اختراق علمي في الاندماج النووي لإنتاج الطاقة البديلة

بقلم - الدكتور ياسر سعيد
فكرة طاقة الاندماج النووى هى فكرة مستنسخة من فكرة انبعاث الطاقة الهائلة من نجم الشمس حيث إنه من عجائب قدرة الله عز وجل إنه بدأ تشكيل الكون الهائل بانفحار نتج عنة انشطار لكتلة واحدة ثابتة نتج عنه مانراة الآن من شمس ونجوم وكواكب،،،.
ولم يخفى الله عنا آلية هذا الإنفجار حيث أشار إلى ذلك فى قرآنه الكريم (أَوَلَمْ يَرَ الَّذِينَ كَفَرُوا أَنَّ السَّمَاوَاتِ وَالْأَرْضَ كَانَتَا رَتْقًا فَفَتَقْنَاهُمَا ۖ وَجَعَلْنَا مِنَ الْمَاءِ كُلَّ شَيْءٍ حَيٍّ ۖ أَفَلَا يُؤْمِنُونَ)، سورة الأنبياء الآية (30)، وقد تم اثبات العلم لهذة النظرية مؤخرا (عالم الفلك الإنجليزي فريد هويل اول من صاغ مصطلح الانفجار العظيم لأول مرة يوم 28 مارس/آذار 1949 أثناء دفاعه عن نظرية الكون الأبدي الذي لا يتغير)
كما أن القدرة الإلهية جعلت من الإنشطار تلك الطاقة الهائلة تسببت فى التشكيل الكونى بنظام محكم وثابت ومتوازن، إلا أنه من عجائب قدرة الخالق إنه جعل من الإندماج النووى أيضا مصدرا لطاقة الشمس المتجددة التي هي من أسباب الحياة على سطح الأرض.
وقبل أن نجيب على على هذا السؤال لنتعرف اولا على الآلية الربانية فى صنع تلك الطاقة الهائلة المنبعثة من نجم الشمس.... كيف تنتج الشمس الطاقة؟
تُمدّنا الشّمس يوميًا بالنُّور والطاقة والحرارة اللازمة للحياة، فهل حصل وأنْ تساءلت عن كيفيّة إنتاج هذه الطاقة المجانية؟ تكمن الإجابة المختصرة عن هذا السؤال في جملة واحدة: تُنتِج الشّمسُ الطّاقة بعملية الاندماج النووي لذرات الهيدروجين في نواتها محولةً إياها إلى ذرات هيليوم. تحتوي نواة الشمس على كمية هائلة من ذرات الهيدروجين، يُنتِج اتحادُها خلال عملية الإندماج النووي ذراتِ هيليوم وكميةً عظيمة من الطاقةِ تَظهرُ على شكل حرارةٍ وإشعاعٍ ثم تنتقل هذه الطاقة من النواة إلينا، عبر النظام الشمس، حيث تَنتُج الطّاقةُ من اندماج نووي خلال سلسة من الخطواتِ تُدعى: سلسلة بروتون-بروتون (p-p)، محولةً الهيدروجين المؤين إلى هيليوم. وتُعدّ النواةُ الجزءَ الوحيدَ من الشّمسِ الذي ينتج قدرًا معتبرًا من الحرارة عبر الاندماج (99%). حيث تنتج تلك الطاقة الهائلة عن فقد في وزن النواة الناتجة عن الاندماج النووي، وهذا الفقد في الكتلة يتحول إلى طاقة طبقًا لمعادلة ألبرت أينشتاين التي تربط العلاقة بين الكتلة والطاقة.
من هنا كانت الفكرة المستنسخة للإندماج النووى.
الاندماج النووي: هى تلك العملية التي يتم فيها اندماج نواتين خفيفتين لتكونا نواة واحدة أثقل منهما،
، أى إدماج نواتين اثنتين من عنصر خفيف الوزن بسرعة هائلة، ودمجهما معًا. تنتج الكتلة الناتجة قدرًا كبيرًا من الطاقة إنما من دون أن تخلف كمية كبيرة من النفايات المشعة.
الهدف من طاقة الاندماج النووي:
وتهدف هذه التجربة الأكبر في العالم إلى إظهار أنَّ محاكاة الطاقة التي تجعل النجوم تلمع، يمكنها إنتاج طاقة نظيفة من شأنها إبطاء ظاهرة الاحتباس الحراري على الأرض.
حيث أن الهدف يبدو بعيد المدى من بحوث الاندماج، وهو تسخير هذه العملية للمساعدة في تلبية الاحتياجات، بعد أن تعرض كوكب الأرض للتلوث البيئى مما تسبب فى الانبعاثات الكربونية الناتجة من مصادر الطاقة العضوية مما تسبب في اتساع ثقب الأوزون الذى تسبب فى زيادة الأشعة فوق البنفسجية الضارة والتى تهدد الحياة على سطح الكوكب،وهذا تبين أثرة فى التغيرات المناخية التى تؤثر على دورة الحياة البيولوجية،فأصبح اهتمام العلماء هو البحث عن مصادر الطاقة صديقة البيئة فضلا عن ابتكار مصادر ذات قوى هائلة للطاقة.
