كتب – رامز يوسف:
على مستوى العالم، تمثل الطاقة النووية ما يقرب من 10% من توليد الكهرباء. في بعض البلدان، مثل فرنسا، يبلغ هذا الرقم نحو 70 في المائة.
تتجه شركات التكنولوجيا الكبرى مثل جوجل أيضًا إلى الطاقة النووية لتلبية متطلبات الطاقة الضخمة لمراكز البيانات الخاصة بها.
مصدر كل الطاقة النووية هو طاقة ربط الذرة. يمكن إطلاق الطاقة المخزنة في الذرة بطريقتين رئيسيتين: الانشطار أو الاندماج. يتضمن الانشطار تقسيم الذرات الكبيرة الثقيلة إلى ذرات أصغر وأخف وزناً. يتضمن الاندماج دمج الذرات الصغيرة معًا في ذرات أكبر.
تطلق كلتا العمليتين الكثير من الطاقة. على سبيل المثال، ينتج تحلل الانشطار النووي لـ U235، وهو نظير لليورانيوم يستخدم عادة كوقود في معظم محطات الطاقة، أكثر من 6 ملايين ضعف الطاقة لكل تفاعل كيميائي واحد من الفحم الأكثر نقاءً.
ما هو الانشطار؟
الانشطار هو العملية التي تقوم عليها كل محطة طاقة نووية تعمل اليوم. ويحدث ذلك عندما يصطدم جسيم دون ذري صغير يسمى النيوترون بذرة اليورانيوم، فتنشق.
ويؤدي هذا إلى إطلاق المزيد من النيوترونات، التي تستمر في الاصطدام بذرات أخرى، ما يؤدي إلى تفاعل نووي متسلسل. وهذا بدوره يطلق كمية هائلة من الطاقة.
لتحويل هذه الطاقة إلى كهرباء، يتم تركيب مبادل حراري، يحول الماء إلى بخار، ويدفع التوربين لإنتاج الطاقة.
يمكن التحكم في تفاعل الانشطار عن طريق قمع إمداد النيوترونات. ويتحقق ذلك عن طريق إدخال “قضبان تحكم” تمتص النيوترونات.
تاريخيًا، وقعت حوادث نووية مثل تشيرنوبيل عندما فشلت قضبان التحكم في الاشتباك وإخماد إمداد النيوترونات، مع فشل دوران المبرد.
تعمل التصميمات التي يطلق عليها “الجيل الثالث” على تحسين التصميمات المبكرة من خلال دمج ميزات الأمان السلبية أو المتأصلة التي لا تتطلب ضوابط نشطة أو تدخل بشري لتجنب الحوادث في حالة حدوث عطل. وقد تعتمد هذه الخصائص على فروق الضغط، أو الجاذبية، أو الحمل الحراري الطبيعي، أو الاستجابة الطبيعية للمواد لدرجات الحرارة المرتفعة.
كان أول مفاعلات الجيل الثالث هي مفاعلات الماء المغلي المتقدمة كاشيوازاكي 6 و7 في اليابان.
والتحدي الذي لم يتم حله للانشطار هو أن المنتجات الثانوية للتفاعل تكون مشعة لفترة طويلة، ربما لآلاف السنين. وإذا أعيدت معالجتها، يمكن أيضًا استخدام مصدر الوقود والنفايات لصنع سلاح نووي.
طاقة الانشطار هي تقنية مثبتة. وهي قابلة للتطوير أيضًا من نطاق واسع (أكبرها محطة كاشيوازاكي-كاريوا للطاقة النووية في اليابان التي تبلغ قدرتها 7.97 جيجاوات) إلى مفاعلات صغيرة إلى متوسطة تنتج حوالي 150 ميجاوات من الكهرباء، كما هو مستخدم على متن سفينة أو غواصة نووية.
ما هو الاندماج؟
الاندماج هو العملية التي تمد الشمس والنجوم بالطاقة. وهو عكس الانشطار. ويحدث عندما تندمج الذرات معًا.
أسهل تفاعل يمكن البدء به في المختبر هو اندماج نظائر الهيدروجين والديوتيريوم والتريتيوم. لكل وحدة كتلة، ينتج التفاعل طاقة أكبر بأربع مرات من انشطار اليورانيوم 235.
أيون الوقود الديوتيريوم وفير بشكل لا يصدق على الأرض وفي الكون. التريتيوم مشع بنصف عمر 12 عامًا، لذا فهو نادر جدًا على الأرض.
يبلغ عمر الكون 13.8 مليار سنة؛ النظائر الوحيدة للنوى الخفيفة (الهيدروجين والهيليوم والليثيوم) الموجودة في الطبيعة هي تلك المستقرة على تلك المقاييس الزمنية.
في محطة طاقة الاندماج، يُنتج التريتيوم باستخدام “بطانية الليثيوم”. هذا جدار ليثيوم صلب تتباطأ فيه نيوترونات الاندماج وتتفاعل في النهاية لتكوين التريتيوم.
ولكن في الوقت الحاضر من الصعب للغاية على العلماء أن يخلقوا تفاعل اندماج خارج المختبر. لأن الاندماج يتطلب ظروفاً شديدة الحرارة: الظروف المثالية هي 150 مليون درجة مئوية.
عند هذه الدرجات من الحرارة توجد أيونات الوقود في حالة البلازما، حيث تتفكك الإلكترونات والأيونات (النووية). والمنتج الثانوي لهذه العملية ليس مشعاً؛ بل هو الهيليوم، وهو غاز خامل.
ويسمى المسار التكنولوجي الرائد لإثبات الاندماج المستدام “الاحتجاز المغناطيسي الحلقي”. ويحدث هذا عند حبس البلازما في درجات حرارة شديدة في زجاجة مغناطيسية كبيرة على شكل دونات.
وعلى عكس الانشطار، يتطلب هذا المسار التكنولوجي تسخيناً خارجياً مستمراً للوصول إلى ظروف الاندماج وحقل احتجاز قوي. وإذا أنهينا أياً منهما فإن التفاعل يتوقف.
والتحدي ليس الانصهار غير المنضبط، بل جعل التفاعل يحدث على الإطلاق.
التحدي الرئيسي الذي لم يتم حله بعد للاندماج بالاحتجاز المغناطيسي الحلقي، والذي يجتذب غالبية اهتمامات البحث، هو إثبات احتراق البلازما ذاتية التسخين. إن الطاقة الحرارية الناتجة عن التفاعل نفسه هي العامل الأساسي. وهذا هو هدف مشروع ITER المتعدد الجنسيات الممول من القطاع العام، وهو أكبر تجربة اندماج نووي في العالم، وتجربة SPARC الممولة من القطاع الخاص في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
ومع ذلك، فإن إجماع أغلب المجتمع العلمي أن الاندماج النووي لن يكون مجدياً تجارياً حتى عام 2050 على الأقل.
ماثيو هول، أستاذ، معهد العلوم الرياضية وكلية الحوسبة، الجامعة الوطنية الأسترالية.
نشرت هذه المقالة في The Conversation.
