تتناول هذه المقالة سعي دينيس وايت نحو تحقيق الاندماج النووي كحل للطاقة الخالية من الكربون، مستعرضة التحديات والفرص المتاحة.
سعي دينيس وايت نحو الاندماج النووي
دينيس وايت، المدير السابق لمركز علوم البلازما والاندماج، يصف الجهود المبذولة لمواجهة تغير المناخ من خلال الطاقة الخالية من الكربون في مؤتمر عام 2019.
فكرة الاندماج النووي بسيطة: ملء الدونات بالغاز الهيدروجيني، ثم تسخين هذا الغاز حتى يتحول إلى بلازما مشحونة كهربائيًا. في هذه الحالة الأيونية، ستبقى البلازما في مكانها بواسطة مغناطيسات موضوعة حول التوكاماك. لتحقيق الاندماج على الأرض دون الضغط الهائل في داخل النجوم، حسب العلماء، سيتطلب الأمر درجات حرارة تصل إلى حوالي 100 مليون درجة مئوية، أي تقريبًا 10 مرات حرارة مركز الشمس. لذا، كانت الحيلة تكمن في تعليق البلازما الساخنة بشكل مثالي في مجال مغناطيسي محيط بها بحيث لا تلمس الأسطح الداخلية للحجرة، حيث أن أي تماس سيؤدي على الفور إلى تبريدها، مما يوقف رد فعل الاندماج.
الجانب الجيد من ذلك هو السلامة. في حالة الفشل، لن يذوب مصنع الطاقة الاندماجية – بل على العكس. الجانب السيئ هو أن البلازما الغازية لم تكن متعاونة جدًا – أي عدم انتظام طفيف في جدران الحجرة يمكن أن يسبب اضطرابًا م destabilizing. لكن الفكرة كانت مثيرة للغاية، لدرجة أنه بحلول منتصف الثمانينيات، كان هناك 75 جامعة ومؤسسة حكومية حول العالم تمتلك توكاماك. إذا كان بإمكان أي شخص تحقيق الاندماج – وهو أكثر ردود الفعل كثافة للطاقة في الكون – فإن الديوتيريوم في لتر من مياه البحر يمكن أن يلبي احتياجات شخص واحد من الكهرباء لمدة عام. سيكون، بفعالية، موردًا غير محدود.
التحديات والعقبات
بجانب الاضطراب، كانت هناك عقبتان كبيرتان أخريان. كانت المغناطيسات المحيطة بالبلازما بحاجة إلى أن تكون قوية جدًا – مما يعني أنها بحاجة إلى أن تكون كبيرة جدًا. في عام 1986، اتفقت 35 دولة تمثل نصف سكان العالم – بما في ذلك الولايات المتحدة والصين والهند واليابان وما يُعرف الآن بالاتحاد الأوروبي بأكمله وكوريا الجنوبية وروسيا – على بناء المفاعل التجريبي الدولي للاندماج الحراري، وهو توكاماك عملاق بتكلفة 40 مليار دولار في جنوب فرنسا. بارتفاع 100 قدم على موقع يمتد على 180 فدانًا، تم تجهيز ITER (الذي يشكل اختصارًا للكلمة اللاتينية “رحلة”) بـ 18 مغناطيسًا تزن 360 طنًا لكل منها، مصنوعة من أفضل الموصلات الفائقة المتاحة حينها. إذا نجح، سيولد ITER 500 ميغاوات من الكهرباء – ولكن ليس قبل عام 2035، إن حدث ذلك. لا يزال قيد الإنشاء. العقبة الثانية هي الأكبر: العديد من التوكاماك حققت الاندماج لفترات قصيرة، لكن القيام بذلك كان دائمًا يتطلب طاقة أكثر مما أنتجته.
بعد حصوله على درجة الدكتوراه في عام 1992، عمل وايت على نموذج أولي لـ ITER في منشأة الاندماج الوطنية في سان دييغو، وعُين أستاذًا في جامعة ويسكونسن، وفي عام 2006 تم تعيينه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. بحلول ذلك الوقت، كان قد فهم حجم المخاطر، ومدى تأثير الطاقة الاندماجية على نطاق تجاري – إذا كان بالإمكان الحفاظ عليها، وإذا كان بالإمكان إنتاجها بتكلفة معقولة.
كان معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يحاول منذ عام 1969. كانت المباني الحمراء لمركز علوم البلازما والاندماج، حيث جاء وايت للعمل، قد استضافت في الأصل شركة البسكويت الوطنية. كان التوكاماك السادس لمركز PSFC، Alcator C-Mod، الذي بُني في عام 1991، في مصنع البسكويت القديم الخاص بشركة نابيسكو. كانت مغناطيسات C-Mod ملتفة بالنحاس لتعمل كموصل (فكر في كيفية تحويل سلك النحاس الملتف حول مسمار ومتصل ببطارية إلى مغناطيس كهربائي). قبل أن يتم إلغاء تشغيل C-Mod، كانت مجالاته المغناطيسية، التي كانت أقوى 160,000 مرة من الأرض، قد حققت الرقم القياسي العالمي لأعلى ضغط بلازما في توكاماك.
ومع ذلك، كما يصف قانون أوم، فإن المعادن مثل النحاس لديها مقاومة داخلية، لذا لم يكن بإمكانه العمل إلا لمدة أربع ثوانٍ قبل أن يسخن – وكان يحتاج إلى طاقة أكثر لإشعال تفاعلات الاندماج الخاصة به مما كان يخرج منه. مثل التوكاماك الـ 160 المماثلة حول العالم، كان C-Mod تجربة علمية مثيرة ولكنها عززت بشكل رئيسي النكتة القائلة بأن الطاقة الاندماجية كانت على بعد 20 عامًا وستظل دائمًا كذلك.
كل عام، كان وايت يتحدى طلاب الدكتوراه في فصول تصميم الاندماج الخاصة به لتخيل شيء بنفس حجم C-Mod، أي 1/800 من حجم ITER، يمكن أن يحقق ويستمر في الاندماج – مع زيادة الطاقة. لكن في عام 2013، مع اقترابه من الخمسين، بدأ يشعر بالشكوك بشكل متزايد. لقد كرس حياته لحلم الاندماج، لكنه خشي أنه إذا لم يحدث تغيير جذري، فلن يحدث ذلك في حياته.
قررت وزارة الطاقة الأمريكية تقليص التمويل للاندماج. وأبلغت معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن التمويل لـ Alcator C-Mod سينتهي في عام 2016. لذا قرر وايت أنه إما أن يتخلى عن الاندماج ويفعل شيئًا آخر أو يجرب شيئًا مختلفًا للوصول إلى هناك بشكل أسرع.
في الختام، يبقى الاندماج النووي حلمًا بعيد المنال، ولكن الجهود المستمرة مثل جهود دينيس وايت قد تقربنا من تحقيق هذا الهدف.
