معهد الأبحاث النووية في الولايات المتحدة يتعاون مع شركة يابانية لتطوير نظام排气 مخصص لمواجهة تحديات الحرارة العالية

بدأ العلماء الذين يعملون في مجال أبحاث الاندماج النووي خطة جديدة تهدف إلى حل واحدة من أصعب التحديات الهندسية بين المفاعلات التجريبية والطاقة التجارية. حيث تعاونت منشأة DIII-D الوطنية للاندماج في كاليفورنيا مع شركة Kyoto Fusion Technology اليابانية لبناء واختبار نظام排气 مخصص، يهدف إلى التعامل مع الحرارة الشديدة الناتجة عن مفاعلات الاندماج. سيتم تركيب هذا النظام مباشرة في جهاز توكاماك DIII-D، وهو منصة اختبار ممولة من وزارة الطاقة الأمريكية. ينتج الاندماج النووي طاقة نظيفة من خلال دمج الذرات الخفيفة، وهو نفس العملية التي تدفع الشمس.

تجري معظم الأبحاث داخل غرفة مغناطيسية على شكل دونات تُعرف باسم توكاماك. ومع ذلك، فإن تسخين المادة إلى أكثر من 100 مليون درجة مئوية يشكل خطرًا كبيرًا على جدران الآلة.

إمكانات التصميم على شكل مثلث سالب

تتعرض توكاماك لنبضات حرارية مفاجئة قوية، مما يؤدي إلى تآكل السطح الداخلي بمرور الوقت. ولحل هذه المشكلة، اتجه الباحثون إلى تصميم يُعرف باسم "المثلث السالب". وأوضحت شركة Kyoto Fusion Technology: "البلازما على شكل مثلث سالب أو شكل 'D' المعكوس، قد تكون طريقة تشغيل ثورية لأجهزة الاندماج مثل التوكاماك التي تحتوي على مجالات مغناطيسية." يوفر هذا الشكل الهندسي البديل ميزة فيزيائية أنيقة، قادرة على تقليل الانفجارات الحرارية غير المستقرة، وإشعاع الحرارة الزائدة بسلاسة قبل أن تؤثر على جدران المفاعل.

ومع ذلك، على الرغم من أن هذا التصميم يبدو واعدًا، لم يتم اختبار أي تكوين له مع نظام排气 على مستوى صناعي للتعامل مع تدفق الجسيمات الفريد الخاص به.

تطوير موجه جديد

تستهدف هذه الخطة الجديدة هذه الثغرة مباشرة، حيث ستقوم شركة Kyoto Fusion Technology بإنتاج بلاط مقاوم للحرارة لبناء "موجه" مصمم خصيصًا، يعمل كمدخنة للمفاعل. بعد الانتهاء من التركيب، سيبدأ الباحثون من DIII-D وKyoto Fusion Technology وجامعة كولومبيا في إجراء اختبارات شاملة على التوكاماك. وأشار منسق تطوير تقنية الاندماج في DIII-D، Suk-Ho Hong، إلى أنه "يجب علينا فهم أداء المثلث السالب في إعدادات الأجهزة ذات الصلة تجاريًا، مما أدى إلى هذا التعاون." وأكد أن هذا المشروع سيمكن العلماء من تقييم هذه الطريقة على منصة اختبار نشطة وفعالة من حيث التكلفة.

يواجه المهندسون تحديًا دقيقًا في تحقيق توازن. يجب أن تحافظ الآلة على درجة حرارة مركزية مرتفعة بما يكفي لتحقيق الاندماج النووي، بينما يجب أن تبقى الحواف الخارجية باردة بما يكفي لتجنب ذوبان المعدات المحيطة. ستختبر التجارب أداء البلازما على شكل D المعكوس خلال فترات التشغيل الممتدة، وتقيس الحمل الحراري والإجهاد الميكانيكي في المكونات الداخلية. واختتم رئيس شركة Kyoto Fusion Technology، Bibake Uppal، بالقول: "الحمل العالي للجسيمات وتدفق الحرارة هما من أكبر التحديات التي تواجه جدوى محطات الطاقة الاندماجية." وأكد أن اختبار مفهوم الموجه الجديد أمر بالغ الأهمية لإثبات الجدوى التجارية.

ستستخدم هذه النتائج في خارطة طريق أوسع وضعتها وزارة الطاقة الأمريكية، حيث ستساعد نتائج الاختبارات الفيزيائيين في التحقق من نماذج الكمبيوتر لمحطة الطاقة بشكل عام، وتقييم استقرار البلازما، وصقل المواد المطلوبة لمحطات الطاقة التجريبية المستقبلية. سيتم مشاركة البيانات التجريبية بحرية ضمن شبكة مستخدمي DIII-D الدولية. من خلال البحث المفتوح، تهدف هذه الشراكة إلى مساعدة الشركات العالمية في مجال الاندماج النووي على تصميم مفاعلات قادرة على توفير الطاقة بشكل مستقر للشبكة.

أهمية نظام排气 في تطوير الاندماج النووي

تواجه تقنية الاندماج النووي تحديات هندسية متعددة، خاصة في إدارة الحرارة في البيئات عالية الحرارة. تستهدف هذه الشراكة تطوير نظام排气 يمكنه التعامل بفعالية مع النبضات الحرارية داخل المفاعل، وهو أمر بالغ الأهمية لتعزيز الجدوى التجارية للاندماج النووي. إن تطبيق تصميم المثلث السالب قد لا يحسن فقط استقرار البلازما، بل يوفر أيضًا بيانات حيوية لمحطات الطاقة الاندماجية المستقبلية، مما يدفع قدماً بتحقيق تقنية الاندماج النووي على مستوى عالمي.