المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي (يرمز له اختصاراً ITER وذلك من International Thermonuclear Experimental Reactor وباللاتينية تعني الطريقة أوالطريق) هومشروع بحثي دولي يختص بالاندماج والانصهار النووي ومشاريعه الهندسية، والتي تقوم حالياً ببناء أكبر مفاعل انصهار في العالم التجريبي توكاماك النووي في منشأة كاداراش في جنوب فرنسا . ويهدف المشروع ايتر لتحقيق الانتنطق الذي طال انتظاره من الدراسات التجريبية لفيزياء البلازما إلى محطات طاقة الاندماج النووي بغرض إنتاج الكهرباء على نطاق واسع.

تعتمد فكرة الاندماج النووي على تطبيق التفاعلات التي تجري في الشمس لإنتاج الطاقة . في الشمس توجد مواد خفيفة كالهيدروجين ونظائره والهيليوم والليثيوم ؛ وهي في حالة بلازما مرتفعة الحرارة والضغط وتتفاعل أيوناتها مع بعضها البعض وتندمج مع بعضها وتنج طاقة حرارية كبيرة . وهذا هوالسر في كون تفاعل الشمس قد استمر حتى الآن نحو5و4 مليار سنة دون حتى يتوقف . بل إنها يفترض أن تعطينا حرارتها وأشعتها مدة أخرى تصل إلى نحو5و4 مليار سنة قادمة . إلى حتى تستهلك 90% من الهيدروجين فيها فتبدأ في الدخول في مراحل من عمرها لا تكون في صالح الحياة على الأرض.

مشروع إيتر يسعى إلى تفاعل بلازما الديوتيريوم (نظير ثقيل للهيدروجين) مع الليثيوم. الدراسات السابقة تمت على نحومصغر بحيث حتى تفاعل البلازما كان يتوقف فورا بعد اندماج جزء منه، إذ ترتفع درجة الحرارة إلى ملايين الدرجات مما يعمل على تفرقة البلازما عن بعضها فيتوقف الاندماج . والفكرة هنا هوتكبير المفاعل وفي نفس الوقت زيادة الضغط على البلازما بواسطة مغناطيسات ضخمة تحصرها في داخل المفاعل وإجبارها على الاستمرار في الاندماج . يأمل الفهماء التوصل إلى ذلك بمفاعل الإيتر وابحاثه، بغرض تطبيق مفاعل لإنتاج الكهرباء من الممكن في عام 2050 .

يتم تمويل المشروع ويديره سبعة كيانات للأعضاء؛ وهم الاتحاد الأوروبي (EU)، الهند، اليابان، الصين، روسيا، كوريا الجنوبية والولايات المتحدة. الاتحاد الأوروبي - الطرف المضيف للمجمع أيتر - يساهم بنسبة 45٪ من التكلفة. أما الأطراف الستة الأخرى تساهم بنسبة 9٪ لكل منهم.

تم تصميم المفاعل لإنتاج 500 ميغاواط من طاقة إنتاج مُدخلة تساوي 50 ميجاوات . أي حتى إنتاجه يفترض أن يساوي عشرة مرات كمية الطاقة التي توضع فيه. ومن المتسقط حتى تصل تلك الآلة تحقيق ذلك ؛ إذ حتى المفاعلات الصغيرة السابقة لم تحقق إنتاج طاقة من الاندماج أكبر من الطاقة المستخدمة لتشغيل التفاعل .

بدأ بناء المنشأة في عام 2007، ومن المتسقط حتى يتم إنتاج البلازما الأولى في عام 2023. عندما يتم تشغيل أيتر، يفترض أن تصبح أكبر تجربة للحبس المغناطيسي للبلازما الفيزيائية مُعدة للاستخدام، متجاوزاً تجربة " تورس" التي تمت قبل ذلك المشروع . ويُبنى مشروع إيتر على أساس ما استفاده الفهماء من مفاعل "تورس" السابق . بعد تطبيق إيتر وإثبات نجاحه فيرى التخطيط بناء أول محطة للاندماج النووي تكون تجارية لتوليد الكهرباء، وسيكون اسمها ديموDEMO ، وربما كان ذلك بحلول عام 2015.

نظرة عامة

يتمتع الاندماج النووي بالقدرة على توفير الطاقة الكافية لتلبية الطلب المتزايد عليها حول العالم، مع القيام بذلك بشكل مستدام، دون احداثٍ تأثيرٍ كبيرٍ على البيئة.

