المختبر الوطني يفتح باب الاندماج النووي - اختراق حقيقي ، قانون جديد ، أم كلاهما؟

Nلطالما كان الاندماج النووي الكأس المقدسة للطاقة النظيفة حقًا. يعد تحطيم ذرات الهيدروجين معًا بالكهرباء اللامحدودة مع انبعاثات الكربون الصفرية ، والحد الأدنى من النفايات المشعة وفرصة صفر للانصهار الكارثي. لكن لمدة نصف قرن من الزمان كان علماء الاندماج مقيدين بقوة الليزر وقوة المجالات المغناطيسية - لم يكتشفوا قبل ذلك كيفية استخلاص المزيد من الطاقة من تحطيم ذراتهم أكثر مما وضعوه. حتى الآن.

اليوم العلماء في مرفق الإشعال الوطني في مختبر لورنس ليفرمور الوطني سيكشف (LLNL) في كاليفورنيا أنه في أوائل ديسمبر ، وللمرة الأولى ، تمكنوا من تحقيق زيادة في الطاقة تزيد عن 1 - أي ، تم إصدار المزيد من الطاقة من التفاعلات داخل كبسولة وقود الديوتيريوم-التريتيوم (2,000 ميغا جول) مما ورد في عدد 192 ليزر التي قاموا بتفجيرها بها.

تقول ديبرا كالاهان ، عالمة فيزياء البلازما التي تركت فريق اندماج LLNL مؤخرًا لتصبح مديرة علمية عند بدء التشغيل ، إنها صفقة كبيرة ، تستحق الاحتفال ، ولكنها إلى حد ما نتيجة محتومة. طاقة مركزة، والتي تعمل بالفعل على تسويق هذا النهج.

عرف Callahan أن LLNL ستحقق صافي ربح للطاقة بعد أن وصلت العام الماضي إلى إنتاج طاقة بنسبة 72 ٪ من مدخلات طاقة الليزر الخاصة بهم. "إنها ليست مفاجأة بالنسبة لي. نظرا إلى مسار النتائج التي كنا نراها، كان سيحدث "، كما تقول. لقد احتاجوا فقط إلى طاقة ليزر أكثر بقليل. فكيف يعمل؟ تخيل أسطوانة صغيرة مجوفة مصنوعة من الذهب تناسب راحة يدك. هذا يسمى هولروم. داخل الهوهلراوم ، تدخل كبسولة وقود صغيرة بداخلها ذرات الديوتيريوم والتريتيوم.

يستخدمون الذهب لأنه يحتفظ بالأشعة السينية التي يتم إنتاجها عند تفجير أي من طرفي hohlraum بـ 173 من أقوى أجهزة الليزر في العالم. يقول كالاهان ، "إنه مثل فرن الأشعة السينية ،" الذي يضغط الوقود لدرجة أنه ينفجر من الداخل ويشعل الاندماج بين الذرات في مركز الكبسولة. ثم ينتشر الاندماج في موجة من المركز ، مما ينبعث منه حرارة هائلة. كل هذا يحدث في جزء من المليار من الثانية.

لماذا ترك Callahan LLNL عندما كانوا على وشك النجاح؟ لأنها ، كما تقول ، منشأة الإشعال الوطنية ليست آلة اندماج. يعتبر الهولروم رائعًا لإثبات الاشتعال ، ولكنه ليس بالضرورة فعالًا بدرجة كافية لهندسة الاندماج النبضي المستمر لأن الكثير من طاقة الليزر المتبقية تُفقد في تسخين الذهب بدلاً من وقود الهيدروجين. لذلك في التركيز على الطاقة (بدعم من برايم موفرز لاب و شركاء المؤسسة الجديدة) خطتهم هي التخلص من hohlraum وبدلاً من ذلك استخدام نهج "الدفع المباشر" - نسف الليزر مباشرة على كبسولة الوقود (انظر التخطيطي).

لم يبرهنوا بعد على نجاحه ، لكن كالاهان واثق من أنه في غضون عامين سيحقق مشروعهم التجريبي زيادة 10 أضعاف في الطاقة. سيتبع ذلك مصنع ثان يصل إلى 30 ضعفًا ، يليه ما سيكون في نهاية العقد الثالث من القرن الحالي أول مولد تجاري لهم ، ونأمل أن يحقق زيادة في الطاقة بمقدار 2030 ضعف وتفجير 100 كبسولات وقود كل ثانية.

ولكن هناك تحدٍ خاص. بمعدل 10 في الثانية ، ستستخدم أجهزتهم ما يقرب من 900,000 كبسولة يوميًا. هذا ليس مثل جرف الفحم في الفرن ؛ يجب تصنيع كل كبسولة وفقًا للمعايير الصارمة وإطلاقها في الماكينة في توقيت مثالي.

