- اختارت وزارة الطاقة الأمريكية OpenStar وجامعة كولومبيا لتصميم نظام تفريغ الغاز لمفاعل الاندماج الثنائي العائم.
- تزيل الثنائي العائم المسار الرئيسي لتسرب الحرارة، مما يحافظ على استقرار البلازما.
- سيستخدم الباحثون أدوات برمجية متقدمة لمحاكاة سلوك الحرارة والجسيمات في الحقل المغناطيسي الثنائي.
- يمثل هذا المشروع إعادة تجميع الرواد في مجال الثنائي، مما سيدفع تطوير طاقة الاندماج النووي.
اختارت وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) شركة OpenStar Technologies وجامعة كولومبيا لتصميم أول نظام لتفريغ الغاز في مفاعل الاندماج الثنائي العائم على مستوى العالم. يعتمد الاندماج النووي التجاري على حصر الغاز شديد الحرارة (أي البلازما) داخل حقل مغناطيسي. ومع ذلك، يجب على كل مفاعل أن يقوم بإزالة الحرارة والجسيمات المتجولة بشكل آمن لتجنب ذوبان الجدران الداخلية للمعدات. تحل الأجهزة التقليدية للاندماج النووي هذه المشكلة من خلال "الموجه"، الذي يوجه البلازما المتسربة إلى لوح الهدف المبرد. حتى الآن، لم يتم بناء أي موجه للثنائي العائم.
على عكس المفاعلات التقليدية ذات الشكل الدائري، يعلق الثنائي العائم مغناطيسًا فائق التوصيل واحدًا داخل حجرة فراغ، مما يحاكي الحقول المغناطيسية الطبيعية للكواكب مثل الأرض والمشتري. يؤدي إزالة الهياكل الداعمة المادية إلى القضاء على المسار الرئيسي لتسرب الحرارة، مما يحافظ على استقرار البلازما.
مزايا الثنائي العائم
قال أستاذ الهندسة في جامعة كولومبيا، بن زو (Prof. Ben Zhu): "الثنائي المغناطيسي هو مفهوم أنيق وبسيط نسبيًا للاندماج النووي، ولكنه لا يزال غير مستكشف بشكل كافٍ. إن إيجاد حلول فعالة لتفريغ الغاز هو أحد أكثر التحديات إلحاحًا التي تواجه أي نظام طاقة اندماجية، لذا فإن المعرفة التي سنكتسبها هنا ستساهم مباشرة في السعي الأوسع نحو طاقة الاندماج النووي التجارية."
خلال الأشهر الـ 12 المقبلة، سيقوم الباحثون برسم خرائط لسلوك الحرارة والجسيمات عند حواف الحقل المغناطيسي الثنائي. تخلق هذه الهندسة نقطة صفر حقيقية للحقل المغناطيسي، تُعرف باسم نقطة X. وهذا يجبر المهندسين على تجاوز نماذج المفاعلات القياسية. لهذا الغرض، ستجمع جامعة كولومبيا بين نوعين من أدوات البرمجيات المتقدمة: TokaMaker وشفرة نمذجة الحواف المفتوحة المصدر المسماة Hermes-3. سيختبر الفريق نتائج محاكاته بناءً على البيانات الفعلية من النموذج الأولي الحالي لشركة OpenStar في نيوزيلندا، Junior.
في فبراير من هذا العام، استخدمت OpenStar هذه الآلة التي تبلغ قيمتها 10 ملايين دولار لتعليق مغناطيس وزنه 0.5 طن داخل حجرة فراغ بطول خمسة أمتار، بنجاح حصر البلازما عند درجات حرارة تزيد عن مليون درجة مئوية.
قال عالم الأبحاث في جامعة كولومبيا، كريستوفر هانسون (Dr. Christopher Hansen): "من خلال التعاون مع OpenStar، سنبحث في كيفية توسيع معرفتنا الفيزيائية الأساسية لتشمل أدوات النمذجة."
إعادة تجميع رواد الثنائي
يمثل هذا المشروع إعادة تجميع رواد الثنائي. كانت جامعة كولومبيا قد تعاونت مع معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في التجارب الأصلية للثنائي العائم، وكان د. دارين غانييه (Dr. Darren Garnier) كبير العلماء في OpenStar هو كبير التجريبيين. سيتعاون مع كبير العلماء في OpenStar، د. جيروم غوتيرل (Dr. Jerome Guterl)، لقيادة هذا العمل الجديد. ستظهر تصميماتهم النهائية للموجه لأول مرة على آلة OpenStar التالية، Tahi.
سيتم بناء Tahi لتحقيق شروط مرتبطة بالاندماج النووي، وستنتج في البداية نيوترونات تستخدم في إنتاج النظائر المشعة الطبية، كخطوة نحو محطة طاقة اندماجية على نطاق الشبكة.
ختم غوتيرل قائلاً: "نحن متحمسون لدمج الخبرة الممتازة لجامعة كولومبيا في نمذجة البلازما عند الحواف مع الخبرة المكتسبة من عقود من البحث في موجهات التوكاماك، لتطوير حلول لتفريغ الطاقة والجسيمات للثنائي Tahi والمستقبل". تدعم هذه الشراكة شبكة الابتكار في طاقة الاندماج النووي التابعة لوزارة الطاقة (INFUSE). هذا العام، ستوزع هذه المبادرة 8.5 مليون دولار من التمويل بين الشركات الخاصة والمختبرات الوطنية والجامعات، تشمل 28 مشروعًا مشتركًا. حصلت OpenStar على هذا التمويل من خلال فرعها الأمريكي OpenStar USA.
كما حصلت الشركة على جائزة INFUSE الثانية في هذه الجولة لتطوير تقنيات تشخيص البلازما بالتعاون مع جامعة كاليفورنيا، سان دييغو.
إمكانات وتحديات تقنية الثنائي العائم
يمثل تصميم مفاعل الاندماج النووي الثنائي العائم مسارًا تقنيًا جديدًا يهدف إلى تحسين استقرار وكفاءة الاندماج النووي. من خلال إزالة الهياكل الداعمة المادية الموجودة في المفاعلات التقليدية، يمكن لهذا التصميم تقليل تسرب الحرارة بشكل فعال، مما يحافظ على استقرار البلازما. لا تساهم هذه الدراسة فقط في فهم سلوك البلازما، بل تدفع أيضًا التطور الإضافي للاندماج النووي التجاري. مع تعاون OpenStar وجامعة كولومبيا، قد توفر الأبحاث المستقبلية أساسًا علميًا وتقنيًا مهمًا لتطبيق تقنية الاندماج النووي.