المجموعات

طاقة الاندماج النووي في القرن الحادي والعشرين

طاقة الاندماج النووي في القرن الحادي والعشرين

إحدى الطرق التي يمكننا من خلالها توليد كمية هائلة من الطاقة هي من خلال التفاعلات النووية. تستخدم محطات الطاقة النووية تفاعلًا نوويًا لتسخين الماء إلى بخار ، والذي بدوره يحول التوربينات الدورانية التي تولد الكهرباء.

تولد الولايات المتحدة طاقة نووية أكثر من أي دولة أخرى في العالم ، ويتم تلبية ما يقرب من 20٪ من إجمالي احتياجات الطاقة للولايات المتحدة من خلال الطاقة النووية.

ذات صلة: GOOGLE تطور خوارزمية جديدة لتسريع أبحاث الاندماج النووي

هناك نوعان من التفاعلات النووية يمكننا من خلالها توليد الطاقة - الانشطار النووي والاندماج النووي.

يعتقد الكثيرون أن كلا من الانشطار النووي والاندماج النووي يستخدمان في محطات الطاقة النووية لتوليد الطاقة. ومع ذلك ، فإننا نستخدم الانشطار النووي فقط ، حتى عندما نعلم أن الاندماج النووي هو بديل أفضل بكثير من حيث توافر الوقود وإنتاج الطاقة.

إذن ، لماذا نعتمد على الخيار الأكثر خطورة وهو الانشطار النووي؟ دعونا نناقش.

قبل أن ندخل في تفاصيل الانشطار والاندماج ، تحتاج إلى فهم الفرق بين الاثنين.

الانشطار النووي: عملية توليد الحرارة بشطر الذرات الثقيلة. يتم تحقيق انقسام الذرات عن طريق ضرب الذرة الثقيلة بجسيمات عالية السرعة ، عادة ما تكون نيوترونات.

الاندماج النووي: عملية توليد الحرارة عن طريق ضم ذرتين خفيفتين لتكوين ذرة أثقل.

تستخدم المولدات النووية التي لدينا اليوم الانشطار النووي لتوليد الحرارة. يستخدم مفاعل الانشطار النووي كريات أكسيد اليورانيوم الخزفية في قلبه.

ثم تنقسم ذرات اليورانيوم عن طريق قصفها بالنيوترونات. ينتج عن الانقسام كمية هائلة من الحرارة ، مما يؤدي إلى إطلاق المزيد من النيوترونات في هذه العملية.

ثم تصطدم هذه النيوترونات الجديدة بذرات يورانيوم أخرى ، والتي تستمر في توليد المزيد من الحرارة والنيوترونات. يسمى هذا بالتفاعل المتسلسل ونتحكم في معدل التفاعل باستخدام الوسطاء مثل الجرافيت أو الماء.

يتم تدوير المبرد لامتصاص الحرارة ومنع المفاعل من السخونة الزائدة. هذه هي الحرارة التي تحول المبرد (الماء) إلى بخار ثم إلى طاقة مفيدة.

الناتج الحراري كبير جدًا بالنسبة لحبيبات اليورانيوم التي نستخدمها في المفاعلات النووية ، مما يجعل المفاعل اقتصاديًا إلى حد ما. 20 جرامًا فقط من وقود اليورانيوم يمكن أن تنتج طاقة تعادل 400 كيلوجرام من الفحم.

ثمانية فقط من حبيبات اليورانيوم يمكنها تشغيل المنزل لمدة عام

عندما نقارن الطاقة النووية بأشكال أخرى من الوقود الأحفوري فيما يتعلق بإنتاج الحرارة ، تصبح الطاقة النووية أنظف بكثير نظرًا لعدم إنتاج ثاني أكسيد الكربون.

على الرغم من أننا نستخدم الانشطار النووي لقوتنا ، إلا أنه في الواقع أكثر تلويثًا وخطورة للعمل عند مقارنته بالاندماج النووي. تحترق شمسنا ساطعة وساخنة من الطاقة الناتجة عن الاندماج النووي.

من الناحية النظرية ، يمكن أن يكون الاندماج النووي مدفوعًا بتوحيد ذرتين خفيفتين ، ولدينا المرشحون المثاليون لهذه العملية مثل التريتيوم والديوتيريوم. ميزة استخدام الاندماج النووي هي أنه على عكس اليورانيوم ، لدينا وفرة من التريتيوم والديوتيريوم لأنهما نظائر الهيدروجين.

النفايات النووية الناتجة أقل إشعاعية مما نحصل عليه من الانشطار النووي. هناك أيضًا احتمال صفري لحدوث أي انهيار ، مما يجعل الاندماج النووي أكثر أمانًا للعمل عند مقارنته بالانشطار.

