مفاعل الاندماج النووي: صناعة الشمس بحثاً عن الطاقة
علي عواد
2022-02-24 06:47
الطاقة هي عصب الحياة في أي اقتصاد. هي محور الإنتاج والاستهلاك. هناك مصادر تقليدية لإنتاج الطاقة يهمين عليها استخراج النفط حالياً. لكن يُعتقد بأنّ النفط سينضب خلال بضعة عقود من السنوات، بينما البشرية أصبحت مدمنة على الطاقة. اليوم، لم تعد التكنولوجيا محصورة بالبحث واستخراج الموارد الطبيعية، بل خلقها.
ثمة وقائع تُشير إلى محاولات خلق «شمس صغيرة» عبر استخدام تقنية الاندماج النووي من أجل تطوير نبع لا ينضب من الطاقة خلال هذه الفترة الوجيزة من التاريخ البشري على الأرض، تبدّلت أنواع موارد الطاقة ونسبة استخدامها بشكلٍ كبير. فمن الاعتماد على الخشب، إلى طواحين المياه، ثم الفحم الحجري الذي هيمن في أواخر القرن التاسع عشر، قبل أن يسيطر البترول ومشتقاته في منتصف القرن الماضي. ومع اندلاع الحرب العالمية الثانية، كانت معظم الأبحاث الذريّة التي أجريت في ذلك الوقت، تركّز على تطوير تكنولوجيا الأسلحة.
ولم تبدأ الحكومة الأميركية في تشجيع تطوير الطاقة النووية للأغراض المدنية السلمية إلا بعد الحرب (هي الدولة الوحيدة في العالم التي استعملت القنبلة الذريّة ضد البشر). وكان أول مفاعل ينتج الكهرباء من الطاقة النووية هو المفاعل التجريبي «Breeder I»، في 20 كانون الأول 1951، في ولاية أيداهو.
ومذاك نمت هذه الصناعة بسرعة خلال الستينيات والسبعينيات، لدى الاتحاد السوفياتي والمملكة المتحدة وألمانيا واليابان وفرنسا والعديد من الدول الأخرى. لكن، رغم كونها قفزة تكنولوجية هائلة في عالم الطاقة، وعملياً هي تنتج البخار من دون أي انبعاثات ملوّثة، إلّا أنها كانت محصورة بطريقة واحدة تسمى الانشطار الذري.
وخلّفت هذه التكنولوجيا كوارث بشرية وبيئية، فضلاً عن مخلفات إشعاعية بحاجة لأن تطمر. ومع تطوّر الفيزياء والقدرات التقنية، برزت إلى السطح فكرة جديدة، هي نسخة مصغّرة عن نجمنا، الشمس؛ إذ يتم استخدام الاندماج النووي بغية الحصول على طاقة مضاعفة بأشواط، وبشكل شبه آمن وبمخلفات نووية لا تذكر. فمن يعمل على هذه التكنولوجيا؟ أين هي الآن؟ وما هي العقبات التي تواجهها؟
الطاقة بواسطة الانشطار النووي
رغم أن التسمية قد تظهر المفاعل النووي للطاقة الكهربائية أمراً بالغ التعقيد والصعوبة، إلا أنّها عملية تقنية يمكن اختصارها بالتالي: في حالة الانشطار النووي (Fission power plant)، تنفصل الذرات عن بعضها لتشكل ذرّات أصغر، وهذا الأمر يطلق دفقاً من الطاقة. الانشطار هنا يحدث داخل مفاعل محطة الطاقة النووية، في قلب المفاعل الذي يحتوي على وقود اليورانيوم. هذه الطاقة تُطلق حرارة، وتقوم محطات الطاقة النووية بتسخين المياه لإنتاج البخار. الأخير، يستخدم لتشغيل توربينات كبيرة والتي بدورها تولد الكهرباء. عملياً، يمكن تشبيه الأمر بمحرّك يعمل على البخار. وتقوم المحطات النووية بتبريد البخار مرّة أخرى في الماء، أو تستخدم المياه من البرك أو الأنهار أو المحيط. كما يتم إعادة استخدام الماء المبرد لإنتاج البخار.
