقن ذرات الوقود مباشرة في البلازما، مما يؤدي إلى تسخينها وتزويدها بوقود جديد. [ 2 ]

بعد إدخال عدد من التعديلات على نظام حقن الحزمة، بدأ جهاز PLT المُجهز حديثًا في تسجيل أرقام قياسية، وأجرى في نهاية المطاف عدة تجارب تشغيلية عند درجة حرارة 60  مليون  كلفن، وهي درجة حرارة كافية لتشغيل مفاعل اندماج نووي. وللوصول إلى معيار لوسون للاشتعال، كان كل ما هو مطلوب هو كثافة بلازما أعلى، ولم يكن هناك ما يمنع تحقيق ذلك في جهاز أكبر. وساد اعتقاد واسع النطاق بأنه سيتم الوصول إلى نقطة التعادل خلال سبعينيات القرن العشرين. [ 6 ] [ 2 ]

مفهوم TFTR

داخل وعاء بلازما TFTR

بعد نجاح جهاز PLT والتصاميم اللاحقة له، اعتُبر المفهوم الأساسي مفهوماً جيداً. بدأ مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) تصميم جهاز أكبر بكثير ليخلف جهاز PLT، والذي من شأنه أن يُظهر احتراق البلازما في التشغيل النبضي. [ 2 ]

في يوليو 1974، عقدت وزارة الطاقة الأمريكية اجتماعًا موسعًا حضره ممثلون عن جميع مختبرات الاندماج النووي الرئيسية. وكان من بين الحضور مارشال روزنبلث ، وهو عالم نظري اشتهر بدراسة الآلات واكتشاف العديد من حالات عدم الاستقرار الجديدة التي من شأنها أن تُخلّ بمفهوم الحصر النووي. ولدهشة الجميع، لم يُثر روزنبلث أي مخاوف جديدة في هذا الاجتماع، ما جعل الطريق إلى تحقيق التوازن واضحًا. [ 7 ]

كانت الخطوة الأخيرة قبل الوصول إلى نقطة التعادل هي بناء مفاعل يعمل بمزيج من الديوتيريوم والتريتيوم ، بدلاً من المفاعلات السابقة التي كانت تعمل بالديوتيريوم فقط. ويعود ذلك إلى أن التريتيوم مشعّ ويمتصه الجسم بسهولة، مما يثير مخاوف تتعلق بالسلامة ويجعل استخدامه مكلفاً. كان يُعتقد على نطاق واسع أن أداء المفاعل الذي يعمل بالديوتيريوم فقط سيكون مطابقاً تقريباً لأداء المفاعل الذي يعمل بالتريتيوم-الديوتيريوم، ولكن هذا الافتراض كان بحاجة إلى اختبار. وبعد مراجعة التصاميم المعروضة في الاجتماع، اختار فريق وزارة الطاقة الأمريكية تصميم برينستون. [ 7 ]

كان بوب هيرش ، الذي تولى مؤخرًا رئاسة اللجنة التوجيهية لوزارة الطاقة الأمريكية، يرغب في بناء جهاز الاختبار في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL)، لكن آخرين في الوزارة أقنعوه بأن من الأنسب القيام بذلك في مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL). جادلوا بأن فريقًا من جامعة برينستون سيكون أكثر انخراطًا من فريق من مختبر أوك ريدج الوطني يُنفذ تصميمًا من جهة أخرى. وإذا ما تم التوصل إلى نموذج هندسي أولي لنظام تجاري لاحقًا، فيمكن بناؤه في أوك ريدج. أطلقوا على المشروع اسم TFTR وتوجهوا إلى الكونغرس لطلب التمويل، والذي تمت الموافقة عليه في يناير 1975. استمر العمل على التصميم المفاهيمي طوال عام 1975، وبدأ التصميم التفصيلي في العام التالي. [ 7 ]

