مفاعل الاندماج النووي (شمس علي الارض)ـ

plas-blog

الإندماج النووي {3} مفاعل الاندماج النووي (شمس علي الارض)ـ  

كيف تعمل الشمس

هل تسالت يوم كيف تضيء النجوم  مثل الشمس وما مصدر طافتها الهائلة . الشمس التي تشرق كل صباح هي فرن كبير يعمل منذ 4.9 مليار عام تقريبا بانتاجية حوالي 280,000,000,000,000,000,000,000,000 وات ــــ تمهل قليلا وفكر 280 وامامها 24 صفر يعني (تريليون تريليون)  ولتعلم ان اللمصباح الموفرللطاقة يستهلك 20 وات, فلتتامل كم مصباح تعادل انتاجية الشمس وتقدر الحسابات ان الشمس في منتصف عمرها اي ستموت بعد 5 مليار عام اخرين حتي نفاذ وقودها. وقودها !!! نعم الشمس لها وقود فهي كرة غازية وقودها الهيدروجين والهيليوم اخف العناصر المعروفة لنا وعند حدوث عملية الاندماج النووي لذرات الهيدروجين معا او الهيليوم معا معطيا انوية اثقل تتولد تلك الكميات المهولة من الطاقة. ولكن يا تري  لماذا لا تنفجر الشمس نتيجة الضغط الحراري العالي الموجود بها؟  الاجابة تكمن في كتلة الشمس الهائلة  و القادرة علي احتواء ذلك الضغط وبمرور الزمن وحرق مزيد من الوقود يقل الضغط الحراري مقارنة بالجاذبية فتتغلب عليه  ويموت النجم.ــ

اقرا مقالاتنا السابقة من هنا
شارك منشورتنا علي الفيسبوك من هنا

images (1)

تحقيق الاندماج النووي علي الارض

ومن هذا المنطلق حاول العلماء كالمعتاد محاولة فهم عملية الاندماج النووي في الشموس وتحقيقها في المعامل. وكانت البداية مع رازرفورد [1] (مكتشف النواة) واخرين في عام 1934 باستخدام مسرعات الجسيمات. حيث قاموا بتسليط حزم من انوية احد نظائر الهيدروجين (الديوتيريم) علي شرائح من الديوتيريم والليثيوم وبدا يدرس احتمالية الاندماج عند الطاقات المختلفة ومزيد من الدرسات اثبتت ان تفاعل نظيري الهيدروجين (الترتيوم والديوتيريم) هم الاعلي احتمالية في الطاقات التي يمكن ان نحققها علي الارض. وكما عرضنا في مقال (أفضلية الاندماج علي الانشطار النووي) ان هذا يحتاج درجات حرارة تصل الي 150 مليون درجة مئوي تكون المادة في حالة البلازما كما عرضنا في (مقال خصائص البلازما) وينتج ضغط حراري عالي ولكن المشكلة كيف يمكن الاحتواء في ظل غياب الجاذبية حيث ان الكتل هنا لا تقارن بالشمس نهائيا ولا يمكن ان تحتوي جدران اي مفاعل  البلازما حيث ان اقصي المعادن يذوب عند 7000 درجة. وكان الحل هو الاقفاص المغناطيسية التي مهدنا لها بالمقال السابق وسنتناولها بنوعيها هنا بشئ من التفصيل.ــ

كيف يعمل المفاعل الاندماجي

المفاعلات الاندماجية تعتمد بالاساس علي مبدا بسيط وهو ان اي جسم مشحون تبعا لقوة لورنتز[2] يتبع خطوط المجال المغناطيسي في شكل حلزوني (شاهد الفيديو) وبناء عليه يمكن احتواء البلازما بمجالات مغناطيسية مغلقة تسمي (اسطح  الفيض المغناطيسية المغلقة – شاهد فيديو لتوضيح الحركة بها) ويكمن التحدي التكنولوجي في كيفية توليد المجالات المغناطيسية المطلوبة وهناك العديد من الطرق ولكن التصميمين السائدين ومتصدري العمل البحثي العالمي هم التوكماك [3] (روسي الفكرة) والاستلارتور[4] (امريكي الفكرة) وكلاهما ظهر في الخمسينيات من القرن المنصرم. ومن المعلوم لكل دارسي الفيزياء ان المجال المغناطيسي يتولد بتمرير تيار كهربي في ملف من سلك وبحسب شكل الملف يكون شكل المجال المغناطيسي الناتج.ــ

