إنصهار الليزر
اندماج في محفظة القصور الذاتي في الفيزياء (بالإنجيزية: Inertial confinement fusion) هوتجربة يجري فيها الاندماج النووي حيث تحفز بحمل درجة حرارة قطرة الوقود وضغطها بدرجة عالية جدا، وتتكون قطرة الوقود من مخاوط من الديوتيريوم والتريتيوم.
ومن أجل تسخين وضغط الوقود فتوجه الطاقة على قرص الوقود من الخارج عن طريق استخدام فيضات من الليزر الضوئي ذوي طاقة عالية، أوإلكترونات أوأيونات. عندما تسخن الطبقة الخارجية فإنها تتفجر إلى الخارج مما يسبب ضغطا عاليا على جزء القرص الداخلي. وفي استطاعة تلك الموجات التصادمية الناشئة من الخارج إلى الداخل حتى تضغط القرص وتحمل درجة حرارته فتتيح فرصة سير التفاعل. ومن المفروض ان تلك الطاقة الناتجة من تلك التصادمات يفترض أن تحمل من درجة حرارة الوقود النووي المحيط وتؤدي إلى التفاعل الاندماجي. والهدف من الاندماج في محفظة القصور الذاتي هوإنتاج الحالة المسماة "الإشعال" حيث تتسبب تلك الطريقة في تفاعل تسلسلي تتفاعل خلالها جزء معقول من الوقود. وتبلغ اقراص الوقود حجم سن القلم ويحتوي علىعشرة مليجرام من الوقود، وفي الواقع يتفاعل جزء صغير من القرص ويجري الاندماج، وفي حالة اندماج مادة القرص طاملة فإن الطاقة الناتجة يفترض أن تعادل الطاقة الصادرة من حرق برميل من النفط. وقد توصل الفهماء إلى تلك المقارنة بحساب جدوى الطاقة 6.3×1014جول/كيلوجرام وهي أعلى كفاءة لاندماج الهيدروجين، ومتوسط الطاقة الناتجة من برميل النفط البالغة ~6 جيجا جول.
طريقة القصور الذاتي
4. ويبدأ تفاعل الاندماج وتنطلق طاقة أكبر من الطاقة المستخدمة. إشارة: تمثل الأسهم الزرقاء عمليات الأشعة المتجهة إلى الداخل، والأسهم البرتنطقية العمليات المتجهة إلى الخارج، والأسهم البنفسجية تمثل الطاقة الحرارية الضاغطة المتجهة إلى الداخل.
يبين الشكل المجاور مراحل اشعال تفاعل الاندماج النووي لقطرة صغيرة أوقرص صغير من الوقود تحتوي على مخلوط من الديوتيريوم والتريتيوم. تكون القطرة معلقة داخل محفطة الجهاز وتبقى معلقة تلقائيا بعمل القصور الذاتي أثناء التفاعل عن طريق تصويب عدد كبير من أشعة الليزر عالية الطاقة (أنظر الشكل).
مساعي أمريكية وأوروبية
تعتبر تجربة اندماج في محفظة القصور الذاتي واحدة من تجربتين في مجال أبحاث الاندماج النووي، والتجربة الثانية تستخدم طريقة المحفظة المغناطيسية للاندماج. وتم معظم البحث في تلك التجربتين حتى الآن في [برنسا]ي والولايات المتحدة الأمريكية، ولكن البحث بطريقة المحفظة المغناطيسية تعد أكثر تقدما ز ويوجد حاليا مشروعان كبيران في مجال التطبيقز : ليزر الميجاجول في فرنسا والجهاز الوطني للإشعال في الولايات المتحدة. وعندما تم اقتراح طريقة محفظة القصور الذاتي علقت عليها آمال كبيرة علي سبيل إنتاج الطاقة الكهربائية من الاندماج النووي.ولكن تبين من خلال التجارب التي اجريت في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي حتى كفاءة تلك الأجهزة كانت أقل بكثير عن المطلوب. ثم هجرزت الأبحاث في أعوام الثمانينيات والتسعينيات بصفة أساسية على أبحاث القنابل الهيدروجينية. ثم وقع تقدم في مجال استخدام اندماج في محفظة القصور الذاتي في الأغراض السلمية مما جعله مغريا من الوجهة الاقتصادية وبناء مفاعلات القوي التي تعمل بالاندماج النووي. وتوجد حاليا عدة تجارب جديدة على الطريق أولا تزال في حيز التصميم من اجل اختبار تلك الطريقة للإشعال السريع.
