دراسة لوزارة الطاقة الأمريكية تظهر أن كميات ضئيلة من التنجستن يمكن أن ترفع بشكل كبير الضغط اللازم لإشعال الاندماج النووي

وفقاً لنموذج نظري جديد من مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، فإن كميات ضئيلة من التنجستن في بلازما الاندماج النووي قد تضاعف تقريباً الضغط اللازم للوصول إلى الإشعال. اكتشف الباحثون أنه عندما يبلغ تركيز التنجستن واحداً فقط لكل 10,000 جسيم، فإنه يمكن أن يعزز بشكل كبير شروط الحفاظ على تفاعل الاندماج النووي في البلازما دون الحاجة إلى تسخين خارجي مستمر. وتحديث هذه الدراسة لمعيار لاسون، وهو معيار يعود إلى حوالي 70 عاماً، يستخدم للحكم على ما إذا كانت بلازما الاندماج النووي ساخنة بما يكفي، وكثيفة بما يكفي، وتستمر لفترة كافية لتحقيق هدف الإشعال.

أدرج الباحثون عدة تأثيرات واقعية لم يغطها المعيار المثالي الأصلي. كما أشارت نتائج الحسابات إلى مسار محتمل أكثر كفاءة للإشعال. يقترح النموذج تسخين البلازما أولاً، ثم زيادة كثافتها، مما قد يوفر مساراً أكثر كفاءة.

نموذج جديد يوفر مساراً أكثر كفاءة للإشعال

قال الفيزيائي في مختبر برينستون لفيزياء البلازما، لويس ديلغادو-أباريسيو (Luis Delgado-Aparicio): «تريد العديد من الشركات مواجهة التحدي مباشرة، وإنفاق طاقة هائلة للوصول إلى الهدف. لكن يمكن في الواقع تجاوز القمة، والوصول إلى نفس المكان بطريقة أكثر ذكاءً، مع استهلاك طاقة أقل بكثير.» وصف الباحثون هذا المسار باستخدام منطقة تسمى «سرج كوردي» (Cordey saddle). تمثل هذه المنطقة أدنى نقطة على حدود تفصل بين البلازما التي لا تزال تحتاج إلى تسخين خارجي وتلك القادرة على الاحتراق ذاتياً.

في بلازما مثالية تحتوي فقط على وقود الاندماج، يضع النموذج هذه النقطة عند مستوى ربح اندماج (Q) يبلغ حوالي 5. وهذا يعني أن البلازما تنتج طاقة اندماج تبلغ حوالي خمسة أضعاف طاقة التسخين الخارجية. ومع ذلك، قد تغير الشوائب، وخسائر الإشعاع، وتأثيرات واقعية أخرى هذه النقطة وتزيد من الربح المطلوب.

التأثير المحتمل للتنجستن والتحديات

أدرج الفريق أربعة عوامل في نموذجه: رماد الهيليوم المتبقي من تفاعل الاندماج، والشوائب الخفيفة والثقيلة القادمة من جدار المفاعل، وخسائر إشعاع السيكلوترون، والحرارة الهاربة من البلازما. أشار الفيزيائي في مختبر برينستون لفيزياء البلازما، ماسايوكي أونو (Masayuki Ono): «عندما تتجاهل هذه التأثيرات، تظن أن التصميم سيعمل بشكل جيد؛ لكن بمجرد الأخذ بهذه العوامل، يتغير الوضع بأكمله، وتصبح هذه العوامل مهمة للغاية.» قد يكون اكتشاف التنجستن مهماً بشكل خاص لمفاعلات الاندماج النووي المستقبلية. فقد اختار أكثر من عشرة أجهزة اندماج من الجيل القادم التنجستن كمادة لجدرانها الداخلية، لأن هذا المعدن قادر على تحمل درجات حرارة شديدة الارتفاع.

لكن إذا دخلت ذرة تنجستن واحدة لكل 10,000 جسيم إلى البلازما، أظهرت حسابات الفريق ثنائية الأبعاد أن الضغط اللازم للوصول إلى الإشعال قد يتضاعف تقريباً.

عند توسيع هذه التأثيرات إلى ثلاثة أبعاد، قد يتجاوز الضغط المطلوب النقطة الحرجة التي تحافظ فيها البلازما على استقرارها. وقال الباحثون إن طلاء جدار المفاعل بالليثيوم السائل، على سبيل المثال، يمكن أن يساعد في منع دخول التنجستن إلى البلازما، مع تحسين الاحتفاظ بالحرارة في الوقت نفسه. وقد يؤدي وقود الاندماج المستقطب دورانياً، أي محاذاة نوى الوقود قبل الاندماج، إلى زيادة معدل تفاعل الاندماج أيضاً. ومن المثير للاهتمام أن خسائر الطاقة التي تجعل الإشعال أكثر صعوبة، قد تساعد في استقرار البلازما المحترقة. ويظهر النموذج أن هذه الخسائر يمكن أن تعوض الهروب الحراري، وهو ظاهرة تؤدي فيها زيادة حرارة الاندماج إلى تفاعلات اندماج أسرع بشكل متزايد.

لا تزال هذه النتائج حالياً في نطاق النظرية، ولا توجد تجارب حالية قادرة على الوصول إلى ظروف قريبة من «سرج كوردي» لاختبار مسار التسخين ذي الأولوية المقترح تجريبياً.

يخطط الباحثون لإجراء تجارب رقمية لاستكشاف هذا النهج بشكل أكبر. قال الفيزيائي في مختبر برينستون لفيزياء البلازما، جوناثان مينارد (Jonathan Menard): «على الرغم من الحاجة إلى مزيد من البحث، نحن متحمسون لهذه النتائج، التي توفر مساراً واضحاً للمضي قدماً في الأبحاث المستقبلية في هذا المجال.» وقد نُشر البحث في مجلة «فيزيكال ريفيو ليترز» (Physical Review Letters).

أهمية التنجستن في أبحاث الاندماج النووي

يُعد اكتشاف التنجستن أمراً حاسماً لتطوير تكنولوجيا الاندماج النووي. ونظراً لقدرته على تحمل درجات حرارة شديدة الارتفاع، تم اختيار التنجستن كمادة للجدران الداخلية لأجهزة الاندماج من الجيل القادم. وتشير الأبحاث إلى أن إضافة كميات ضئيلة من التنجستن لا تعزز أداء البلازما بشكل كبير فحسب، بل قد تغير أيضاً استراتيجية إشعال الاندماج النووي، وهو ما له أهمية كبيرة في تحسين كفاءة الطاقة وتقليل استهلاكها. وعلى الرغم من أن البحث الحالي لا يزال في المرحلة النظرية، إلا أن التجارب المستقبلية ستساعد في التحقق من هذه النظريات ودفع تكنولوجيا الاندماج النووي نحو التطبيق العملي.