يتميز الاندماج النووي بالكثير من عوامل الجذب المحتملة. أولاً، يتوفر وقود الاندماج النووي المكون من نظائر الهيدروجين بكميات كبيرة نسبياً – حيث يمكن استخراج أحد النظائر الضرورية، الديوتيريوم، من مياه البحر، في حين سيتم إنتاج النظير الآخر، التريتيوم، من خلال جزءٍ خاصٍ بالمفاعل يُعهد باسم بطانية الليثيوم وذلك باستخدام النيوترونات الناتجة عن تفاعل الاندماج نفسه. علاوة على ذلك، لا ينتج مفاعل الاندماج ثاني أكسيد الكربون أوأي ملوثات تضر الغلاف الجوي، كما ستكون النفايات المشعة الناتجة عن المفاعل قصيرة العمر جداً مقارنة مع النفايات المشعة الناتجة عن المفاعلات النووية الانشطارية التقليدية. في 21 نوفمبر/تشرين الثاني 2006، وافقت الدول المساهمة السبعة رسمياً على تمويل إنشاء مفاعل اندماج نووي. من المتسقط حتى يستمر البرنامج لمدة 30 عاماً -عشرة سنوات للبناء، و20 سنة للتشغيل. كان من المتسقط في بداية المشروع حتى يُكلف مفاعل أيتر ITER حواليخمسة مليارات يورو، ولكن مع ازدياد أسعار المواد الخام والتغييرات التي تم احداثها في التصميم الأولي، فقد تضاعفت التكلفة ثلاث مراتٍ تقريباً، لتصل إلى 13 مليار يورو. من المتسقط حتى يستغرق بناء المفاعلعشرة سنوات ومن المقرر الانتهاء من بنائه في عام 2019.

عند تزويد مفاعل أيتر بقدرة كهربائية تعادل 300 ميجاوات، من المتسقط حتى ينتج ما يعادل 500 ميجاوات من الطاقة الحرارية التي ستستمر لمدة تصل إلى 1000 ثانية. وللمقارنة، يستهلك مفاعل جيت JET 700 ميغاواط من الطاقة الكهربائية لإنتاج قدرةٍ حرارية يصل أقصاها إلى 16 ميغاواط لمدة تقل عن ثانية، وذلك نتيجة اندماج 0.5 غرام من خليط الديوتيريوم/التريتيوم في غرفة الاندماج الخاص به والبالغ حجمها 840 متر مكعب تقريباً. لن يتم استخدام الحرارة الناتجة عن أيتر لتوليد الطاقة كهرباء لأنه بعد حساب الخسارة في الطاقة بالإضافة للقدرة اللازمة لتشغيل المفاعل (300 ميغاواط)، ستعادل القدرة الصافية الناتجة عن المفاعل صفراً.

أهداف المفاعل

تتمثل مهمة أيتر في إثبات جدوى الاندماج النووي، وإثبات قدرته على العمل دون تأثير سلبي. على وجه التحديد، يهدف المشروع إلى:

• إنتاجٍ لحظي لبلازما اندماجية تتمتع بقدرةٍ حرارية أكبر بعشر مرات من الطاقة الحرارية المحقونة اللازمة لحدوق التفاعل (قيمة Q تساوي 10).
• أنتج بلازما اندماجية في حالة مستقرة تتمتع بقيمة Q أكبر منخمسة (Q = 1 هي نقطة التعادل breakeven الفهمي.)
• المحافظة على نبضةٍ اندماجية لمدة تصل إلىثمانية دقائق.
• تطوير التقنيات والعمليات اللازمة لمحطة توليد طاقةٍ اندماجية - بما في ذلك مغانط فائق التوصيل وتقنيات التحكم عن بعد (الصيانة بواسطة الروبوتات).
• التحقق من تقنيات إنتاج التريتيوم.
• قيمة Q (معامل كسب طاقة الاندماج النووي): النسبة بين القدرة الناتجة عن الاندماج النووي والقدرة اللازمة للحفاظ على البلازما في الحالةٍ الحرارية المستقرة اللازمة لحدوث الاندماج النووي.

