تسخير قوة النجوم: الاندماج النووي… السباق نحو مصدر طاقة لا ينفد

تسخير قوة النجوم

حينما نرفع أعيننا إلى السماء ليلاً، نرى كوناً مشتعلاً بنفس العملية التي تجعل شمسنا تتوهج: إنها الاندماج النووي. في هذه العملية تتحد الذرات الخفيفة مثل الهيدروجين لتكوين ذرة أثقل، ويُطلَق فرق ضئيل في الكتلة بين المواد المتفاعلة والناتج على شكل طاقة وفقًا لمعادلة آينشتاين الشهيرة E = mc².
الاندماج هو عكس الانشطار النووي الذي تتفتت فيه النوى الثقيلة، ووعد تسخيره على الأرض هائل: الوقود متوفر بوفرة، ولا تنتج العملية غازات دفيئة أثناء التشغيل، والنواتج المشعّة قصيرة العمر نسبيًا. إن فهم كيفية عمل الاندماج ومحاولات المهندسين لمحاكاة ظروف النجوم على الأرض يمثل المفتاح لفهم أحد أعظم مشاريع الطاقة التي خاضتها البشرية.

فيزياء الاندماج النووي

في قلب كل ذرة نواةٌ مكوّنة من بروتونات ونيوترونات. البروتونات تتنافر كهربائيًا لأنها تحمل الشحنة الموجبة نفسها، ولدمج نواتين خفيفتين لا بد من التغلب على هذا الحاجز الكهروستاتيكي (حاجز كولوم) حتى يتمكن القوة النووية الشديدة من التغلب على التنافر وجذب النوى معًا.
في النجوم يحدث ذلك بفعل الضغط الجاذبي الهائل الذي يرفع حرارة المادة في مراكزها إلى عشرات الملايين من الدرجات، مما يمنح النوى طاقة حركية كافية لتصطدم وتندمج. عندما يندمج بروتونان لتكوين هيليوم، يتحول نحو 0.7% من كتلتهما المجمعة إلى طاقة. ولأن القوة النووية الشديدة تربط البروتونات والنيوترونات بإحكام، يكون ناتج الاندماج أقل كتلة من المتفاعلات، وهذا الفرق يظهر على شكل طاقة.
تطلق النوى الخفيفة حتى عنصر الحديد طاقة عند اندماجها، أما ما بعد الحديد فيستهلك الاندماج طاقة بدلاً من إطلاقها، ولذا لا يحدث طبيعيًا.

تفاعلات الاندماج الشائعة

أسهل التفاعلات تحقّقًا هي تلك التي تشمل نظائر الهيدروجين:

• الديوتيريوم (D): هيدروجين يحتوي على بروتون ونيوترون.

• التريتيوم (T): هيدروجين يحتوي على بروتون ونيوترونين.

يمكن لهذا الثنائي الاندماج في درجات حرارة تقارب 150 مليون درجة مئوية، وهي منخفضة نسبيًا مقارنة بالوقود البديل.
تنتج تفاعلات D-T نواة هيليوم ونيوترونًا عالي الطاقة، مطلقة نحو 17.6 ميغا إلكترون فولت لكل تفاعل. أما تفاعلات D-D فتحتاج حرارة أعلى وتنتج هيليوم‑3 وتريتيوم.
هناك تفاعلات أكثر تقدمًا مثل اندماج بروتون‑بورون أو ديوتيريوم‑هيليوم‑3، والتي لا تنتج نيوترونات تقريبًا وبالتالي تنتج نفايات إشعاعية أقل، لكنها تتطلب درجات حرارة أعلى بكثير ولا تزال بعيدة عن التطبيق العملي.

خلق الاندماج على الأرض: أساليب الحصر

لتحقيق الاندماج أرضيًا، لا بد من تسخين الوقود إلى حالة البلازما، وحصره بما يكفي من الوقت والكثافة حتى تحدث الاصطدامات. ظهرت مقاربتان رئيسيتان:

1. الحصر المغناطيسي
   أجهزة مثل التوكاماك والستيلاراتور تستخدم حقولًا مغناطيسية قوية لحصر بلازما على شكل حلقي (توروس).

   • في التوكاماك يُنشأ الحقل المغناطيسي بواسطة ملفات خارجية وتيار كهربائي يمر في البلازما.

   • من أمثلته: JET في أوروبا وITER في فرنسا.

   • الستيلاراتور مثل Wendelstein 7-X الألماني يعتمد على لفائف مغناطيسية ملتوية معقدة لتثبيت البلازما دون الحاجة إلى تيار داخلي.

