منشأة اختبار الاندماج المرآتي (Mirror Fusion Test Facility)

خلفية تاريخية

بدأت فكرة بناء MFTF في سبعينيات القرن العشرين، في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) في الولايات المتحدة. كان الهدف هو تطوير تصميم متقدم للاحتجاز المغناطيسي، بناءً على مبادئ “المرآة المغناطيسية” التي كانت قيد الدراسة في ذلك الوقت. في تصميم المرآة المغناطيسية، يتم استخدام حقول مغناطيسية قوية لتوجيه وحصر البلازما (وهي مادة شديدة الحرارة تتكون من أيونات وإلكترونات حرة) داخل جهاز على شكل أسطوانة. يكمن التحدي في هذا التصميم في كيفية احتواء البلازما بشكل فعال وتقليل فقدان الطاقة.

في أوائل الثمانينيات، تم بناء MFTF-B، وهو نموذج متقدم جدًا للمرآة المغناطيسية، مع تصميم متتالي. يتميز هذا التصميم بوجود حجرتين طرفيتين متصلتين بحجرة مركزية أطول. تم تصميم الحجرات الطرفية لتوفير حقول مغناطيسية قوية لتقييد البلازما في الحجرة المركزية، وبالتالي تحسين كفاءة الاحتجاز. كانت MFTF-B واحدة من أكبر وأكثر مشاريع الاندماج النووي طموحًا في ذلك الوقت، حيث بلغت تكلفتها حوالي 372 مليون دولار أمريكي (حوالي مليار دولار أمريكي بقيم اليوم).

تصميم وعمل MFTF

اعتمد تصميم MFTF على تقنية الاحتجاز المغناطيسي المتتالي. يتكون الجهاز من عدة مكونات رئيسية:

الحجرات الطرفية: تحتوي هذه الحجرات على مغناطيسات فائقة التوصيل تنتج حقول مغناطيسية قوية جدًا. تعمل الحقول المغناطيسية على حصر البلازما في الحجرة المركزية، وتقليل تسرب الجسيمات.
الحجرة المركزية: هي الجزء الرئيسي من الجهاز، حيث تحدث عملية الاندماج. تحتوي الحجرة المركزية على البلازما الساخنة، حيث تتصادم نوى الذرات وتندمج لتكوين نوى أثقل، مع إطلاق الطاقة.
نظام الحقن: يستخدم لحقن الوقود (عادة الديوتيريوم والتريتيوم، وهما نظيران للهيدروجين) في الجهاز.
نظام التسخين: يوفر الطاقة اللازمة لتسخين البلازما إلى درجات حرارة عالية جدًا (عشرات الملايين من الدرجات المئوية)، وهي ضرورية لبدء عملية الاندماج.
نظام التفريغ: يعمل على إزالة الغازات الزائدة والشوائب من الجهاز، للحفاظ على بيئة نظيفة للبلازما.

عملية تشغيل MFTF تتضمن الخطوات التالية:

تحضير الجهاز: يتم تفريغ الجهاز من الهواء، ويتم تبريد المغناطيسات فائقة التوصيل إلى درجات حرارة منخفضة جدًا.
حقن الوقود: يتم حقن الوقود (الديوتيريوم والتريتيوم) في الحجرة المركزية.
التسخين: يتم استخدام أجهزة تسخين مختلفة (مثل أجهزة التسخين بتردد الراديو وحقن الحزمة) لتسخين البلازما إلى درجات حرارة عالية جدًا.
الاحتجاز: تعمل الحقول المغناطيسية على احتجاز البلازما في الحجرة المركزية.
الاندماج: في درجات الحرارة والضغوط المرتفعة، تبدأ نوى الذرات في الاندماج، مع إطلاق الطاقة.
القياسات: يتم استخدام مجموعة متنوعة من الأدوات لقياس خصائص البلازما، مثل درجة الحرارة والكثافة والضغط.

التحديات والقيود

واجهت MFTF عددًا من التحديات والقيود التي أثرت على تقدمها. أبرز هذه التحديات:

التكلفة: كان بناء وتشغيل MFTF مكلفًا للغاية. أدت الزيادات في التكاليف إلى مشاكل في الميزانية، مما أثر على الجدول الزمني للمشروع.
تعقيد التصميم: كان تصميم MFTF معقدًا للغاية، مما تطلب استخدام تقنيات متقدمة في مجالات مثل المغناطيسية الفائقة، وأجهزة التفريغ، وأنظمة التسخين.
مشاكل في الاحتواء: على الرغم من التصميم المتتالي، كانت هناك مشاكل في احتواء البلازما بشكل فعال، مما أدى إلى فقدان الطاقة.
إدارة الحرارة: كانت إدارة الحرارة المتولدة في البلازما تمثل تحديًا كبيرًا. يمكن للحرارة الزائدة أن تلحق الضرر بالمكونات الداخلية للجهاز.
الإلغاء: بعد الانتهاء من بناء MFTF-B، تم إلغاء المشروع في عام 1986 بسبب قيود الميزانية وتغييرات في أولويات البحث. على الرغم من أن الجهاز كان جاهزًا تقريبًا للتشغيل، إلا أنه لم يتم تشغيله أبدًا رسميًا.