***

هل هذا واقعي؟ بعض منافسي الاندماج لا يعتقدون ذلك. جنرال فيوجن هي شركة اندماج مقرها فانكوفر ، كندا أعلنت أمس عن إنجازها الخاص. يُطلق على نهجها الانصهار الهدف الممغنط ويتضمن آلة حيث يتم حقن كرة من بلازما الهيدروجين في الماكينة واستخدام مغناطيسات قوية لحملها أثناء الضغط بمكابس ميكانيكية بدلاً من الليزر. يتوقع الرئيس التنفيذي جريج توينني أن المصنع التجريبي الذي تقوم شركة جنرال فيوجن ببنائه في المملكة المتحدة لإظهار الاندماج في عام 2027 ، مع تصميم تجاري جاهز في أوائل 2030. يقول: "عندما نرى أخبارًا مثل هذه ، فإننا لا نتفاجأ". لكن لا يمكن استقراء نهج LLNL في مصنع اندماج عامل ، وهو ما تقدمه شركة جنرال فيوجن (المدعومة بـ 300 مليون دولار من جيف بيزوس ، Shopifyتسوق الآن
بدأ الرئيس التنفيذي توبياس لوتكي ، وتيماسيك ، من بين آخرين) القيام بذلك منذ البداية. يقول: "كل ما نقوم به يركز على محطة طاقة تجارية". "إذا نجحت في تجربة علمية ولكنها ليست تجارية ، فنحن لسنا مهتمين بذلك."

ولدت أخبار LLNL استجابة مماثلة من الرئيس التنفيذي ديفيد كيرتلي من شركة اندماج ناشئة مقرها سياتل الهيليوممدعومة بـ 600 مليون دولار من أباطرة التكنولوجيا بيتر ثيل وسام ألتمان وداستن موسكوفيتز وريد هوفمان وجيف سكول. يقول Kirtley: "نحن متحمسون لأنهم وصلوا إلى معالمهم العلمية لأجهزتهم". لكنه لا يشعر بالتهديد من قبل "جهاز بحث غير مصمم لتوليد الكهرباء". على النقيض من ذلك ، فإن تشغيل آلة الانصهار التي يبلغ طولها 60 قدمًا من Helion تتضمن حقن كرات بلازما في كل طرف ، وتحطيمها معًا في تفاعل 100 مليون درجة يتم التحكم فيه بواسطة مجالات مغناطيسية مكثفة. في نظام هيليون الجديد ، تدفع الطاقة المنبعثة في تفاعلات الاندماج باستمرار إلى الخارج ضد مجال الاحتواء المغناطيسي الخاص بها ، والذي يدفع للخلف - مما يتسبب في حدوث اهتزازات "مثل المكبس" ، كما يقول كيرتلي ، التي تولد تيارًا كهربائيًا ، يلتقطه هيليون مباشرة من المفاعل. (للمزيد ، اقرأ قانون فاراداي للاستقراء.)

تقوم Helion ببناء نموذجها الأولي السابع وتصميمها الثامن ، والذي يأمل Kirtley أن يكون أول مولد اندماج تجاري - ربما يكون متصلاً بشبكة الطاقة بحلول نهاية هذا العقد ، إذا سارت الأمور على ما يرام. ويقول إن المنظمين النوويين الفيدراليين يبدو أنهم عازمون على إخضاع أجهزتهم لنفس القواعد مثل معجلات الجسيمات ونوع آلات التصوير المستخدمة في المستشفيات.

وهناك الكثير من الشركات الأخرى التي تتبع النهج الأكثر رسوخًا للاندماج - وهو توكاماك المفهوم ، حيث يتم حقن كرات البلازما في غرفة مفاعل على شكل كعكة مجوفة ، يتم التحكم فيها بواسطة مجالات مغناطيسية قوية. كومنولث فيوجن، وهي شركة فرعية من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، تسعى إلى تحسين التوكاماك باستخدام مواد فائقة التوصيل فائقة الحرارة يعتقد الرئيس التنفيذي بوب مومجارد أنها ستمكّنها من الحصول على جهاز اندماج فعّال بحلول نهاية العقد. الشيء نفسه ينطبق على شركة General Atomics ومقرها سان دييغو (أشهرها لاختراع طائرة بدون طيار من طراز بريداتور) ، التي كانت تشغل توكاماك لصالح وزارة الطاقة منذ عقود وتقوم بتصميم آلة جديدة. قامت GA أيضًا ببناء أقوى مغناطيس في العالم ، يسمى الملف اللولبي المركزي ، لأكبر مشروع اندماج في العالم على الإطلاق ، 30 مليار دولار آيتر قيد الإنشاء في فرنسا. إذا كانت الشركات الناشئة الأخرى في الاندماج تسير في طريقها ، فسيكون ITER عفا عليه الزمن قبل أن يكتمل في وقت ما في العقد المقبل. لنشر رهاناتها ، GA (المملوكة للملياردير نيل بلو) لديها شراكة مع مختبر نهر سافانا الوطني لتصنيع كريات الوقود لآلات الاندماج القائمة على الليزر مثل LLNR و Focused Energy.