2. الحصر القصور الذاتي (Inertial Confinement)
   تستخدم ليزرات أو حزم جسيمات قوية لضغط كريات وقود صغيرة إلى كثافات وحرارة عالية جدًا للحظة وجيزة.

   • في المرفق الوطني للاشتعال NIF بكاليفورنيا، تضرب 192 حزمة ليزر كرة وقود تحتوي على D وT لضغطها وإشعال الاندماج.

   • الهدف هو الوصول إلى الاشتعال الذاتي بحيث تغذي طاقة الاندماج نفسها سلسلة من التفاعلات.

هناك مفاهيم هجينة أخرى مثل الاندماج بالهدف المغناطيسي، لكن التحدي المشترك هو إبقاء البلازما ساخنة وكثيفة بما يكفي لتحقيق صافي طاقة موجب.

التحديات أمام طاقة الاندماج العملية

رغم فهم الفيزياء بدقة، يبقى تصميم محطة طاقة أمرًا بالغ الصعوبة:

• درجة حرارة البلازما أعلى من قلب الشمس، ولا يتحمل أي مادة ملامستها.

• على الحصر المغناطيسي أو القصور الذاتي إبقاء البلازما مستقرة بعيدًا عن الجدران.

• البلازما قد تصبح مضطربة ويؤدي عدم الاستقرار إلى إخماد التفاعل.

• في المفاعلات المغناطيسية، يجب تطوير مواد تتحمل تدفقات النيوترونات العالية دون هشاشة أو تفعيل إشعاعي مفرط.

• في المفاعلات القصور الذاتي، يجب تحقيق ضغط متناظر ومنع اختلاط البلازما الساخنة بالوقود البارد قبل الأوان.

• والأهم: يجب أن يكون العائد الطاقي موجبًا، أي أن الطاقة الناتجة تتجاوز الطاقة المستهلكة.

التقدم الأخير والمشاريع التجريبية

رغم الصعوبات، شهدت السنوات الأخيرة إنجازات مهمة:

• عام 2021، أنتج مفاعل JET الأوروبي 59 ميغا جول من طاقة اندماج مستمرة خلال 5 ثوانٍ.

• في ديسمبر 2022، أعلن NIF الأمريكي عن لقطة حققت Q > 1، أي أن الطاقة المنبعثة من الاندماج تجاوزت طاقة الليزر المستخدمة، وإن بقيت الموازنة الكلية للطاقة سلبية.

• مشروع ITER الجاري بناؤه في فرنسا يهدف لإنتاج 500 ميغا واط حراري من إدخال 50 ميغا واط فقط.

• شركات خاصة تعمل على توكاماك مضغوطة، وأجهزة حصر مغناطيسي-قصوري، وأنظمة ليزرية، وتجذب استثمارات كبيرة.

لماذا نسعى وراء الاندماج؟

• وقود الاندماج مثل الديوتيريوم يُستخلص من الماء، والليثيوم اللازم لتوليد التريتيوم وفير في القشرة الأرضية ومياه البحار.

• التفاعلات لا تطلق ثاني أكسيد الكربون ولا تنتج نفايات طويلة العمر.

• لا توجد تفاعلات متسلسلة خارجة عن السيطرة، فلا خطر لانصهار كارثي.

• كثافة الطاقة عالية، وكميات قليلة من الوقود تكفي لتوليد طاقة هائلة.

نجاح الاندماج يعني مصدرًا شبه لا نهائي ونظيفًا للطاقة يمكن أن يغيّر جذريًا علاقة الإنسان بالبيئة ويؤسس لمستقبل مستدام.

نظرة مستقبلية

الطريق إلى الطاقة الاندماجية التجارية طويل:

• ما زلنا بحاجة لحلول في ضبط البلازما، علوم المواد، إنتاج التريتيوم، وتحويل الحرارة إلى كهرباء.

• يجري تطوير مغانط فائقة التوصيل متقدمة ومواد جدران أولية متينة، بالإضافة إلى أشرطة فائقة التوصيل عالية الحرارة لتحقيق التشغيل المستمر.

• هناك اهتمام بوقود D-He3، لكن الحصول على هيليوم‑3 قد يتطلب التعدين من القمر أو عمالقة الغاز.

• تستخدم النمذجة الحاسوبية والذكاء الاصطناعي لتحسين استقرار البلازما والتنبؤ بالاضطرابات.

قد يستغرق وصول الاندماج التجاري عقودًا، لكن تسارع التجارب ودخول القطاع الخاص يوحيان بأن حلم تسخير قوة النجوم على الأرض قد يتحقق خلال هذا القرن.