ولقد توصل العلم فى السنوات الأخيرة إلى مصدر جيد للطاقة وهو الهيدروحين الأخضر، لطالما وصف الهيدروجين بأنه "وقود المستقبل". ومع الزخم العالمي لتحقيق إزالة الكربون المترافق مع طرح أهداف وتشريعات جديدة والتقدم الحاصل في مجال تكنولوجيا انتاج الهيدروجين، بات بمقدورنا تحقيق ذلك المستقبل اليوم.
الهيدروجين الأخضر هو بشكل أساسي الهيدروجين المنتج من التحليل الكهربائي للماء بالاعتماد على الطاقة المتجددة. ويمكن استخدام حامل الطاقة الناتج في العديد من تطبيقات الطاقة. كما يمكن استخدامه في شكل هيدروجين أو تحويله إلى مشتقات أخرى للاستفادة منه في مجالات الصناعة أو الطاقة أو النقل، مما يدعم إزالة الكربون من القطاعات الصعبة مثل الصناعات الثقيلة والشحن لمسافات طويلة والنقل والطيران.
ولم يتتوقف طموح العلماء عند هذا الحد، فقد تم مؤخرا الاستفادة من طاقة الإندماج النووى للهيدروجين. حيث بدأ العمل بتجارب دمج نوى الهيدروجين في عام 1991، حيث نجح علماء فيزياء بريطانيين في دمج ذرات الهيدروجين وتحويله إلى غاز الهيليوم، ولو لمدة قصيرة لا تتجاوز الثانيتين، مستخدمين مفاعلا صغيرًا أسموه جِتJET. وعملية الدمج هذه هي عملية كيماوية وفيزيائية معقدة تنتج عنها كمية كبيرة من الطاقة. هذه التجربة الصغيرة أنعشت آمال العلماء وجعلتهم يتطلعون للاستفادة في المستقبل القريب من دمج الذرات واستغلال هذا المصدر الذي لا ينضب للطاقة. وانطلاقًا من هذا التفاؤل شرع العلماء ببناء مفاعل إيتر(ITER) الأكبر حجمًا.
وتشارك 35 دولة في تمويل المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي (ITER)، الذي ما زال قيد الإنشاء في جنوب فرنسا

ومن المخطط أن يكون بوسع هذا المفاعل التجريبي أن يوّلد 10 أضعاف الطاقة التي يستهلكها. "هذه التجربة ستكون بمثابة الاختبار الحاسم لمبدأ توليد الطاقة بطريقة الاندماج"، كما يقول هارتموت تسوم، وهو عالم فيزياء الاندماج في معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما بالقرب من مدينة ميونخ.
. إن إنشاء وتشغيل مشروع ( ITER ) يعد خطوة مهمة لتحديد إمكان استفادة البشرية من الاندماج النووي لتوليد الطاقة على نطاق واسع. بداية مبكرة بينما تم إحراز تقدم ملحوظ في الإعمال التجريبية الكبيرة للاندماج النووي على اتساع العالم، والتي شيد الكثير منها خلال فترة الثمانينيات، فقد كان جليًا أنه مازالت هناك حاجه لأداة كبيرة وأكثر قوة، يمكن فيها خلق الظروف المتوقعة في مفاعلات الاندماج، وذلك لإثبات الجدوى العلمية والفنية لهذه الطريقة. ومن هنا فإن برامج الاندماج النووي في كافة أنحاء العالم قد شرعت في وضع تصميماتها الخاصة في بداية الثمانينيات.
يستهدف هذا المشروع توضيح إمكانية استخدام الاندماج النووي لتوليد الطاقة وكذلك للحصول على البيانات المهمة والضرورية لتصميم وتشغيل أول محطة لإنتاج الكهرباء ويعد التحدي الأهم في تسخير الاندماج النووي هو المحافظة على الطاقة لفترة كافية بحيث يمكن تشغيل شبكات الكهرباء وأنظمة الطاقة حول العالم.
والمشاركون في هذا المشروع هم الاتحاد الأوربي ( بما في ذلك سويسرا، ويمثلهم الاتحاد الأوربي للطاقة النووية - اليوراتوم ) واليابان والصين والهند وجمهورية كوريا والاتحاد الروسي والولايات المتحدة الأمريكية
ولتحقيق ذلك فإن مشروع ( ITER ) سوف يوضح إمكانية الإنتاج المستمر للطاقة، والتكنولوجيات الأساسية لطاقة الاندماج في نظام متكامل، كما يقوم باختبار العناصر الرئيسية المطلوبة لاستخدام الاندماج كمصدر عملي للطاقة. ولسوف يقوم العلماء بدراسة البلازما في ظروف تتشابه مع تلك الظروف المتوقعة في محطات الاندماج النووي لتوليد الكهرباء. وسوف يمكن توليد 500 ميجاوات من طاقة الاندماج من مفاعل ( ITER ) لفترات مستمرة، وهذه الطاقة تبلغ عشرة أضعاف الطاقة المدخلة إلى المفاعل لحفظ البلازما عند درجة الحرارة اللازمة. ومن هنا فإن هذه هي أول تجربة اندماج نووي ينتج عنها طاقة صافية.
