وقد تبلور نهج المملكة المتحدة لإنتاج الطاقة النووية بالاندماج النووي مع الإعلان عن برنامج STEP (توكاماك كروي لإنتاج الطاقة) في عام 2019. وانتهت مرحلته الأولى (2019-2024) بإصدار تصميم مفهومي لنموذج أولي متكامل لمحطة توليد الطاقة النووية بالاندماج النووي. وسوف يعتمد هذا النموذج على استخدام المجال المغناطيسي لاحتجاز البلازما باستخدام آلة توكاماك، إلا أن برنامج STEP في المملكة المتحدة سوف يستخدم توكاماك كرويًا بدلاً من توكاماك على شكل دونات تقليدي يستخدم في ITER. ويُعتقد أن التوكاماك الكروي يتمتع بالعديد من المزايا. وسيتم بناء المحطة في نوتنغهامشاير ومن المتوقع أن يبدأ تشغيلها في أوائل الأربعينيات من القرن الحادي والعشرين.
إن الحاجة إلى مصدر موثوق للطاقة النظيفة لتلبية الطلب المتزايد على الطاقة نتيجة لتزايد عدد السكان والاقتصاد العالمي، والذي يمكن أن يساعد بسرعة في مواجهة التحديات (التي تفرضها الوقود الأحفوري القابل للنضوب، وانبعاثات الكربون وتغير المناخ، والمخاطر البيئية المرتبطة بمفاعلات الانشطار النووي، وضعف قابلية التوسع في مصادر الطاقة المتجددة) لم تكن أبدا أكثر شدة مما هي عليه في الوقت الحاضر.
في الطبيعة، تعمل الاندماجات النووية على إمداد النجوم بما في ذلك شمسنا بالطاقة، والتي تحدث في قلب النجوم حيث تسود ظروف الاندماج (أي درجات الحرارة المرتفعة للغاية في نطاق مئات الملايين من الدرجات المئوية والضغط). إن القدرة على خلق ظروف اندماج محكومة على الأرض هي مفتاح الطاقة النظيفة غير المحدودة. وهذا ينطوي على بناء بيئة اندماج بدرجة حرارة عالية جدًا لإثارة تصادمات عالية الطاقة، والتي تتمتع بكثافة بلازما كافية لزيادة احتمالية الاصطدامات والتي يمكن أن تحصر البلازما لمدة كافية لتمكين الاندماج. من الواضح أن البنية التحتية والتكنولوجيا اللازمة لتقييد البلازما شديدة الحرارة والتحكم فيها هي المتطلب الأساسي للاستغلال التجاري لطاقة الاندماج. يتم استكشاف وتطبيق طرق مختلفة في جميع أنحاء العالم لتقييد البلازما نحو تحقيق طاقة الاندماج تجاريًا.
الاندماج بالقصور الذاتي (ICF)
في نهج الاندماج بالقصور الذاتي، يتم إنشاء ظروف الاندماج عن طريق الضغط السريع وتسخين كمية صغيرة من وقود الاندماج. يستخدم مرفق الإشعال الوطني (NIF) في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) تقنية الانفجار الداخلي المدفوعة بالليزر لتفجير كبسولات مملوءة بوقود الديوتيريوم والتريتيوم باستخدام أشعة الليزر عالية الطاقة. حقق مرفق الإشعال الوطني (NIF) أول اشتعال اندماجي في ديسمبر 2022. بعد ذلك، تم إثبات اشتعال الاندماج في ثلاث مناسبات في عام 2023 مما أكد إثبات المفهوم بأن الاندماج النووي المتحكم فيه يمكن استغلاله لتلبية احتياجات الطاقة.
الاحتجاز المغناطيسي لنهج البلازما
إن استخدام المغناطيسات لاحتجاز البلازما والتحكم فيها من أجل الاندماج النووي يتم تجريبه في العديد من الأماكن. ويستخدم معهد أبحاث الطاقة النووية الدولي (IITER)، وهو أكثر تعاون طموح في مجال الطاقة الاندماجية يضم 35 دولة ومقره في سان بول ليز دورانس في جنوب فرنسا، حلقة مغناطيسية تسمى توكاماك، وهي مصممة لاحتجاز وقود الاندماج النووي لفترات طويلة عند درجات حرارة عالية بما يكفي لحدوث اشتعال الاندماج. وباعتبارها مفهوماً رائداً لاحتجاز البلازما في محطات الطاقة الاندماجية، فإن أجهزة التوكاماك قادرة على إبقاء تفاعل الاندماج النووي مستمراً طالما كان هناك استقرار للبلازما. وسوف تكون أجهزة التوكاماك التي تنتجها محطة الطاقة الاندماجية أكبر أجهزة في العالم.