بغض النظر عمن تتحدث إليه في مجال الاندماج ، فإن انتقاداتهم لمفاعلات الانشطار النووي الراسخة هي نفسها. ينتج عن تفاعلات الانشطار (التي تتفكك فيها الذرات الكبيرة من اليورانيوم المخصب) نفايات مشعة بما في ذلك البلوتونيوم والأكتينيدات الخطرة التي يمكن تسليحها. على عكس الاندماج ، الذي يصعب البدء به ويسهل إيقافه ، من السهل بدء تفاعلات الانشطار ويصعب إيقافها ، مما يعرض مخاطر الانهيارات الكارثية. أحدث التصميمات ، مثل وستنجهاوس AP1000 مفاعل الانشطار ، قيد الإنشاء في كل من الولايات المتحدة والصين ، يتميز بإجراءات أمان سلبية وهو مقاوم للانهيار فعليًا.

***

يعتقد بعض رواد الأعمال الذرية أن الانشطار النووي كافٍ. بريت كوجيلماس ، المؤسس والرئيس التنفيذي لشركة آخر طاقة، منذ خمس سنوات لابتكار أكثر المفاعلات النووية كفاءة واقتصادية في العالم. قبل أن يستقر على نهجه ، أجرى كوجيلماس ، البالغ من العمر الآن 36 عامًا ، مقابلات مع مئات من خبراء الصناعة النووية (ووضع المحادثات حوله. جبابرة البودكاست النووي) لاستخلاص الحكمة الجماعية للصناعة. على الرغم من إيمانه بمستقبل الاندماج على المدى الطويل ، فقد قرر كوجيلماس أن أفضل رهان في العالم للانتقال بعيدًا عن الوقود الأحفوري يكمن في بناء مفاعلات انشطارية معيارية بأبسط وأرخص وأسلم طريقة ممكنة. في مصنعها بالقرب من هيوستن ، تقوم Last Energy الآن بتصنيع أول مفاعلات مياه مضغوطة معيارية صغيرة ، والتي تستخدم مكونات جاهزة ، يتم الحصول عليها من خلال سلاسل التوريد النووية الحالية ، مع التكنولوجيا التي تم إتقانها على مدى عقود وتستخدم في المزيد من 300 مفاعل في جميع أنحاء العالم.

بالفعل ، باعت Last Energy 10 من وحداتها البالغة 20 ميغاواط إلى عميل في بولندا ، ووحدتان أخريان لرومانيا ، وحفنة لبريطانيا. يقول Kugelmass إن ملكيته الفكرية ليست في المكونات التي أثبتت جدواها ، ولكن في كيفية تجميعها معًا. لقد جمع حتى الآن 24 مليون دولار بقيادة جيجافوند، وتتوقع تشغيل المفاعلات الأولى في بولندا في عام 2025. ولتمويل الآلات ، تدخل Last Energy في اتفاقيات شراء طاقة طويلة الأجل تعد العملاء بعقود من الطاقة النووية الخالية من الكربون بأسعار أقل من أسعار السوق. يقول كوجيلماس: "لقد تمكنا من اقتطاع مكانة مرغوبة لم يكن أحد يسعى وراءها". "وضعنا الصندوق الأسود للعملية بأكملها."

على الرغم من أن وعد الاندماج قد يكون مغريًا ، إذا كان لدى Kugelmass طريقته الخاصة ، فإن الحقائق التنافسية للانشطار الراسخ والموثوق يمكن أن تحيل ابن عمها الجديد إلى سلة مهملات التكنولوجيا البطولية - هل تتذكر Betamax و Google Glass و New Coke؟

أكثر من فوربزيغذيها الملياردير دولار ، الاندماج النووي يدخل عصرًا جديدًاBy كريستوفر هيلمانأكثر من فوربزالطاقة النووية الجديدة: كيف تخطط شركة يونيكورن للطاقة الانصهار بقيمة 600 مليون دولار للتغلب على الطاقة الشمسيةBy كريستوفر هيلمانأكثر من فوربزالمليارديرات الهادئون وراء الطائرة الأمريكية المفترسة التي قتلت سليماني الإيرانيBy دنيز تشام