استكشاف إمكانات الطاقة الاندماجية: ما هي وكيف يمكن أن تساعد؟
أعطى التقدم الأخير في طاقة الاندماج الناس الأمل في أن هذا النوع من الطاقة سيصبح جزءًا مهمًا من إنتاج الطاقة في العالم والاستخدامات الأخرى في العقود القليلة القادمة. في كانون الأول (ديسمبر) ، أعلنت وزارة الطاقة الأمريكية ومختبر لورانس ليفرمور الوطني عن علامة بارزة في الاندماج النووي.
ومع ذلك ، فقد أقر حتى العلماء الذين أجروا التجربة الرئيسية أنه لا يزال أمامنا طريق طويل لنقطعه ، قائلين “إنها تحدد خريطة الطريق لنا للمضي قدمًا لتحقيق مكاسب أعلى ونحو مصانع تجريبية في العقود القادمة. “
بصفتنا حاملي الأرقام القياسية لأقوى تفاعل اندماج في نظام الحالة المستقرة ، فقد اعتقدنا منذ فترة طويلة أن تقنيتنا هنا في SHINE ستلعب دورًا رئيسيًا في جعل طاقة الاندماج عملية. نحن نقوم بالاندماج اليوم ، بطرق تفيد المجتمع بشكل كبير ، على أمل أن يساعد نهجنا المكون من أربع مراحل في جلب طاقة الاندماج إلى الشبكة بطريقة اقتصادية وتنافسية.
شركة Fusion Technology اليوم
الاندماج هو العملية التي تمد الكون المرئي بالطاقة. المصدر النهائي لكل الطاقة التي نستخدمها اليوم تقريبًا يأتي من الاندماج. إن تسخير الاندماج لتوفير مصدر طاقة نظيف وغير محدود سيكون بمثابة لحظة رفع مستوى للبشرية ستؤدي إلى فصل جديد من الاحتمالات ، وقد تكون الطريقة التي ننتج بها الطاقة للمليون سنة القادمة.
بينما كنت أتقدم نحو الحصول على درجة الدكتوراه. في الهندسة النووية في جامعة ويسكونسن ماديسون ، طورت فهمًا قويًا للانصهار وإمكانياته وتحدياته. كنت جزءًا من مجموعة تسمى Fusion Technology Institute (FTI) ، والتي ركزت بشكل أساسي على الهندسة اللازمة لتسويق طاقة الاندماج في آلة عاملة وفعالة من حيث التكلفة ، شريطة إثبات اكتساب طاقة كافية لإنشاء نظام قابل للتطبيق.
من خلال تفاعلي مع زملائي في FTI ، أدركت مدى الحاجة إلى تطوير التكنولوجيا والخبرة لتسويق الاندماج كمصدر للطاقة ، وبدا أن التحديات أعظم من أن تتغلب عليها في خطوة واحدة. ولكن مع بعض التدريب من مستشاري ، قررت أن هناك طرقًا عديدة يمكن من خلالها الاندماج أن يضيف قيمة إلى العالم ، مع بناء القدرات والتقنيات اللازمة لتحقيق طاقة الاندماج. بدلاً من محاولة تحقيق قفزة عملاقة إلى الأمام ، يمكننا اتخاذ خطوات مهمة ، ولكن معقولة ، من شأنها أن توفر فوائد ضخمة للبشرية على طول الطريق إلى قوة اندماج فعالة من حيث التكلفة.
في الواقع ، هذه هي العملية التي تم من خلالها تسويق الأفكار الكبيرة الأخرى واستمرارها. بدأت أجهزة الكمبيوتر كآلات عملاقة باهظة الثمن تستخدم فقط في التطبيقات المتخصصة ، لكنها قدمت قيمة في تلك التطبيقات التي بررت إعادة الاستثمار. من خلال هذه العملية ، انتقلوا إلى المكاتب ، ثم إلى المنازل ، والآن أصبحوا أكثر فاعلية وكفاءة بحيث أصبح لدينا واحدًا في جيوبنا. تخطط SpaceX لبناء مدن على سطح المريخ ، لكنها بدأت بإضافة قيمة عن طريق شحن البضائع ، ثم البشر إلى مدار أرضي منخفض. ستكون البعثات المأهولة إلى المريخ هي التالية ، وقد يتبعها الاستقرار والنمو.