طريقة الاندماج بالقصور الذاتي
في القنبلة الهيدروجينية تتحقق حالة التفاعل من وجود حرارة عالية وضغط عالي جدا عن طريق تفجير قنبلة ذرية (أنظر تصميم تيلر- أولام. وطريقة استخدام تفجير انشطاري لإشعال تفجير اندماجي غير عملية لاستخدامها لتوليد الطاقة الكهربائية. وكما تبين التجارب على القنابل الذرية فإنه ليس من الممكن بناء قنبلة ذرية تكون شدة انفجارها أقل من 1 كيلوطن مما يجعلها غير صالحة للاستخدام المدني. وعلاوة على ذلك فتنتج القنبلة الانشطارية نفايات ضارة أكثر من تفاعل الاندماج النووي. وعل الرغم ذلك فلم تتوقف المساعي على هذا الطريق كما نرى في تصميم باسر للاندماج النووي.
فإذا استطعنا ايجاد طريقة لضغط الوقود تختلف عن طريقة الانفجار الانشطاري فيمكن بذلك تصغير حجم المفاعل. وفي السبعينيات من القرن الماضي بدى حل لذلك باستخدام الليزر لتحقيق الحرارة العالية والضغط العالي لبدء التفاعل الاندماجي. ويحتوي مخلوط الديوتيريوم والتريتيوم والذي يطلق عليه اسم "الهدف" علىكمية ضئيلة من الوقود عن تصميم القنبلة (نحوعدة ميكروجرام] وينشأ عنها انفجارا أقل بمراحل.
وبصفة عامة يستخدم اندماج محفظة القصور الذاتي شعاعا واحدا من الليزر بمثابة "القائد" حيث ينقسم إلى عدد من الأشعة، يضخم طاكل شعاع منها آلاف مليار مرة، قبل توجيهها إلى غرفة التفاعل وتسمى "غرفة الهدف" عن طريق الانعكاس على مرايا، وذلك بغرض إضاءة الهدف متساويا على جميع سطحه. فتسبب حرارة الأشعة في انفجار الطبقة الخارجية للهدف، مثلما يحدث في الطبقة الخارجية لقنبلة هيدروجينية أسطوانية عندما تتخللها أشعة إكس الصادرة من القنبلة الذرية الملحقة التي تستخدم كبادئ للاشتعال.
وتتسبب المادة المتفجرة على السطح في ضغط المادة الداخلية في الهدف (قطرة الوقود)، فتجبرها على التقلص في كرة أشد صغرا. وترتفع كثافة مادة الوقود في اندماج في محفظة القصور الذاتي إلى نحو100 مرة من كثافة الرصاص، أي تصل كثافتها إلى نحو1000 جرام/سنتيمتر مكعب. ولكن تلك الكثافة لا زالت ليست عالية بالكافي لإنتاج معدل مفيد للاندماج النووي تلقائيا. ومن ناحية أخرى تتكون موجات تصادمية إثناء تقلص الوقود، وعند تقابل تلك الموجات التصادمية في مركز الوقود فإنها تحمل من كثافة الوقود أكثر فأكثر.
عند تحقق الحالات المناسبة فقد ينشأ من الموجات التصادمية على مركز قطرة الوقود كمية إشارة من جسيمات ألفا ذات الطاقة العالية. ونظرا لشدة كثافة المادة حولها فإن جسيمات ألفا ستتحرك مسافة قصيرة جدا قبل حتى تنخفض سرعتها وتفقد طاقتها في الوقود في صورة حرارة عالية. وتتسبب تلك الطاقة الإضافية في تفاعلات أكثر من الاندماج النووي في الوقود الساخن، فيُنتج جسيمات عالية الطاقة. وتنتشر تلك العملية من مركز القطرة إلى الخارج وتتسبب في تفاعل تلقائي قائم بذاته يسمى الاشتعال.