الجدول الزمني

في عام 1978، انضمت المفوضية الأوروبية، واليابان، والولايات المتحدة، والاتحاد السوفيتي إلى ورشة عمل مفاعل توكاماك الدولي (INTOR)، تحت رعاية الوكالة الدولية للطاقة الذرية، لتقييم استعداد الاندماج المغناطيسي للمضي قدماً إلى فترة مفاعل القدرة التجريبي (EPR)، لتحديد البحث والتطوير الإضافي الذي يجب القيام به، ولتحديد خصائص EPR عن طريق تصميم مفاهيمي. شارك المئات من فهماء ومهندسي الاندماج النووي من جميع دولة مشاركة في تقييم تفصيلي للوضع الحالي لمفهوم الحبس المغناطيسي في مفاعل توكاماك لقاء متطلبات EPR، وحددوا درجة البحث والتطوير المطلوبة بحلول أوائل عام 1980، وأنتجوا تصميماً مفاهيمياً بحلول منتصف عام 1981.

في عام 1985، خلال اجتماع قمة جنيف، اقترح ميخائيل غورباتشوف على رونالد ريغان حتى يقوم البلدان بشكل مشهجر ببناء توكامك EPR على النحوالذي اقترحته ورشة عمل مفاعل توكاماك الدولي. وبالعمل، بدأ المشروع في عام 1988.

الأجزاء الرئيسية للمفاعل

الحجرة المفرغة

تُعتبر الحجرة المفرغة الجزء المركزي في مفاعل أيتر. حيث تتكون من حاوية فولاذية مزدوجة الجدران ستحوي البلازما بمساعدة الحقول المغناطيسية. سيكون حجم الحجرة المفرغة الخاصة بأيتر أكبر مرتين وأثقل بـ 16 مرة من أي حجرةٍ مفرغةٍ تم تصنيعها سابقاً: ستتراوح كتلة جميع قطاع من القطاعات التسعة ذات الشكل الطاري (التورسي) من 390 إلى 430 طن. وبعد هجريب جميع الهياكل الواقية والمنافذ، ستصل كتلة حجرة التفريغ إلى 5116 طن. كما سيبلغ قطرها الخارجي والداخلي 19.4 و6.5 متراً على التوالي. كما سيصل ازدياد الهيكل بالكامل إلى 11.3 متراً.

تتمثل الوظيفة الرئيسية للحجرة المفرغة في توفير حاويةٍ لاحتواء البلازما الساخنة بأحكام.

بطانية إنتاج الليثيوم

بسبب المصادر الأرضية المحدودة للغاية للتريتيوم، فإن بطانية الليثيوم هي أحد المكونات الرئيسية لتصميم مفاعل أيتر. يعمل هذا المكون، الموجود على الجزء الداخلي للحجرة المفرغة، على إنتاج التريتيوم من خلال تفاعل الليثيوم مع النيوترونات الناتجة عن البلازما. هناك الكثير من التفاعلات التي تنتج التريتيوم داخل البطانية. يُنتج ليثيومستة (6 Li) التريتيوم عبر تفاعلات n,t (نيوترون، تريتيوم) مع النيوترونات معتدلة الطاقة، كما يُنتج ليثيومسبعة (7 )Li التريتيوم عبر تفاعله مع نيوترونات ذات طاقةٍ أعلى عبر تفاعلات n,nt (نيوترون، نيوترون تريتيوم). تضم التصاميم المقترحة للبطانية أساليب تتضمن رصاص الليثيوم المبرد بالهيليوم (HCLL) بالإضافة إلى الحصى المبردة بالهيليوم (HCPB). سيتم اختبار ست وحدات اختبار مختلفة للبطانية في مفاعل أيتر. ستشتمل المواد المستخدمة في الحصى في طريقة HCPB ميتاتيتات الليثيوم وأورثوسيليكات الليثيوم. تتضمن متطلبات المواد المستخدمة في إنتاج التريتيوم إنتاجه واستخراجه بكفاءةٍ جيدة، بالإضافة إلى الاستقرار الميكانيكي ومستويات التنشيط المنخفضة.

النظام المغناطيسي

سيستخدم الملف اللولبي المركزي قصدير النيوبيوم فائق التوصيل لإنتاج تيارٍ قدره 46 كيلوأمبير وإنتاج حقلٍ مغناطيسيٍ يصل إلى 13.5 تسلا. كما ستستخدم ملفات الحقل الحلقي الـ 18 قصدير النيوبيوم أيضاً والتي ستولد مجالاً مغناطيسياً مقداره 11.8 تسلا، وستكون قادرةً على تخزينٍ طاقةٍ مقدارها 41 جيجا جول. وبالعمل، فقد تم اختبارها لتوليد تيارٍ قياسي مقداره 80 كيلوأمبير. يفترض أن تُستخدم مغانط أخرى ذات مجالٍ مغناطيسي أقل النيوبيوم التيتانيوم لعناصرها ذات التوصيل الفائقة. يتم حالياً تصنيع كتل الدروع الداخلية - المصممة لحماية المغانط من النيوترونات عالية الطاقة – في شركة أفاسارالا في بنغالور في الهند.