في هذه الحالات والعديد من الحالات الأخرى ، كان التقدم التدريجي مع خلق القيمة على طول الطريق أمرًا أساسيًا لبناء صناعات مستدامة من شأنها في النهاية تحسين الإمكانات البشرية بشكل كبير. بالنظر إلى التعقيد الهائل حول الاندماج ، يبدو هذا النهج أكثر عقلانية.
النهج المرحلي لتقنية الاندماج
بين العناوين الرئيسية حول التطورات الأخيرة في طاقة الاندماج والاستثمار المتزايد في الصناعة ، بدأ السباق نحو طاقة الاندماج التجارية الوفيرة. إنه سباق سيثبت أنه سباق ماراثون أكثر منه سباق سريع ، حيث توجد مساحة هائلة يجب تغطيتها. ولكن بينما يحاول البعض تحقيق قفزة في الطاقة في حد واحد ، فإننا نتخذ تطبيقات عملية للسماح بإعادة الاستثمار التراكمي للقيمة.
يركز نهجنا أولاً على النيوترونات الناتجة عن تفاعلات الاندماج ، حيث إنها أكثر قيمة لكل تفاعل من الطاقة الناتجة عن الاندماج. فيما يلي الأسواق الرئيسية الحالية التي نستهدفها من خلال هذا النهج:
فحص المكونات الصناعية
تساعد تقنية الاندماج والعناصر المنبثقة عن الجهود المبذولة لتطويرها في جعل صناعات الطيران والدفاع والطاقة أكثر أمانًا.
الجميع على دراية بالأشعة السينية ، والتي تعتبر رائعة في تصوير المواد ذات العدد الذري العالي (مرتفع Z) ، لأنها تمر عبر مادة Z منخفضة مثل الجلد والعضلات والأنسجة ويتم امتصاصها بواسطة مواد عالية Z مثل العظام والمعادن. في أبسط معانيها ، تعتبر النيوترونات مكملة ، ويمكن أن تمر عبر العديد من المواد عالية Z بينما تحل المواد منخفضة Z.
من خلال التصوير الشعاعي النيوتروني ، يمكننا اختبار مجموعة واسعة من المكونات التي لا تستطيع الأشعة السينية حلها. وتشمل بعض هذه شفرات التوربينات للطائرات الحديثة ، ووقود محطات الطاقة النووية ، والشحنات المتفجرة لتطبيقات الفضاء والدفاع. هذه أسواق متخصصة ، ولكن هذه مكونات يكون الفشل فيها كارثيًا ، وتقنيات الفحص القائمة على النيوترونات مطلوبة تمامًا لضمان سلامتها.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للنيوترونات توفير بيانات محددة حول التركيب الكيميائي والنظيري للمواد بطرق لا تستطيع الأشعة السينية القيام بها. لذلك إذا كنت تبحث عن متفجرات أو مواد مهربة أو مواد نووية مخبأة في حاويات أو غير ذلك ، فإن النيوترونات تقدم قدرات متقدمة لاكتشاف هذه المواد حيث تفشل تقنيات التفتيش الأخرى.
لقد تم بالفعل تسويق تكنولوجيا SHINE ونشرها وتحقيق أرباحها في هذه الأسواق اليوم ، مما يجعل العالم أكثر أمانًا مع تبرير إعادة الاستثمار اللازمة للانتقال بالاندماج إلى المستوى التالي.
إنتاج النظائر الطبية
لم يكن الاختبار غير المدمر باستخدام النيوترونات أسلوبًا جديدًا. ولكن قبل برنامج شاين ، تم إنجاز كل هذا العمل تقريبًا من خلال الانشطار في مفاعل نووي. يمكن قول الشيء نفسه عن إنتاج بعض النظائر الطبية ، والتي كانت الخطوة المنطقية التالية لتقنية الاندماج.