برنامج المملكة المتحدة للاندماج النووي STEP (توكاماك كروي لإنتاج الطاقة):
مثل ITER، يعتمد برنامج الاندماج STEP في المملكة المتحدة على الاحتجاز المغناطيسي للبلازما باستخدام مفاعل توكاماك. ومع ذلك، فإن مفاعل توكاماك في برنامج STEP سيكون على شكل كروي (بدلاً من شكله الدائري الدائري في ITER). إن مفاعل توكاماك الكروي صغير الحجم وفعّال من حيث التكلفة وقد يكون من الأسهل توسيعه.
تم الإعلان عن برنامج STEP في عام 2019. وقد انتهت مرحلته الأولى (2019-2024) بإصدار تصميم مفهومي لنموذج أولي لمحطة الطاقة الاندماجية المتكاملة.
إصدار موضوعي من مجلة المعاملات الفلسفية أ للجمعية الملكية، بعنوان "توفير الطاقة الاندماجية – التوكاماك الكروي لإنتاج الطاقة (STEP)"تم نشر 15 ورقة بحثية تمت مراجعتها من قبل النظراء في 26 أغسطس 2024 والتي توضح بالتفصيل التقدم الفني لبرنامج تصميم وبناء أول محطة نموذجية في المملكة المتحدة لإنتاج الكهرباء من الاندماج. تلتقط الأوراق صورة كاملة للتصميم وتوضح التقنيات المطلوبة ودمجها في محطة نموذجية بحلول أوائل الأربعينيات من القرن الحادي والعشرين.
يهدف برنامج STEP إلى تمهيد الطريق أمام الجدوى التجارية للاندماج النووي من خلال إثبات صافي الطاقة والاكتفاء الذاتي من الوقود ومسار قابل للتطبيق لصيانة المصنع. ويتبع البرنامج نهجًا شاملاً لتقديم نموذج أولي لمحطة تشغيلية كاملة مع مراعاة إيقاف التشغيل كجزء من التصميم.
***
المراجع:
- حكومة المملكة المتحدة. بيان صحفي - المملكة المتحدة رائدة العالم في تصميم محطات الطاقة النووية. نُشر في 03 سبتمبر 2024. متاح على https://www.gov.uk/government/news/uk-leading-the-world-in-fusion-powerplant-design
- "توفير طاقة الاندماج النووي - التوكاماك الكروي لإنتاج الطاقة (STEP). طبعة الجمعية الملكية الموضوعية من Philosophical Transactions A،. جميع المقالات الخمسة عشر التي تمت مراجعتها من قبل الأقران في العدد الموضوعي المنشور في 15 أغسطس 26. متاح على https://royalsocietypublishing.org/toc/rsta/2024/382/2280
- باحثون بريطانيون يكشفون عن لمحة عن تصميمات محطة طاقة اندماجية جديدة. مجلة ساينس. 4 سبتمبر 2024. DOI: https://doi.org/10.1126/science.zvexp8a
***
مقالات ذات صلة
- الأقزام البنية (BDs): يحدد تلسكوب جيمس ويب أصغر جسم يتكون بطريقة تشبه النجوم (شنومكس يناير شنومكس)
- تم عرض "Fusion Ignition" للمرة الرابعة في مختبر لورانس (20 ديسمبر 2023)
***
 programme in 2019. Its first phase (2019-2024) has come to an end with the release of a concept design for the integrated fusion prototype powerplant. It will be based on use of magnetic field for confining plasma using tokamak machine however UK’s STEP will use a spherical tokamak instead of traditional doughnut shaped tokamak being used at ITER. A spherical tokamak is thought to have several advantages. The plant will be built in Nottinghamshire and is expected to be operational in the early 2040s.){kind=link}