ومن المخطط أن يكون بوسع هذا المفاعل التجريبي أن يوّلد 10 أضعاف الطاقة التي يستهلكها. "هذه التجربة ستكون بمثابة الاختبار الحاسم لمبدأ توليد الطاقة بطريقة الاندماج"، كما يقول هارتموت تسوم، وهو عالم فيزياء الاندماج في معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما بالقرب من مدينة ميونخ.
آلية العمل داخل الجهاز:
توصيف جهاز المفاعل التجريبي الحراري النووي الدولي نجد أنه يقوم هذا الجهاز على مفهوم التوكوماك، وهو عبارة عن وعاء على شكل الطارة ( الأنبوبة الحلقية ) محاط بحلقات يتولد عنها مجال مغناطيسي شديد القوة، حيث يمكن بواسطة هذا المجال خلق الظروف الملائمة لعملية
الاندماج النووي، والإبقاء عليها، وجميع هذه الحلقات مصنعة من مواد فائقة التوصيل الكهربي. ويتم تسخين مخلوط الوقود والذي يتكون من نظيري الهيدروجين: التريتيوم والديوتيريوم إلى ما يتجاوز المائة مليون درجة. وتؤدي درجات الحرارة العالية إلى اندماج بعض جسيمات الوقود، منتجة ذرة الهليوم، كما يتولد نيوترون واحد عن كل تفاعل اندماج نووي. وتنتقل معظم الطاقة المولدة من تفاعل الاندماج إلى الجدار عن طريق النيوترونات، وفي داخل هذا تتفاعل النيترونات مع طبقة رقيقة من ذرات الليثيوم حيث يتم إنتاج وفود التريتيوم. ويتم التخلص من الحرارة الناتجة عن إيطاء حركة النيوترونات بواسطة مانع التبريد.
فكرة عمل إنتاج الطاقة من عملية الاندماج النووي للهيدروجين.
ويخطط العمل لإنتاج الطاقة داخل المفاعل الحراري الدولى ليمر بعدة مراحل على الترتيب وهى:
1- إنتاج البلازما
2-الاندماج النووي للهيدروجين
3- إنتاج الطاقة
4- توليد الحرارة والكهرباء للإستخدام فى الحياة.
رسم تخطيطي لخطوات عمل المفاعل النووي الحراري الدولى التجريبي لإنتاج الطاقة من عملية الاندماج النووي للهيدروجين.
أسباب تأخر مشروع المفاعل النووي الحراري (ITER)
تتسبب تشققات في مكون رئيسي مبطن بالفضة في تأخيرات جديدة وتجاوز التكاليف في مشروع تبلغ تكلفته 23 مليار دولار لإثبات ما إذا كان الاندماج النووي قادرًا على إنتاج طاقة نظيفة بلا حدود.، حيث يمول الاتحاد الأوروبي ومعه دول تشمل الصين والهند واليابان وروسيا وكوريا الجنوبية المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي (ITER) الذي ما يزال قيد الإنشاء في جنوب فرنسا.
ولقد واجه المشروع تحديات غير متوقَّعة على مدى ال12 شهرًا الماضية. بمجرد أن بدأ المشروع بترتيب اللوجستيات التي تأثرت الجائحة، تسبب غزو موسكو لأوكرانيا في تعقيد إمداد مكونات مهمة مُصنَّعة في روسيا. في مايو، مات مدير المشروع برنار بيجو الذي كان مسؤولًا عنه لفترة طويلة. ظهور تشققات بالدرع الحراري سيتطلب إزالة أنابيب على امتداد أكثر من 10 كيلومترات وإعادة تجميعها، ومشاكل فى المكونات حيث تسبب تشققات في مكون رئيسي مبطن بالفضة في تأخيرات جديدة وتجاوز التكاليف في مشروع تبلغ تكلفته 23 مليار دولار لإثبات ما إذا كان الاندماج النووي قادرًا على إنتاج طاقة نظيفة بلا حدود. ثمة مشكلة أخرى في مُكوِّنين مصنوعين في كوريا الجنوبية وهما: الدروع الحرارية التي تصنّعها شركة "إس إف إيه إنجنيرينغ" (SFA Engineering)، وقطاعات حجرات التفريغ التي تصنّعها شركة "هيونداي هيفي إندستريز" (Hyundai Heavy Industries).
حتى الآن، تعامل مجلس إدارة المفاعل مع العقبات بهدوء. طلب المجلس من باراباس في اجتماع استثنائي عُقِد هذا الشهر تحديد ميزانيه وجدول جديدين لتقديمها العام المقبل.
ومن المتوقع أن تنتهي مرحلة الإنشاء في 2025 وسيبدأ تشغيل المفاعل في العام نفسه. من المزمع بدء تجارب الپلازما الأولية في 2035.