بالنسبة لهذا التطبيق ، قمنا بزيادة إنتاج الاندماج ، وخفضنا تكلفة كل نيوترون بما يكفي حتى نتمكن من تحويل المادة من النماذج منخفضة القيمة إلى النماذج عالية القيمة – أكثر من 100 مليون دولار للجرام. هذا يسمح لنا بتوفير قيمة اجتماعية واقتصادية على نطاق أوسع بكثير من مكانة الاختبارات غير المدمرة. تطلبت التكنولوجيا اللازمة للقيام بذلك زيادة كبيرة عن المرحلة السابقة ، ويتم الآن تسويقها.
حاليًا ، يعتمد العالم في الغالب على ستة مفاعلات بحثية ، خمسة منها يبلغ متوسط أعمارها ما يقرب من 60 عامًا ، لتزويد النظائر الطبية. هذا الدواء ضروري لتشخيص أمراض القلب والسرطان والأمراض الأخرى من خلال إجراءات مثل التصوير المقطعي المحوسب بانبعاث فوتون واحد (SPECT) ، والتي تشمل فحوصات نضح عضلة القلب (يشار إليها غالبًا باسم اختبارات الإجهاد) ومسح العظام. توفر هذه الإجراءات العلاج المنقذ للحياة لما يقرب من 40 ألف مريض يوميًا في الولايات المتحدة وحدها. ربما يكون الأمر الأكثر إثارة هو استخدام النظائر الطبية لعلاج السرطان ، حيث تُظهر العلاجات الجديدة باستخدام النظائر المشعة المنتجة بالنيوترونات إمكانات مذهلة لعلاج حتى مرضى السرطان في المراحل المتأخرة بنجاح.
تتعطل سلسلة التوريد الخاصة بهذه الأدوية بشكل منتظم عندما تتعرض تلك المفاعلات المتقادمة للتوقف بسبب الصيانة والإصلاح. وتعتمد بعض المفاعلات أيضًا على اليورانيوم عالي التخصيب ، الأمر الذي يثير مخاوف من انتشار الأسلحة النووية. بالإضافة إلى ذلك ، يتمتع نظير مثل الموليبدينوم -99 بعمر نصفي قصير يبلغ حوالي 66 ساعة ، حيث يُفقد الكثير من المنتج أثناء النقل عند نقله إلى الخارج. الولايات المتحدة هي أكبر مستهلك لهذا النظير ، ولكن في المتوسط يتم فقدان 25٪ -35٪ أثناء النقل في الأيام الجيدة عندما يسير كل شيء على ما يرام. في الأيام السيئة ، لا تستطيع الولايات المتحدة ببساطة الوصول إلى هذا النظير.
يمكن لتقنية الاندماج الآن أن تلعب دورًا في إنتاج النظائر الطبية بطريقة تحل العديد من هذه المشكلات. باستخدام الاندماج كمصدر للنيوترونات مقابل المفاعلات ، يمكنك بناء مرافق إنتاج أكثر أمانًا وأقل تكلفة ، وتقليل النفايات المشعة إلى 1٪ -10٪ من الوضع الراهن ، والقضاء على مخاوف الانتشار مقابل الإنتاج التقليدي باستخدام المفاعلات. ولعل الأهم من ذلك ، أن هذه المزايا ستدعم سلسلة التوريد لهذه المنتجات المهمة المنقذة للحياة.
في SHINE ، نقترب من الانتهاء مما سيكون أكبر منشأة لإنتاج النظائر الطبية في العالم ، وهي تستخدم الاندماج لدفع عملية الإنتاج. عند التشغيل ، سيكون إلى حد بعيد أكبر استخدام مفيد للانصهار لتحسين الحياة حتى الآن.
إعادة تدوير المخلفات النووية
لا يزال تراكم الوقود النووي المستهلك يمثل قضية مهمة على الصعيدين الاجتماعي والاقتصادي. تمتلك الولايات المتحدة حاليًا ما يقدر بنحو 86000 طن متري من النفايات النووية ، وهو رقم ينمو بنحو 2000 طن سنويًا.
في حين أن إنتاج الأدوية وإعادة تدوير النفايات من مصانع الانشطار قد لا يبدو مترابطًا ، فإن العمليات لتحقيق كليهما متشابهة – بما في ذلك علم الفصل ، والعملية التنظيمية ، وحتى تصميمات المنشأة =. كلاهما ينطوي على معالجة وتنفيذ كيمياء إشعاعية معقدة على محاليل اليورانيوم عالية النشاط الإشعاعي وفصل المواد القيمة.