التسخين الإضافي

سيكون هناك ثلاثة أنواع من التسخين الخارجي في مفاعل أيتر:

• التسخين عن طريق حاقنا حزمٍ متعادلة الشحنة (HNB)، يوفر جميع منهما حوالي 17 ميجا واط إلى البلازما المحترقة، مع إمكانية إضافة واحدة أخرى.
• التسخين عن طريق الرنين السيكلوتروني الأيوني (ICRH)
• التسخين عن طريق الرنين السيكلوتروني الألكتروني (ECRH)

ناظم التبريد

ناظم التبريد تعبير عن هيكل كبير من الفولاذ المقاوم للصدأ بكتلة 3800 طن يحيط بالحجرة المفرغة والمغانط فائقة التوصيل، لتوفير بيئة تفريغ فائقة البرودة. يتراوح سمك نظام التبريد بين 50 إلى 250 ملليمتر (2.0 إلى 9.8 بوصة) مما سيتيح له مقاومة الضغط الجوي على السطح الداخلي الذي يحيط بحجمه البالغ 8500 متر مكعب. سيتم تصميم وهندسة وتصنيع وتثبيت الوحدات الـ 54 المكونة لنظام التبريد من قبل شركة لارسين وتوبروللصناعة الثقيلة في الهند.

أنظمة التبريد

سوف يستخدم أيتر ثلاثة أنظمة تبريد مترابطة. حيث سيتم التخلص من معظم الحرارة عن طريق حلقة تبريد مياه أساسية، والتي سيتم تبريدها بواسطة ماء يمر خلال مُبادل حراري داخل نظام الحبس الثانوي لمبنى أيتر. سيتم تبريد حلقة التبريد الثانوية بواسطة مجمع أكبر، يضم برج تبريد، وخط أنابيب بطولخمسة كم (3.1 ميل) يتزود بالمياه من شركة قناة دي بروفانس، وأحواض تسمح بتبريد المياه وفحص احتوائها على أي تلوث الكيميائي أوتريتيوم قبل حتى يتم تصريفها في نهر دورانس. سيبرد هذا النظام الحرارة بمعدل قدرةٍ متوسطة تبلغ 450 ميجاوات أثناء تشغيل المفاعل. كما سيوفر نظام نيتروجين سائل قدرة تبريد تصل إلى 1300 كيلووات إلى درجة حرارة 80 كلفن (193.2 درجة مئوية تحت الصفر)، وسيوفر نظام هيليوم سائل قدرة تبريد تبلغ 75 كيلوواط إلى درجة حرارة 4.5 كلفن (268.65 درجة مئوية تحت الصفر)، سيتم تصميم نظام الهليوم السائل وتصنيعه وهجريبه وتشغيله من قبل شركة اير ليكيد في فرنسا.

التكلفة

كانت تقديرات تكلفة مفاعل إيتر نحو5و5 مليارات دولار في عام 2008 . ولكن بحلول عام 2015 فيقدر تكلفته بنحو16 مليار دولار، أي نحوثلاثة أضعاف تقديرات عام 2008.

التشغيل

مفاعل إيتر يفترض أن يبدأ العمل حسب التخطيط الحالي في عام 2023 من دون تفاعلات اندماجية، حيث تجرى في البدء تجارب على بلازما مكونة من الهيدروجين العادي والهيليوم . ذلك بغرض إجراء بحوث دون تنشيط للمواد بواسطة ضربها بالنيوترونات .

النفايات النووية

يتفادى التفاعل الاندماجي الأعراض السالبة لتفاعل الانشطار الذي يستخدم اليورانيوم لإنتاج الطاقة. ينتج مفاعل اليورانيوم مواد نفايات مشعة كثيرة، تظل تصدر اشعاعها عبر مئات الآلاف من السنين، وتلك هي معضلة المفاعلات النووية المستخدمة حاليا لإنتاج الكهرباء . أما تفاعلات الاندماج بين عناصر خفيفة مثل الهيدروجين والتريتيوم والليثيوم فهي تنتج نفايات ذات عمر قصير في إنتاج إشعاعها. وبناء على ذلك فهي أصلح للبيئة عن مفاعلات اليورانيوم.

مراجع

انظر أيضا

• الة زد
• مختبرات سانيدا الوطنية