قلب المفاعل النووي الانشطاري، يحتوي على حزمة من قضبان الوقود. وهي يورانيوم مخصّب على شكل كريات خزفية غنية بالطاقة المكدّسة، وتوضّب على شكل قضبان معدنية بطول 12 قدماً. تسمى حزمة من قضبان الوقود. وهي بحاجة لأن تبقى مبرّدة حين تعمل كي لا يحدث انصهار ونصبح أمام كارثة نووية. وعندما تنضب الطاقة في تلك القضبان، يتم استبدالها بأخرى جديدة. وبهذا تصبح القديمة مخلّفات نووية عديمة الجدوى، تبثّ إشعاعات ضارة لآلاف السنين. لذا، يتم تجمعيها وتوضيبها داخل براميل من الرصاص (ذرات هذا المعدن قريبة من بعضها البعض، فلا تسمح للإشعاع بالخروج منها) ومن ثم تطمر في أماكن بعيدة عن تواجد البشر.
مخاطر هذه التقنية (المفاعلات الانشطارية) تمظهرت في عدد من الكوارث من أبرزها ثلاث:
1- سيلافيلد المملكة المتحدة 1957
في 10 تشرين الأول 1957، اجتاحت النيران قلب مفاعل الوحدة 1 النووية في سيلافيلد، لمدة ثلاثة أيام. ونتج من الحادث تلوثاً إشعاعياً في جميع أنحاء أوروبا. ويعتقد أن آثار مادة (iodine-131) ربما تسببت في إصابة عدّة مئات من الأشخاص بالسرطان. وكان أسوأ حادث نووي في المملكة المتحدة على الإطلاق.
2- تشيرنوبيل أوكرانيا 1986
تعد كارثة تشيرنوبيل أسوأ حادث لمحطة طاقة نووية على الإطلاق لجهة عدد القتلى والكلفة والأثر البيئي. وقع الحادث في 26 نيسان 1986، عندما دمّر انفجار بخاري المفاعل رقم 4. وانتشرت كميات هائلة من النفايات المشعّة في جميع أنحاء أوروبا الغربية، ما أسفر عن مقتل نحو 30 شخصاً من التسمّم الإشعاعي الحادّ مباشرة. ثم طمر المفاعل بالرصاص، وأصبحت المنطقة المحاذية كلها خالية من السكان بسبب التلوّث الإشعاعي.
3- فوكوشيما اليابان 2011
تسبب زلزال شرق اليابان بلغت قوته 9.0 درجات بمقياس ريختر، يوم الجمعة 11 آذار من عام 2011، في حدوث تسونامي بلغ ارتفاعه 15 متراً. الأمر الذي أدى إلى تعطيل إمدادات الكهرباء، ودفع ثلاثة مفاعلات إلى الانهيار في محطة فوكوشيما دايتشي. تُشير الأرقام الرسمية إلى مقتل عاملين مباشرةً. وأشارت التحقيقات اللاحقة إلى أن البنية التحتية والتنبؤ بالمخاطر لم يكونا كافيين لمثل هذه الكارثة الطبيعية المدمّرة. (وقع حادث نووي ثانٍ، ولكنه أصغر، عام 2013، في منشأة فوكوشيما دايتشي عندما تم تصريف ما يقرب من 330 طناً من المياه المشعّة المستخدمة في عمليات التبريد الجارية في المفاعلات 1 و2 و3 في المحيط).
بعكس حالة الانشطار النووي، فإن التقنية التي أخضعت لتجاربها الأولى في الثلاثينيات أنتجت اختراقاً كبيراً في عام 1968، عندما تمكّن الاتحاد السوفياتي من خلق آلات للاندماج النووي. وهي اليوم تسعى لخلق نجم مماثل للنجم الذي تستمدّ منه البشرية الطاقة يومياً: الشمس. بمعنى آخر، فإن إنتاج الطاقة لتغطية إدمان البشرية عليها، لن يكون بالمستويات السابقة، بل سينطلق نحو مستويات جديدة أوسع كمّاً ونوعاً وكلفةً.
