يهدف مفاعل توكاماك القوي الجديد-المبني بالفولاذ إلى تحقيق الهدف النهائي المتمثل في توليد الكهرباء بالاندماج-بالطاقة الكهربائية.
في أعماق منطقة بروفانس الفرنسية، التي تم اختيارها لظروفها الجيولوجية والهيدرولوجية والزلزالية المواتية، فضلاً عن القدرة على الوصول إلى المياه والكهرباء، تقع منشأة مترامية الأطراف تبلغ مساحتها 180 هكتاراً وتضم المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي (ITER).
تقوم محطات الطاقة التقليدية بتحويل الحرارة الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري أو الانشطار النووي إلى بخار يستخدم بعد ذلك لتدوير التوربينات التي تحول الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء. كلتا الطريقتين، على الرغم من أنهما مصدران موثوقان للطاقة، إلا أنهما يأتيان بتأثيرات بيئية من خلال الانبعاثات أو النفايات المشعة.
ولكن ماذا لو كانت هناك طريقة لإنتاج هذه الحرارة دون الإضرار بالمنتجات-؟ هذا هو حلم قوة الاندماج، وهي تجربة مستمرة لإنتاج كميات هائلة من الطاقة من خلال الاندماج الذري.
بشكل مماثل للعمليات التي تزود شمسنا بالطاقة، يحدث الاندماج عندما تتصادم ذرتان من الهيدروجين معًا وتندمجان في ذرة هيليوم واحدة. وهذا يولد كميات هائلة من الطاقة دون إنتاج منتجات انشطارية مشعة.
يمثل إنشاء هذه العملية تحديًا هندسيًا خطيرًا، حيث يجب التحكم في التفاعلات بدقة في مساحة يتم فيها توليد كميات هائلة من الطاقة.
قوة النجم في قفص -مبني من الفولاذ
في منشأة ITER، يجري بناء أكبر مفاعل توكاماك في العالم. في قلب هذه الآلة التجريبية، المبنية على النموذج السوفييتي الذي تم تطويره في ستينيات القرن العشرين، توجد غرفة مفرغة على شكل حلاري-.
تزن الغرفة المفرغة 5200 طن ويبلغ حجمها 1400 متر مكعب، وهي الأكبر من نوعها على الإطلاق، مما يسهل على الفيزيائيين الذين يقومون بتشغيلها التحكم في التفاعلات اللازمة لتوليد طاقة اندماجية قابلة للتطبيق.
سيتم إجراء تجارب ITER داخل هذا الوعاء المفرغ المصنوع من الفولاذ-، والذي يحتوي على تفاعلات الاندماج وهو محكم الغلق، ويعمل كحاجز احتواء الأمان الأساسي. هنا، يتعرض وقود الهيدروجين لحرارة وضغط هائلين، مما يحوله إلى غاز ساخن مشحون كهربائيًا يُعرف بالبلازما.
توفر هذه البيئة المفرغة حماية من الإشعاع وتدعم استقرار البلازما، في حين تعمل أنظمة مياه التبريد، المنتشرة بين جدرانها الفولاذية المزدوجة، على إزالة الحرارة المتولدة بأمان أثناء نشاط المفاعل. وهذا أمر بالغ الأهمية، حيث يتطلب الاندماج درجات حرارة تتراوح بين 150 و300 مليون درجة.
سيكون مفاعل الاندماج النووي الجديد التابع لـ ITER هو الأكبر في العالم بمجرد اكتماله
قوة المجالات المغناطيسية
يسمح الشكل الداخلي للدونت لجزيئات البلازما بالداخل بالدوران بشكل مستمر دون لمس الجدران. يتم احتواء هذه البلازما فائقة الحرارة والتحكم فيها في مفاعل توكاماك بواسطة مجالات مغناطيسية تنتجها 10000 طن من المغناطيسات فائقة التوصيل.
نظرًا لأنه قادر على إنتاج مجالات أقوى من المغناطيسات التقليدية عند الاحتفاظ بها عند درجات حرارة تبلغ -269 درجة، يستخدم ITER "موصلات فائقة الأداء ومبردة داخليًا" حيث يتم تجميع الخيوط فائقة التوصيل معًا واحتوائها في غلاف فولاذي هيكلي.
تعد هذه الوسيلة لتوليد المجالات المغناطيسية أيضًا أرخص وأقل استهلاكًا للطاقة-من البدائل، مما يجعلها الخيار الوحيد القابل للتطبيق للأنظمة المغناطيسية الضخمة اللازمة لدعم طاقة الاندماج.
يتم تضمين وعاء التفريغ ونظام المغناطيس فائق التوصيل الخاص به داخل منظم التبريد ITER، والذي يوفر مساحة تفريغ ذات درجة حرارة منخفضة للغاية. تبلغ سعتها 16000 متر مكعب، وهي أكبر غرفة ضغط مفرغ عالية -من الفولاذ المقاوم للصدأ تم بناؤها على الإطلاق.
إن الاختلافات الشديدة في درجات الحرارة الموجودة في المفاعل تجعل الفولاذ المقاوم للصدأ خيارًا مثاليًا. نظرًا لقدرته على الحفاظ على الأداء في درجات الحرارة العالية والمنخفضة، فإن ليونة الفولاذ ومتانته العالية تجعله جزءًا لا يمكن استبداله من ITER.
ومن المتوقع أن يتم تشغيل التوكاماك بحلول عام 2025، ويأمل علماء فيزياء الاندماج أن يكون هذا بمثابة تغيير جذري في مجال توليد الطاقة. في حين أن احتمال الحصول على طاقة نظيفة-لا حدود لها لا يزال بعيدًا عن الأفق، فمن الواضح أنه إذا أردنا تحقيق الاندماج التجاري، فإن القوة الدائمة للفولاذ هي التي تسمح لنا بتسخيرها.