مع إظهار الاندماج النووي إمكانات أكبر من الانشطار ، لماذا لا نستخدمه؟ الجواب هو أن شروط تسهيل الاندماج النووي صعبة.

لقد ناقشنا أن الشمس تعمل على الاندماج النووي ، وذلك لأن درجة الحرارة والضغط في لب الشمس أكبر بكثير مما يمكننا إعادة إنشائه في المفاعلات النووية. إذا أردنا تكرار مثل هذه الإعدادات ، فنحن بحاجة إلى رفع درجة حرارة المفاعل إلى 6 أضعاف درجة الحرارة في قلب الشمس ، وهو ما يعادل حوالي 100 مليون درجة مئوية.

يمكن للشمس أن تسهل الاندماج عند 15 مليون درجة مئوية فقط بسبب ضغطها العالي المستمر داخل قلبها.

ترجع متطلبات الطاقة الهائلة إلى حقيقة أن الاندماج النووي يجمع ذرتين موجبتين للاندماج. نظرًا لأن الشحنات المتشابهة تتنافر ، فنحن بحاجة إلى إعطاء الذرات كميات هائلة من الطاقة.

ومع ذلك ، كان العلماء يحاولون فك شفرة كيفية تسهيل تفاعل الاندماج على الأرض.

كانت محاولة إنشاء مثل هذا الإعداد ممكنة لأول مرة من خلال جهاز يسمى Tokamak. هذه غرفة على شكل كعكة دائرية تستخدم الكهرباء لشحن الغاز داخل الأنبوب.

عندما يحصل الغاز على كميات كبيرة من الشحنة ، فإنه يغير حالته إلى البلازما.

نظرًا لأن الغرفة في حالة فراغ قبل ضخ الغاز فيها ، فإن العلماء قادرون على محاكاة الضغط العالي ورفع درجة الحرارة بشكل أكبر للحفاظ على تفاعل الاندماج. ومع ذلك ، للحفاظ على استمرار التفاعل ، نحتاج إلى طن من الكهرباء وغرفة يمكنها الاحتفاظ بالبلازما لبعض الوقت دون إذابة جميع الأجزاء.

أعلى ما حصلنا عليه مع البلازما المحتوية على درجة حرارة عالية هو 102 ثانية ، بفضل مفاعل EAST الموجود في الصين.

غالبًا ما يمزح العلماء أن طاقة الاندماج كانت بعيدة 20 عامًا على مدى العقود الستة الماضية.

الآن ، هذا لا يعني أننا نتخلى عن حلم الحصول على طاقة أكثر نظافة وأمانًا. بدلاً من ذلك ، اجتمعت 35 دولة معًا ، حيث جمعت موارد قدرها 25 مليار دولار لإنشاء أكبر مشروع بحثي على الإطلاق في التاريخ يسمى ITER (المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي).

الهدف من المشروع هو إنشاء طاقة اندماج مستدامة بحلول عام 2035. يعتبر ITER في الأساس نسخة قوية من مفاعل توكاماك الذي يمكنه الحفاظ على البلازما لأكثر من ساعة ، وهو ما يكفي لإمداد 50000 منزل بالطاقة.

ITER قيد الإنشاء الآن في Saint-Paul-lez-Durance ، جنوب فرنسا.

في العام الماضي ، نجحت مجموعة من الباحثين من مختبر برينستون لفيزياء البلازما في تثبيت البلازما في مفاعلات الاندماج ، من أجل منع التقلبات في درجات الحرارة والكثافة. سيساعد هذا الاختراق في منع ردود الفعل النووية من التوقف.

ذات صلة: تعلن منشأة الانصهار النووي الدولية عن وصولها إلى "نقطة منتصف الطريق"

نشهد أيضًا ظهور العديد من الشركات الناشئة التي ترغب في تشغيل طاقة الاندماج قبل عام 2035. ومن الأمثلة على ذلك شركة Commonwealth Fusion Systems ، وهي شركة تخطط لإنشاء مفاعل اندماج عام 2025.

من الآمن أن نقول إنه يتم بالتأكيد إحراز تقدم فيما يتعلق بتقنيات الاندماج. من المؤكد أنها ليست في نطاق ذراع ، ولكن بالتأكيد سوف تكون ثمارها تستحق الانتظار.


شاهد الفيديو: دورة الطاقة الشسمية - الجزء الأول مقدمة وتاريخ الطاقة الشمسية وعمل الخلية الشمسية (شهر اكتوبر 2021).