وتقنية الاندماج النووي تحصل بشكل طبيعي في النجوم. مثل الشمس. فعندما تندمج نواتان ذريتان خفيفتان، تكوِّنان نواة ذرية واحدة أثقل وزناً قادرة على إطلاق دفقٍ من الطاقة. أي بعكس التفاعل المستخدم في محطات الطاقة النووية اليوم حيث يتم إطلاق الطاقة عندما تنفصل النواة عن بعضها لتشكل نواة أصغر. لكن بواسطة تقنية الاندماج على الأرض، يُفترض تسخين مزيج من غازات الهيدروجين، الديوتيريوم والتريتيوم على درجات حرارة عالية جداً، أكثر من 100 مليون درجة مئوية (حرارة قلب الشمس 15 مليون درجة مئوية). عندها يتحوّل الغاز إلى بلازما، وتتّحد النوى لتشكل نواة الهيليوم والنيوترون، ويتم تحويل جزء ضئيل من الكتلة إلى طاقة «إندماج». ويمكن أن توفر البلازما التي تحتوي على ملايين من هذه التفاعلات كل ثانية، نسبة هائلة من الطاقة عبر كميات صغيرة جداً من الوقود. ويسفر الاندماج عن إنتاج كمية ضخمة من الطاقة تبلغ أربعة أضعاف الكمية التي تنتج عن تفاعلات الانشطار النووي.
من الناحية النظرية، وبحسب الوكالة الدولية للطاقة الذرية، فإن استخدام بضعة غرامات فقط من الديوتيريوم والتريتيوم يتيح إنتاج كمية من الطاقة تبلغ تيراجول واحد، وهي تقريباً كمية الطاقة التي تكفي لتلبية احتياجات شخص واحد من سكان البلدان المتقدِّمة النموّ لفترة تزيد على ستين عاماً.
لا يمكن مقارنة هذا التفاعل كما يحصل داخل النجوم، مع ما تحاول البشرية أن تصنعه على الأرض. ففي النجوم، يكون التفاعل سهلاً بسبب كتلة النجوم الضخمة، فضلاً عن أنه يعطي النجم قوّة جاذبية هائلة تمكنها من دمج تلك الذرات في قلبها وبالتالي توليد الطاقة. لكن كيف يمكن التحكم بمثل هذا الأمر هنا على الأرض؟ عملياً، إن محاكاة طريقة عمل الشمس على الأرض مهمة صعبة. فقد استطاع العلماء تطبيق مفهوم الاندماج بطرق لا يمكن السيطرة عليها مثل القنابل الهيدروجينية. وداخل المختبرات بشكل غير مجدٍ أيضاً. بمعنى آخر، لكي يصبح الاندماج النووي تقنية فعالة، يجب أن تنتج طاقة أكثر ما تستهلك، وبالتالي أن «يعمل» معتمداً على نفسه، فيأخذ ما هو بحاجة إليه من الطاقة التي أنتجها بنفسه ليستخدم الباقي لإنتاج الكهرباء، أي بشكل يشبه ما يحصل في مفاعل الانشطار النووي، عبر غلي الماء من أجل توليد البخار.
حالياً، تقوم الفرق البحثية في جميع أنحاء العالم بتجربة طرق مختلفة لكسر ميزان التعادل بين إطلاق العملية والناتج منها. لتكون مجدية يجب أن يكون الناتج أكبر بكثير. والأساليب تميل إلى الانقسام إلى فئتين:
- تتمثّل إحدى طرق التحكّم في البلازما شديدة الحرارة عبر استخدام مغناطيس جبّار. الجهاز الأكثر تقدماً لهذا هو «توكاماك»، وهي كلمة روسية تعني غرفة مغناطيسية على شكل حلقة.
بهذا، يمكن للبلازما أن تتحرك داخل المفاعل بشكل مضبوط. وبحسب موقع «iter.org»، بعد تجارب الاندماج الأولى في ثلاثينيات القرن الماضي، أُنشئت مختبرات فيزياء الاندماج في كل دولة صناعية تقريباً. وبحلول منتصف الخمسينيات من القرن الماضي، كانت «آلات الاندماج» تعمل في الاتحاد السوفياتي والمملكة المتحدة والولايات المتحدة وفرنسا وألمانيا واليابان. لكن الاختراق الكبير حدث في عام 1968، في الاتحاد السوفياتي. حقق الباحثون هناك مستويات درجات الحرارة وأوقات حبس البلازما اللازمة لتحقيق الاندماج (لم يحصل ذلك من قبل). كانت الآلة السوفياتية عبارة عن جهاز حبس مغناطيسي على شكل دونات يسمى «توكاماك» (tokamak). ومنذها تضاعفت أجهزة «توكاماك» في جميع أنحاء العالم.