النتائج والأهمية

على الرغم من أن MFTF-B لم تصل إلى مرحلة إنتاج الطاقة على نطاق تجاري، إلا أنها قدمت مساهمات قيمة في مجال أبحاث الاندماج. ساعدت التجارب التي أجريت في MFTF-B في:

تحسين فهمنا للبلازما: قدمت MFTF بيانات قيمة حول سلوك البلازما في ظل ظروف معقدة للغاية، مما ساعد في تحسين النماذج النظرية.
تطوير تقنيات الاحتجاز المغناطيسي: ساهمت التجارب في MFTF في تطوير تقنيات جديدة لتحسين الاحتجاز المغناطيسي للبلازما، مثل تصميمات المغناطيسات وتحسين أنظمة التسخين.
اكتساب الخبرة الهندسية: ساهمت في تطوير الخبرة الهندسية اللازمة لتصميم وبناء وتشغيل أجهزة الاندماج المعقدة.
تطوير المواد: ساهمت في تطوير مواد جديدة قادرة على تحمل درجات الحرارة والضغوط الشديدة الموجودة في أجهزة الاندماج.

على الرغم من إلغاء المشروع، فإن الخبرة والتقنيات التي تم تطويرها في MFTF ساهمت بشكل كبير في تقدم أبحاث الاندماج النووي بشكل عام. تم استخدام الدروس المستفادة من MFTF في تصميم وبناء أجهزة أخرى للاندماج، مثل مفاعل الاندماج النووي التجريبي الدولي (ITER). يعد ITER مشروعًا تعاونيًا دوليًا يهدف إلى إثبات جدوى الطاقة النووية عن طريق الاندماج على نطاق تجاري.

تأثير على البحث المستقبلي

كان لعمل MFTF تأثير كبير على البحوث المستقبلية في مجال الاندماج النووي. لقد أظهرت أهمية بعض المفاهيم الأساسية في تصميم مفاعلات الاندماج، مثل الحاجة إلى احتجاز فعال للبلازما، وإدارة الحرارة، وتطوير المواد المتينة. أثرت البيانات والخبرات التي تم جمعها من MFTF على تصميم المشاريع المستقبلية، مثل ITER، حيث يتم استغلال الدروس المستفادة لتحسين كفاءة المفاعل وتقليل التكاليف.

كما ساهمت MFTF في تطوير تقنيات جديدة، مثل المغناطيسات فائقة التوصيل، وأجهزة التسخين، وأجهزة القياس، والتي تستمر في التطور والتحسين. هذه التقنيات أساسية لنجاح مشاريع الاندماج المستقبلية.

بالإضافة إلى ذلك، أدت MFTF إلى تعزيز التعاون الدولي في مجال أبحاث الاندماج. شارك العديد من العلماء والمهندسين من مختلف البلدان في تصميم وبناء وتشغيل MFTF. أدى هذا التعاون إلى تبادل المعرفة والخبرات، مما ساهم في تسريع التقدم في مجال الاندماج.

أخيرًا، ألهمت MFTF أجيالًا من العلماء والمهندسين للعمل في مجال أبحاث الاندماج. لا يزال الباحثون يستلهمون من هذا المشروع الطموح، ويسعون جاهدين لتحقيق هدف إنتاج الطاقة من الاندماج على نطاق تجاري. يعد MFTF مثالًا على كيفية أن المشاريع البحثية حتى لو لم تحقق أهدافها الأولية، يمكن أن تترك إرثًا دائمًا من المعرفة والتقنيات والتعاون.

خاتمة

منشأة اختبار الاندماج المرآتي (MFTF) كانت مشروعًا رائدًا في مجال أبحاث الاندماج النووي، يهدف إلى دراسة إمكانية توليد الطاقة من الاندماج النووي. على الرغم من أن المشروع لم يصل إلى مرحلة إنتاج الطاقة على نطاق تجاري بسبب التحديات التقنية والتكاليف، إلا أنه قدم مساهمات قيمة في فهم البلازما، وتطوير تقنيات الاحتجاز المغناطيسي، وتطوير المواد، وتعزيز التعاون الدولي. ساهمت الدروس المستفادة من MFTF في تطوير مشاريع الاندماج المستقبلية، مثل ITER، وستستمر في إلهام الباحثين للعمل نحو تحقيق هدف إنتاج الطاقة من الاندماج على نطاق واسع.

المراجع

“`