اندماج في محفظة القصور الذاتي كمصدر للطاقة
تدرس تصميمات محطات القوى التي تعمل بواسطة الاندماج في محفظة القصور الذاتي منذ نهاية السبعينيات من القرن الماضي عندما بدأت تجارب اندماج القصور الذاتي التوصل إلى طاقات أعلى، وتلك التصميمات كانت تسمى محطات قوى اندماج القصور الذاتي. وكانت الرؤية آنذاك حتى تقدم تلك الأجهزة عددا منتتاليا من الاهداف (قطرات الوقود) إلى غرفة التفاعل - عدة قطرات في الثانية - والاستفادة من الحرارة والنيوترونات الناتجة عن اندماج الوقود وتوليد بخار منه يدير توربين بخاري عادي.
وكان الاعتقاد آنذاك حتى الليزر كمصدر للحرارة والضغط الابتدائيين لبدء الاندماج في استطاعته إنتاج محطات قوى اقتصادية. ولكن الحسابات التي أجريت في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي بينت حتى الطاقة اللازمة للوصول إلى اشعال التفاعل عالية جدا مما تسبب في اهمال البحث في ذلك المجال. فقد كانت كفاءة التضخيم بالليزر نحو1% إلى 5و1 % بالإضافة إلى الفقد الحراري الكبير لإنتاج الكهرباء (تبلغ كفاءة التوربينات البخارية نحو35 %) فكان من اللازم حمل قدرة الاندماج نحو350 مرة للوصول إلى فترة تساوي الطاقة المبذولة والطاقة الكهربية الناتجة.
وبدت تلك الزيادة في طاقة الجهاز المولد ليست من المستطاع، وانحصر البحث بطريقة اندماج في محفظة القصور الذاتي في أبحاث صناعة الأسلحة النووية في أمريكا. ثم وقع تقدم في أبحاث الاشتعال السريع وبدأت الأحوال تتغير سريعا، فبدى انه في المتناول تحقيق تضخيم يبلغ 100 مرة عن طريق أول جهاز تجريبي هايبر HiPER. فعندما يمكن الحصول على تضخيم 100 مرة وتكون كفاءة الليزر 1% نكون قد وصلنا إلى تساوي الطاقة المكتسبة من الاندماج مع الطاقة المستخدمة لإشعاله.
أنظر أيضا
 |
مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع Fusion. |
- تفاعل نووي
- تخليق العناصر
- طاقة الارتباط
- توكاماك
- سلسلة تفاعل بروتون-بروتون
| تقانة نووية تحرير | |
|---|---|
| فيزياء نووية | انشطار نووي - اندماج نووي - إشعاع - إشعاع مؤين - نواة ذرية - مفاعل نوي - أمان نووي |
| مواد نووية | وقود نووي - مادة مخصبة - يورانيوم - يورانيوم منشط - يورانيوم منضب - بلوتونيوم |
| طاقة نووية | معمل طاقة نووية - فضلات نووية مشعة - طاقة الاندماج - تطوير طاقة مستقبلية - مفاعل الماء المضغوط - مفاعل الماء المغلي - مفاعلات الجيل الخامس - Fast breeder reactor - مفاعل النيوترون المسرع - Gas cooled fast reactor - Molten salt reactor - Lead cooled fast reactor - Supercritical water reactor - Very high temperature reactor - Pebble bed reactor - Integral Fast Reactor - Nuclear propulsion |
| طب نووي | X-ray - PET - MRI - Radiation therapy - Thomotherapy - Brachytherapy |
| قنابل نووية | تاريخ القنابل النووية - Nuclear warfare - سباق التسلح النووي - Nuclear weapon design - تأثيرات الانفجارات النووية - اختبار نووي - Nuclear delivery - Nuclear proliferation - قائمة الدول التي تملك قنابل نووية |
- ^ Inertial Fusion Energy
- ^ Inertial Fusion Energy: A Tutorial on the Technology and Economics