- تتضمن الفئة الأخرى حصر وقود الاندماج وضغطه في مساحة صغيرة بمساعدة الليزر. بحسب الوكالة الدولية للطاقة الذرية، «من المتوقع أن يلبي الاندماج احتياجات البشرية من الطاقة لملايين السنين». و«لن تَنْتُج عن مفاعلات الاندماج في المستقبل نفايات نووية قوية الإشعاع وطويلة العمر، أمَّا انصهار القلب فهو أمرٌ مستحيل عمليّاً في مفاعلات الاندماج».
مزايا اقتصادية وبيئية
مع تزايد المخاوف بشأن تغيّر المناخ والإمدادات المحدودة من الوقود الأحفوري، تحتاج الحكومات إلى طرق جديدة وأفضل لتلبية الطلب المتزايد على الطاقة. لذا تجعل مزايا الاندماج النووي خياراً جذاباً للغاية:
- لا انبعاثات كربونية: المنتجات الثانوية الوحيدة لتفاعلات الاندماج هي كميات صغيرة من الهيليوم، وهو غاز خامل يمكن إطلاقه بأمان من دون الإضرار بالبيئة.
- وقود متوفر: يمكن استخلاص الديوتيريوم من الماء وسيتم إنتاج التريتيوم داخل محطة الطاقة من الليثيوم، وهو عنصر يتواجد بكثرة في القشرة الأرضية ومياه البحر.
- كفاءة الطاقة: يمكن أن يوفر كيلوغراماً واحداً من وقود الاندماج، الكمية نفسها من الطاقة التي توفرها 10 ملايين كيلوغرام من الوقود الأحفوري. ستحتاج محطة توليد الكهرباء التي تبلغ سعتها 1 غيغاوات إلى أقل من طن واحد من الوقود خلال عام.
- النفايات المشعّة أقل من الانشطار النووي: لا توجد نفايات مشعة من تفاعل الاندماج. تصبح مكوّنات المفاعل فقط مشعّة؛ يعتمد مستوى النشاط الإشعاعي على المواد الإنشائية المستخدمة. يتم إجراء الأبحاث على المواد المناسبة لتقليل أوقات تبدّد الإشعاع قدر الإمكان (تقدر بنحو 12 سنة، وهي لا تعد شيئاً مقارنة بآلاف السنوات من الإشعاع مع الانشطار).
- آمن: لا يمكن وقوع حادث نووي واسع النطاق في مفاعل الاندماج. كميات الوقود المستخدمة في أجهزة الاندماج صغيرة جداً.
- قوّة موثوقة: سيتم تصميم محطات توليد الطاقة الاندماجية لإنتاج إمداد مستمر بكميات كبيرة من الكهرباء. بمجرد إنشائها في السوق، يتوقع أن تكون الأكلاف مماثلة إلى حد كبير لمصادر الطاقة الأخرى.
■ الاندماج النووي بواسطة «توكاماك»
هناك عدد من المشاريع التي تحاول خلق النجم وإنتاج الطاقة منه سواء بواسطة «توكاماك» أو بواسطة «الليزر». فمن أبرز المشاريع التي تعتمد «توكاماك»:
«EAST»
مشروع (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) التابع لجمهورية الصين الشعبية (يطلق عليه أيضاً تسمية الشمس الاصطناعية). حقّق عملية بلازما مستمرة عالية الحرارة لمدة 1056 ثانية في أحدث تجربة يوم 31 كانون الأول 2021، وهي أطول فترة تشغيل من نوعها في العالم. بحسب وكالة «شينخوا» الرسمية الصينية.
هذا الاختراق كشفه الباحث في معهد فيزياء البلازما التابع لأكاديمية العلوم الصينية (ASIPP)، والمسؤول عن التجربة التي أجريت شرق الصين، غونغ شيانزو، قائلاً: «لقد حققنا درجة حرارة بلازما تبلغ 120 مليون درجة مئوية لمدة 101 ثانية في تجربة أجريت في النصف الأول من عام 2021. هذه المرة (31 كانون الأول 2021)، استمرت عملية البلازما في الحالة المستقرة لمدة 1056 ثانية عند درجة حرارة قريبة من 70 مليون درجة مئوية، ما أدّى إلى وضع أساس علمي صلب وتجريبي لتشغيل مفاعل الاندماج». الهدف النهائي لـ«EAST»، هو إنشاء اندماج نووي مثل الشمس، باستخدام الديوتيريوم الموجود في البحر لتوفير تيار مستمر من الطاقة النظيفة.