كان من المفترض أن يكون جهاز TFTR أكبر جهاز توكاماك في العالم؛ وللمقارنة، كان قطر البلازما في جهاز ST الأصلي 300 ملم (12 بوصة ) ، بينما كان قطر البلازما في تصميم PLT اللاحق 910 ملم (36 بوصة ) ، وصُمم جهاز TFTR بقطر 2200 ملم (86 بوصة ) . [ 2 ] وهذا جعله ضعف حجم الأجهزة الكبيرة الأخرى في تلك الحقبة تقريبًا؛ إذ كان قطر كل من جهاز Joint European Torus لعام 1978 وجهاز JT-60 الذي صدر في نفس الفترة تقريبًا نصف قطر جهاز TFTR. [ 8 ]   

مع استمرار مشروع PLT في تحقيق نتائج أفضل فأفضل، في عامي 1978 و1979، أُضيف تمويل إضافي وعُدّل التصميم للوصول إلى الهدف المنشود منذ زمن طويل، وهو "التعادل العلمي"، حيث تتساوى كمية الطاقة المُنتجة من تفاعلات الاندماج في البلازما مع كمية الطاقة المُغذّاة لتسخينها إلى درجات حرارة التشغيل. يُعرف هذا أيضًا بـ Q = 1، وهو خطوة مهمة على طريق تصميمات فعّالة لإنتاج الطاقة. [ 9 ] ولتحقيق هذا الشرط، رُفعت قدرة نظام التسخين إلى 50  ميغاواط، ثم إلى 80  ميغاواط. [ 10 ]

العمليات

بدأ بناء مفاعل TFTR عام 1980، وبدأ تشغيله الأولي عام 1982. تلت ذلك فترة طويلة من التشغيل التجريبي والاختبار. وبحلول منتصف الثمانينيات، بدأت الاختبارات باستخدام الديوتيريوم على نطاق واسع لفهم أدائه. وفي عام 1986، أنتج المفاعل أولى "الطلقات الفائقة" التي أنتجت العديد من نيوترونات الاندماج. [ 11 ] وقد أثبتت هذه التجارب أن النظام قادر على تحقيق أهداف التصميم الأولي لعام 1976؛ وكان الأداء عند تشغيله بالديوتيريوم جيدًا لدرجة أنه في حال استخدام التريتيوم، كان من المتوقع أن ينتج حوالي 3.5  ميغاواط من طاقة الاندماج. وبالنظر إلى الطاقة المستخدمة في أنظمة التسخين، فإن هذا يمثل نسبة Q/ DT تبلغ حوالي 0.2، أي ما يعادل 20% فقط من متطلبات نقطة التعادل. [ 9 ] بلغت أعلى قيمة لـ Q <sub>DT</sub> تم تحقيقها في بلازما الديوتيريوم-التريتيوم 0.28 (التفريغ 80539)، والقيمة المركزية، Q<sub> core</sub> ، المُعرَّفة بأنها نسبة طاقة الاندماج المُنتَجة في النواة إلى طاقة التسخين المُطبَّقة التي تصل إلى النواة، [ 12 ] تساوي 0.8. يتم استنتاج طاقة تسخين النواة من منحنى معدل تفاعل اندماج الديوتيريوم-التريتيوم المقاس، ويتم حساب طاقة التسخين المُطبَّقة باستخدام برنامج تحليل البلازما TRANSP .

خلال السنوات الثلاث من التشغيل، أنتج مفاعل TFTR طاقة اندماج نووي مقدارها 1.6 جيجا جول. وبلغت ذروة طاقة الاندماج النووي P fus 10.3 ميجا واط من 3.7 × 10¹⁸ تفاعل في الثانية، وبلغت ذروة طاقة الاندماج النووي المتولدة في عملية تفريغ واحدة 7.6 ميجا جول.