نوعي المفاعلات

النوع الاول: التوكماك  (هي بداية الكلمات لجملة روسية تعني الغرفة المغناطيسية المنحنية) و غرفته عبارة عن اسطوانة مغلقة علي نفسها ومحاطة بملفات دائرية منتظمة وهذا المصدر الاول للمجال المغناطيسي ويوجد بالقلب ملف عمودي يسمي عمود الحث الكهربي يولد تيار كهربي داخل البلازما ذات الشحنات الحرة مولدا مجال مغناطيسي اخر متعامد علي الاول وبدمج الاثنين يكون سطوح الفيض المغلقة. ولكن هناك تحديام عل ملفات الحث لانها تعتمد علي تغير التيار الكهربي بها ولابد ان يتوقف لاعادة الشحن وهذا يجعل التوكماك يعمل بنظام النبضات من المفترض ان تكون 10 ساعات في المحطات الانتاجية وهذا يجعل العمر الافتراضي اقل لان العمل الدوري هذا يقلل العمر الافتراضي من الدرسات الهندسية للالات وعلوم المواد. ولكنه اسهل من حيث تصنيع الملفات والحسابات التي تكون ثنائية البعد لوجود تماثل حول محوره. ويوجد حوالي 30 توكماك بحثي علي مستوي العالم اكبرها يسمي (جيت) [5] وموجود باكسفورد بانجلترا ومملوك للاتحاد الاوروبي.ــ   فيديو قصير لمحاكاة عمل المفاعل

tok
التوكماك

 

النوع الثاني الاستلارتور:  (وهي البداية النهاية لكلمة مصنع الشمس بالانجليزية) وغرفته عبارة عن اسطونة مبرومة اولا ثم تغلق علي نفسها ويكون شكل الملفات متعرجة ومحيطة بالغرفة وتصنع بواسطة برامج هندسية عملاقة ومتخصصة لاعطاء سطوح الفيض المغلقة ويكون كل المجال بواسطة تلك الملفات ولا يحتاج الي ملف الحث الكهربي مما يجعله يعمل بشكل مستمر ولكن لها قصور عن التوكماك فانه لا يستطيع العمل بكثافات عالية مثل التوكماك وايضا صعوبة تصميمه وتصنيعه لعدم انتظام شكله . ومن النوادر ان فكرته كانت قبل التوكماك ولكنه دخل الحيز البحثي بشكل فاعل متاخرا عن التوكماك حوالي 30 عاما. وهناك حوالي 5 استلارتور يتصدرها الالماني فاندلشتين سفن اكس [6] والياباني الجهاز الحلزوني الكبير[7].ــ فيديو قصير لمحاكاة عمل المفاعل

w7x
الاستلارتور

الخطوة القادمة

وهنا لابد ان نوضح ان كل من هذه المفاعلات البحثية يدرس كل منها مشاكل محددة لزيادة كفاءة المفاعل ومدة عمله لكن الدراسات اثبتت ان المفاعل لابد ان يتضاعف حجمة ليعمل بكثافة عالية وزمن احتواء اطول للوصول لانتاجية 10 اضعاف المدخلات علي المستوي البحثي وبالفعل تكاتف العالم من غربه الي شرقه علي بناء مفاعل بجنوب فرنسا (يسمي ايتر وهي كلمة لاتينية معناها الطريق وسوف يكون من نوع التوكماك) [8] بكلفة حوالي 17 مليار يورو ويشارك فيه الاتحاد الاوروبي بدوله ال 29 وامريكا والصين وروسيا واليابان وكوريا الجنوبية والهند ومخطط ان يبدا تشغيله في عام 2025.ــ  فيديو قصير عن المشروع

iter
تصميم هندسي للمفاعل البحثي ايتر (تحت الانشاء بجنوب فرنسا)ــ

 

المقال القادم

 ولكن هناك العديد من التساؤلات التي اعتقد انها تبادرت الي الذهن ،،،، علي سبيل المثال كيف نسخن لملايين الدرجات المئوية؟ كيف يتم استخراج الطاقة من المفاعل؟ ما التحديات التي تقف امامنا الان؟ اين نحن العرب من هذه الابحاث كل هذا سنتناوله في المقالات القادمة….. فتابعنا

——————————————————-
كتبه: محمد عزت 
طالب بالماجستير الاوروبي في الاندماج النووي  والفيزياء الهندسية
بمركز ابحاث الطاقة والتكنولوجيا وبالبيئة بمدريد

معيد بقسم الفيزياء – كلية العلوم – جامعة المنصورة

بعض  المصطلحات و المراجع:ـــ

[1] ٌRutherford
[2] Lorentz force
[3] TOKAMAK  (Toroidál’naya kámera aksiál’nym magnitnympólem)
[4] Stellarator (Stellar  + gene [rator])
[5] JET (Joint European Torus)
[6] Wendelstein 7-X
[7] LHD (Large Hadroon Device)
[8] ITER (The way in latin language)
[  ] Fusion Projects Here
[  ] المصادر الرئيسية هنا

______________________________________
 للاشتراك في المدونة ليصلك كل جديد 
______________________________________

ساعدنا بالنشر علي مواقع التواصل الاجتماعي من هنا

Advertisements