بحسب موقع «ياهو فاينانس»، ستتخطى كلفة «شمس الصين الاصطناعية» 1 تريليون دولار (1000 مليار دولار).
«ITER»
- أكبر مشروع اندماج في العالم قيد الإنشاء حالياً في جنوب فرنسا. تتعاون فيه 35 دولة لبناء أكبر «توكاماك» في العالم، لإثبات جدوى الاندماج كمصدر للطاقة واسع النطاق وخالٍ من الكربون. وبحسب الموقع الإلكتروني للمشروع، ساهم الآلاف من المهندسين والعلماء في تصميم «ITER» منذ أن تم إطلاق فكرة تجربة دولية مشتركة في الاندماج لأول مرة في عام 1985. أعضاء «ITER» هم: الصين والاتحاد الأوروبي والهند واليابان وكوريا الجنوبية وروسيا والولايات المتحدة. ومن المقرّر أن يبدأ «ITER» العمل في عام 2025 ويبدأ تجارب اندماج الهيدروجين في عام 2035.
كانت الميزانية الأولية تصل إلى 6 مليارات يورو، ولكن يتوقع أن تتراوح الكلفة الإجمالية للبناء والعمليات بين 18 مليار يورو و22 مليار يورو؛ تقديرات أخرى تضع الكلفة الإجمالية بين 45 مليار دولار و 65 مليار دولار.
مشروع «JET Tokamak» بتعاون أوروبي
- نشرت مجلة «نيتشر» في الـ9 من شباط الحالي، تقريراً عن تحطيم مفاعل الاندماج النووي «JET Tokamak» الرقم القياسي في الطاقة خلال تجربة أجريت في 21 كانون الأول 2021، حيث أنتج «JET Tokamak» نحو 59 ميغا جول من الطاقة على «نبضة» اندماجية مدتها 5 ثوان - أكثر من ضعف 21.7 ميغا جول التي تم إصدارها في عام 1997 خلال حوالى 4 ثوان. واستغرقت التطويرات 20 عاماً من التحسين التجريبي، بالإضافة إلى ترقيات الأجهزة التي تضمنت استبدال الجدار الداخلي لـ«tokamak» لإهدار وقود أقل.
«STEP»
- تخطّط المملكة المتحدة أيضاً لبناء محطة طاقة اندماج نووي كجزء من «الثورة الصناعية الخضراء». يهدف مشروع «STEP» اختصاراً من (Spherical Tokamak for Energy Production)، إلى إنتاج تصميم بحلول عام 2024 وتوصيل الطاقة إلى منازل الناس في وقت ما بعد عام 2040. في أيلول من عام 2019، أعلنت المملكة المتحدة عن استثمار مخطّط قيمته 200 مليون جنيه إسترليني (248 مليون دولار أميركي) لإنتاج تصميم لـ«STEP». يغطي التمويل مرحلة التصميم الأولى لمدة خمس سنوات، بينما تقدّر التكاليف الرأسمالية الإجمالية بعدة مليارات من الدولارات.
■ أما من أبرز المشاريع التي تعتمد تقنية «الليزر»، فهي:
«NIF»
- مرفق الإشعال الوطني «NIF» في مختبر «لورانس ليفرمور الوطني» في كاليفورنيا الولايات المتحدة. يستخدم «NIF» نحو 192 حزمة من أقوى ليزر في العالم لتسخين وضغط جزيئات صغيرة من وقود الهيدروجين إلى النقطة التي تحدث فيها تفاعلات الاندماج النووي. وبحسب «بي بي سي»، خلال تجربة في أواخر أيلول من العام الماضي، تجاوزت كمية الطاقة المنبعثة من خلال تفاعل الاندماج كمية الطاقة التي يمتصّها الوقود. هذا ويستمر العلماء في ترقية أداء التقنية والعمل بثبات نحو الاندماج الإيجابي للطاقة. بلغت التكلفة الإجمالية لـ«NIF» نحو 3.5 مليار دولار.