إنجاز صيني جديد.. الشمس الاصطناعية تكسر حاجزا في الاندماج النووي

حقق علماء يعملون على مفاعل الاندماج النووي الصيني المعروف باسم "الشمس الاصطناعية" انجازا علميا مهما بعدما تمكنوا من تجاوز حد كثافة في بلازما الاندماج ظل لعقود عائقا فيزيائيا أساسيا لا يمكن تخطيه.

تشير النتائج إلى أن البلازما يمكن أن تبقى مستقرة حتى عند كثافات شديدة الارتفاع إذا جرى التحكم بدقة في تفاعلها مع جدران المفاعل، وهو ما قد يزيل أحد أكبر العوائق التي أخرت الوصول إلى الاشتعال النووي، ويقرب مفاعلات الاندماج المستقبلية من إنتاج طاقة أعلى.

تمكن باحثون يعملون على مفاعل EAST الصيني فائق التوصيل من تحقيق ما كان ينظر له منذ سنوات باسم "نظام الكثافة الحرة" في تجارب بلازما الاندماج.

في هذا النظام تظل البلازما مستقرة حتى عندما ترتفع كثافتها إلى مستويات تتجاوز بكثير الحدود التقليدية المعروفة.

وقد نشرت النتائج في مجلة Science Advances لتؤكد أن أحد أكثر القيود الفيزيائية استعصاء في طريق طاقة الاندماج قد يكون قابلا للتجاوز أخيرا.

طور فريق الباحثين الصينيين أسلوب تشغيل جديد عالي الكثافة لمفاعلEAST، وأظهر أن كثافة البلازما يمكن دفعها إلى ما بعد الحدود التجريبية الراسخة دون إثارة حالات عدم الاستقرار التي عادة ما تنهي التجارب وتوقف حبس البلازما، وهو ما يتحدى افتراضات استمرت لعقود حول سلوك بلازما التوكاماك عند الكثافات المرتفعة.

ينظر إلى الاندماج النووي على نطاق واسع باعتباره مصدرا محتملا للطاقة النظيفة والمستدامة. وفي تفاعلات اندماج الديوتيريوم والتريتيوم يجب تسخين الوقود إلى نحو ثلاثة عشر كيلوإلكترون فولت، أي ما يعادل مئة وخمسين مليون درجة مئوية، للوصول إلى الظروف المثلى.

وعند هذه الدرجات ترتفع القدرة الناتجة عن الاندماج مع مربع كثافة البلازما، غير أن التجارب السابقة في مفاعلات التوكاماك ظلت مقيدة بحد أعلى للكثافة، إذ يؤدي تجاوزه غالبا إلى عدم استقرار البلازما وفقدان الحبس وتعريض الجهاز للخطر، وهو ما شكل عقبة رئيسية أمام تحسين أداء الاندماج.

يقدم إطار نظري أحدث يعرف باسم «التنظيم الذاتي بين البلازما والجدار» تفسيرا مختلفا لظهور حدود الكثافة، وقد طرح هذا المفهوم لأول مرة على يد باحثين من المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي وجامعة إيكس مرسيليا.

ووفقا لهذه النظرية يمكن أن يظهر نظام خال من قيود الكثافة عندما يصل التفاعل بين البلازما والجدران المعدنية للمفاعل إلى حالة توازن دقيقة، وفي هذا النظام تلعب عملية القذف الفيزيائي من الجدران دورا محوريا في تشكيل سلوك البلازما.

قدمت تجارب EAST أول تأكيد عملي لهذه الفكرة النظرية. إذ قام الباحثون بالتحكم بعناية في ضغط غاز الوقود الابتدائي، وطبقوا تسخين الرنين السيكلوتروني للإلكترونات خلال مرحلة بدء التفريغ، وهو ما سمح بضبط تفاعل البلازما مع الجدار منذ اللحظات الأولى.

ونتيجة لذلك انخفض تراكم الشوائب وخسائر الطاقة بشكل كبير، وارتفعت كثافة البلازما تدريجيا حتى نهاية مرحلة التشغيل الابتدائي.

وتحت هذه الظروف دخل المفاعل بالفعل في نظام الكثافة الحرة الذي تنبأت به نظرية التنظيم الذاتي، مع الحفاظ على استقرار البلازما عند كثافات تجاوزت بكثير الحدود التجريبية المعروفة.

توفر هذه النتائج فهما فيزيائيا جديدا لكيفية كسر حاجز الكثافة الذي ظل طويلا عائقا أمام تشغيل مفاعلات التوكاماك وتطوير طاقة الاندماج وصولا إلى مرحلة الاشتعال.

وقال البروفيسور بينج تشو إن هذه النتائج تشير إلى مسار عملي وقابل للتوسع لتمديد حدود الكثافة في مفاعلات التوكاماك وفي أجهزة الاندماج المستقبلية التي تعمل ببلازما حارقة.

وأضاف الأستاذ المشارك نينج يان أن الفريق يخطط لتطبيق النهج نفسه قريبا خلال أوضاع الحبس العالي في مفاعل EAST بهدف الوصول إلى نظام الكثافة الحرة تحت ظروف تشغيل عالية الأداء.