إلا أن المزيد من الاختبارات كشفت عن مشاكل كبيرة. فلكي يصل النظام إلى نقطة التعادل، كان عليه أن يحقق عدة أهداف في آن واحد، وهي مزيج من درجة الحرارة والكثافة ومدة احتواء الوقود. وفي أبريل 1986، أثبتت تجارب مفاعل TFTR استيفاء الشرطين الأخيرين عندما أنتج ناتج اندماج ثلاثي مقداره 1.5 ضعف10-14 كلفن ثانية لكل سنتيمتر مكعب، وهو ما يقارب الهدف المنشود لمفاعل عملي، ويزيد من خمسة إلى سبعة أضعاف ما هو مطلوب لتحقيق نقطة التعادل. مع ذلك، حدث هذا عند درجة حرارة أقل بكثير من المطلوب. في يوليو 1986، حقق مفاعل TFTR درجة حرارة بلازما بلغت 200 مليون كلفن (200 مليون كلفن)، وهي أعلى درجة حرارة تم الوصول إليها في المختبر آنذاك. هذه الدرجة أعلى بعشر مرات من درجة حرارة مركز الشمس، وهي أكثر من كافية لتحقيق نقطة التعادل. لسوء الحظ، للوصول إلى هذه الدرجات، تم تخفيض ناتج التفاعل الثلاثي بشكل كبير.10 13 ، أصغر بمرتين أو ثلاث مرات من اللازم لتحقيق نقطة التعادل.

استمرت الجهود الحثيثة لتحقيق هذه الشروط في آنٍ واحد. صرّح دونالد غروف، مدير مشروع TFTR، أنهم توقعوا تحقيق هذا الهدف في عام 1987. وكان من المقرر أن يتبع ذلك اختبارات DT التي ستُحقق نقطة التعادل، بدءًا من عام 1989. [ 13 ] لسوء الحظ، لم يتمكن النظام من تحقيق أي من هذه الأهداف. دُرست أسباب هذه المشاكل بشكل مكثف على مدى السنوات اللاحقة، مما أدى إلى فهم جديد لعدم استقرار البلازما عالية الأداء، وهو أمر لم يُلاحظ في الأجهزة الأصغر حجمًا. كان من أبرز نتائج مشاكل TFTR ظهور مقاطع عرضية غير منتظمة للبلازما، ولا سيما البلازما على شكل حرف D التي تُهيمن الآن على هذا المجال.

تجارب لاحقة

على الرغم من وضوح عدم قدرة مفاعل TFTR على تحقيق نقطة التعادل، بدأت التجارب باستخدام التريتيوم على نطاق واسع في ديسمبر 1993، ليصبح أول جهاز من نوعه يعتمد بشكل أساسي على هذا الوقود. في عام 1994، حقق المفاعل رقماً قياسياً عالمياً آنذاك بلغ 10.7 ميغاواط من طاقة الاندماج النووي من بلازما DT بنسبة 50-50 (تجاوزه مفاعل JET في المملكة المتحدة، الذي ولّد 16 ميغاواط من 24 ميغاواط من الطاقة الحرارية المُدخلة في عام 1997). ركزت التجربتان على جسيمات ألفا الناتجة عن تفاعلات الديوتيريوم-التريتيوم، والتي تُعدّ مهمة للتسخين الذاتي للبلازما وجزءاً أساسياً من أي تصميم تشغيلي. في عام 1995، حقق مفاعل TFTR درجة حرارة قياسية عالمية بلغت 510 مليون درجة مئوية - أي أكثر من 25 ضعف درجة الحرارة في مركز الشمس. وفي العام التالي، حطم مفاعل JT-60 توكاماك هذا الرقم، حيث وصل إلى درجة حرارة أيونية بلغت 522 مليون درجة مئوية (45 كيلو إلكترون فولت). [ 14 ] وفي عام 1995 أيضاً، استكشف علماء TFTR نمطاً أساسياً جديداً لحصر البلازما - القص العكسي المعزز - لتقليل اضطراب البلازما. [ 15 ]