يتضمن الفصل التالي للاندماج اتخاذ خطوة أخرى لتخفيف النفايات. لن نقوم فقط بإعادة تدوير المواد ذات القيمة من تيار النفايات ، بل يمكننا أيضًا تعريض نفايات النفايات طويلة العمر المتبقية لنيوترونات الاندماج ، والتي تصادف أنها تمتلك الطاقة المثالية لتفكيك هذه النفايات إلى منتجات أقصر عمرًا أو منتجات مستقرة. هذا يمكن أن يجعل من السهل نسبيًا التخلص منها ، أو حتى تحويلها إلى مواد قيمة. يمكن تخزين النظائر المشعة قصيرة العمر بسهولة أكبر دون المخاطرة بأضرار بيئية أو التسبب في مشاكل صحية ، كما أنها تفتقر إلى العبء الثقيل المتمثل في بناء مستودع يمكن إثبات سلامته لملايين السنين.
مجتمعة ، ستوفر هاتان الخطوتان مسارًا لحل مشكلة النفايات النووية التي تتحدى حاليًا نشر محطات الطاقة الانشطارية الجديدة الخالية من الكربون. على هذا النحو ، فإن الاندماج بالفعل على عتبة القدرة على المساعدة في توليد عالم خالٍ من الكربون ، حتى قبل أن تصبح طاقة الاندماج عملية. علاوة على ذلك ، فإن القيمة التي تم فتحها في هذه العملية تسمح للاندماج بالتوسع إلى مستوى إنتاج مشابه لمحطات الطاقة ، وسوق يمكن معالجته عدة مرات مقارنة بالنظائر ، ولكن لا يزال هناك عائد أعلى بكثير لكل تفاعل مقارنة بتوليد الكهرباء.
مستقبل حلول الطاقة الانصهار المستدامة والقابلة للتطوير
تتمتع Fusion بإمكانية اتباع مسار مشابه مثل العديد من التقنيات السابقة ، مع تحسن القدرات واقتصاديات التكلفة بمرور الوقت ، ولكنها توفر قيمة على طول الطريق.
على الرغم من أن هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به ، إلا أن احتمالية قدرة جيلنا على الدخول في عصر الاندماج تثيرني.
كان الإنجاز العلمي الأخير في التعادل العلمي في NIF ذا مغزى. لكنها كانت أيضًا خطوة إضافية بعد مسيرة طويلة نحو هذا الهدف. لم يكن هناك اكتشاف فيزيائي “عيد الغطاس” الذي سيجعل فجأة طاقة الاندماج أسهل بكثير. في الواقع ، لا يزال يتعين تحقيق كفاءات النظام الإجمالية بترتيب أفضل بمئات المرات مما تم إثباته في NIF لتوفير نقطة التعادل الحقيقية. وبعد ذلك ، سيتعين القيام بقدر هائل من التكرار الهندسي والتشغيلي لتحقيق محطة طاقة يمكنها توفير كهرباء مستقرة.
في حين أن الكثيرين قد يختارون مطاردة حلم تحقيق تلك القفزة العملاقة لدمج الطاقة في إطار واحد ، فإننا نتساءل ، لماذا لا نخلق قيمة على طول الطريق؟ لماذا لا نبني الفريق والتقنيات التي من المحتمل أن تكون مطلوبة لتسويق طاقة الاندماج التجاري ، والتي تولد شركة مستدامة تقدم فائدة اجتماعية عن قصد أثناء التوسع؟
رد محتمل بسيط هو أنه ليس بالسرعة الكافية. ولكن عندما تنظر إلى التعقيد المرتبط بتسويق طاقة الاندماج ، فإن البناء في هذه التكنولوجيا الملحمية المتغيرة للعالم قد يكون الطريق الوحيد للنجاح. وحتى لو لم يكن هذا هو المسار الوحيد ، فقد يكون الطريقة الأسرع والأفضل للتغلب على العقبات بيننا وبين مستقبل مدعوم بالاندماج النووي.
المنشور استكشاف إمكانات الطاقة الاندماجية: ما هي وكيف يمكن أن تساعد؟ ظهر لأول مرة في Power Electronics News.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