ظل جهاز TFTR قيد الاستخدام حتى عام 1997. وتم تفكيكه في سبتمبر 2002، بعد 15 عامًا من التشغيل. [ 16 ]

تبع ذلك جهاز توكاماك الكروي NSTX . [ 17 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ميد، ديل (سبتمبر 1988). "نتائج وخطط مفاعل اختبار الاندماج النووي توكاماك". مجلة طاقة الاندماج . 7 ( 2-3 ): 107. Bibcode : 1988JFuE....7..107M . doi : 10.1007/BF01054629 . S2CID 120135196 . 
  2. 1 2 3 4 5 6 "مفاعل توكاماك برينستون يُشعل المنافسة على طاقة الاندماج النووي" . مجلة العلوم الشعبية . ديسمبر 1978. الصفحات 69-71 ، 150. 
  3. ↑ احتفال بحياة وأعمال شويتشي يوشيكاوا، 9 أبريل 1934 - 4 نوفمبر 2010 (ملف PDF) . NSTX-U.
  4. ↑ الاندماج المغناطيسي المحصور، وTFTR
  5. ↑ تومسون، جورج (30 يناير 1958). "الاندماج النووي الحراري: المهمة والانتصار" . مجلة نيو ساينتست . المجلد 3، العدد 63. الصفحات 11-13 .   
  6. 1 2 تشيس، لورانس (8 ديسمبر 1970). "تطورات هامة في أبحاث السرطان وفي فورستال" . مجلة خريجي برينستون الأسبوعية . المجلد 71. ص 19.  
  7. 1 2 3 دين، ستيفن (2013). البحث عن مصدر الطاقة الأمثل . سبرينغر. ص 44. ISBN  9781461460374.
  8. ↑ كوبيتش، مارتن (31 يوليو 2007). مراجعة لمعايير البلازما في جهاز توكاماك JET في مختلف أنظمة تشغيله (ملف PDF) (تقرير فني). الجامعة التقنية التشيكية.
  9. 1 2 ميد 1988 ، ص. 107.
  10. ↑ إيلرز كيه دبليو، بيركنر كيه إتش، كوبر دبليو إس، هوبر بي، بايل آر في، ستيرنز جيه دبليو (17 نوفمبر 1975). التصميم المفاهيمي لنظام حقن الحزمة المحايدة لمفاعل TFTR (ملف PDF) (تقرير فني). مختبر لورانس بيركلي.
  11. ↑ فيوجن. روبن هيرمان. 1990. رقم ISBN 0-521-38373-0
  12. ↑ "زيادة طاقة الاندماج النووي وتسخين جسيمات ألفا في مفاعلات JET وTFTR وITER" RV Budny وآخرون، 2016، مجلة الاندماج النووي 56 056002، DOI 10.1088/0029-5515/56/5/056002
  13. ↑ تومسن، دي إي (1986). بلازما أشد حرارة من الشمس بعشر مرات. أخبار العلوم. 130: 102-102. الرقم الدولي الموحد للدوريات 0036-8423 
  14. ↑ "تم اكتشاف فيزياء البلازما في جهاز توكاماك JT-60 على مدى السنوات العشرين الماضية" .
  15. ↑ "مفاعل اختبار الاندماج النووي توكاماك" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 30-10-2014 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30-10-2014 .
  16. ↑ «جامعة برينستون - تم بنجاح إزالة مفاعل اختبار الاندماج النووي توكاماك» . www.princeton.edu . مؤرشف من الأصل بتاريخ 23 أبريل 2013.
  17. ↑ http://www.pppl.gov/Tokamak%20Fusion%20Test%20Reactor مؤرشف بتاريخ 30-10-2014 في Wayback Machine ("بالإضافة إلى تحقيق أهدافه الفيزيائية، حقق مفاعل توكاماك التجريبي للاندماج النووي جميع أهدافه المتعلقة بتصميم الأجهزة").