لا تزال هناك حاجة إلى عقود من البحث قبل أن يمكن استخدام الاندماج كطاقة نظيفة

أبلغت وزارة الطاقة الأمريكية عن اختراق علمي كبير في علم الاندماج النووي في ديسمبر 2022. وللمرة الأولى ، تم إطلاق المزيد من الطاقة من تفاعل الاندماج أكثر مما تم استخدامه لإشعاله.

في حين أن هذا الإنجاز تاريخي حقًا ، فمن المهم التوقف والتفكير في الطريق إلى الأمام لطاقة الاندماج.

نحن أساتذة في هندسة الطاقة المستدامة والمتجددة في جامعة كارلتون ، حيث نقوم بالبحث عن تقنيات وأنظمة الطاقة البديلة التي يمكن أن تنقلنا إلى مستقبل منخفض الكربون.

نحن نعلم طلابنا أيضًا كيفية التنقل في التضاريس الغادرة من النتائج المستندة إلى المختبر إلى تطبيقات العالم الحقيقي.

تحديد حدود النظام

لا يزال يتعين رؤية كفاءة محطة طاقة الاندماج المحتملة. تطلب صافي ربح الاندماج المبلغ عنه في الواقع حوالي 300 ميغا جول من مدخلات الطاقة ، والتي لم يتم تضمينها في حساب كسب الطاقة. مصدر الطاقة هذا ، اللازم لتشغيل 192 ليزرًا ، جاء من شبكة الطاقة الكهربائية.

بعبارة أخرى ، استخدمت التجربة نفس القدر من الطاقة الذي تستخدمه الأسرة الكندية النموذجية في يومين. عند القيام بذلك ، ينتج عن تفاعل الاندماج طاقة كافية لإضاءة 14 مصباحًا متوهجًا فقط لمدة ساعة.

وينطبق الشيء نفسه على الانشطار النووي ، وهو التفاعل داخل محطات الطاقة النووية الحالية. الانشطار الكامل بمقدار كيلوغرام واحد من اليورانيوم 235 – المكون الانشطاري للوقود النووي – يمكن أن يولد حوالي 77 تراجول. لكن لا يمكننا تحويل كل هذه الطاقة إلى أشكال مفيدة مثل الحرارة والطاقة الكهربائية.

بدلاً من ذلك ، يتعين علينا تصميم نظام معقد يمكنه التحكم في تفاعل سلسلة الانشطار النووي وتحويل الطاقة المتولدة إلى أشكال أكثر فائدة.

هذا ما تفعله محطات الطاقة النووية – فهي تسخر الحرارة المتولدة أثناء تفاعلات الانشطار النووي لتوليد البخار. يعمل هذا البخار على تشغيل توربين متصل بمولد طاقة كهربائية ينتج الكهرباء. الكفاءة الإجمالية للدورة أقل من 40 في المائة.

بالإضافة إلى ذلك ، لا يتم حرق كل اليورانيوم الموجود في الوقود. لا يزال الوقود المستخدم يحتوي على حوالي 96 في المائة من إجمالي اليورانيوم وحوالي خمس محتواه الانشطاري من اليورانيوم 235.

زيادة كمية اليورانيوم التي يتم إنفاقها في أسطولنا الحالي أمر ممكن – إنه مجال عمل مستمر – لكنه يفرض تحديات هندسية هائلة. يتم حاليًا التخفيف من إمكانات الطاقة الهائلة للوقود النووي من خلال التحديات الهندسية لتحويل تلك الطاقة إلى شكل مفيد.

من العلم إلى الهندسة

حتى وقت قريب ، كان يُنظر إلى الاندماج في المقام الأول على أنه تجربة علمية ، وليس تحديًا هندسيًا. هذا يتغير بسرعة ويقوم المنظمون الآن بالتحقيق في كيفية انتشار النشر في العالم الحقيقي.

بغض النظر عن كفاءة محطة توليد الطاقة الاندماجية المستقبلية ، فإن تحويل تحويلات الطاقة من العلوم الأساسية إلى العالم الحقيقي سيتطلب التغلب على العديد من التحديات.

نظرًا لأن الانشطار واجه العديد من التحديات نفسها التي يواجهها الاندماج الآن ، يمكننا أن نتعلم الكثير من تاريخه. كان على الانشطار أيضًا الانتقال من العلوم إلى الهندسة قبل أن تتمكن الصناعة التجارية من الانطلاق.

علم الطاقة الاندماجية ، كما هو الحال مع الانشطار النووي ، متجذر في الجهود المبذولة لتطوير أسلحة نووية. والجدير بالذكر أن العديد من علماء الفيزياء النووية الذين ساعدوا في تطوير القنبلة النووية أرادوا “إثبات أن هذا الاكتشاف لم يكن مجرد سلاح”.

كان التاريخ المبكر للطاقة النووية واحدًا من التفاؤل – التصريحات بأن التكنولوجيا سوف تتقدم وستكون قادرة على تلبية حاجتنا إلى كميات متزايدة باستمرار من الطاقة. في النهاية ، ستأتي طاقة الاندماج وستصبح الكهرباء “رخيصة جدًا بحيث لا يمكن قياسها”.

الدروس المستفادة

ما الذي تعلمناه خلال السبعين عامًا الماضية منذ ظهور الطاقة النووية؟ أولاً ، لقد علمنا بالمخاطر المدمرة المحتملة للاغلاق التكنولوجي ، والذي يحدث عندما تصبح الصناعة معتمدة على منتج أو نظام معين.

مفاعلات الانشطار بالماء الخفيف اليوم – المفاعلات التي تستخدم الماء العادي بدلاً من الماء المخصب بنظير الهيدروجين – هي مثال على ذلك. لم يتم اختيارهم لأنهم كانوا أكثر رغبة ، ولكن لأسباب أخرى.

وتشمل هذه العوامل الإعانات الحكومية التي فضلت هذه التصاميم ؛ مصلحة البحرية الأمريكية في تطوير مفاعلات مياه مضغوطة صغيرة الحجم للغواصات والسفن الحربية السطحية ؛ التقدم في تكنولوجيا تخصيب اليورانيوم نتيجة لبرنامج الأسلحة النووية الأمريكي. عدم اليقين بشأن التكاليف النووية التي أدت إلى افتراض أن مفاعلات الماء الخفيف الكبيرة هي مجرد نسخ موسعة من مفاعلات أصغر ؛ والتحفظ فيما يتعلق بخيارات التصميم نظرًا لارتفاع التكاليف والمخاطر المرتبطة بتطوير الطاقة النووية.

نحن نكافح من أجل الانتقال إلى تقنيات أخرى منذ ذلك الحين.

ثانيًا ، لقد تعلمنا أن الحجم مهم. تكلف المفاعلات الكبيرة أكثر لبناء كل وحدة قدرة من الوحدات الأصغر. بعبارة أخرى ، أساء المهندسون فهم مفهوم اقتصاديات الحجم وأهلكوا صناعتهم في هذه العملية.

مشاريع البنية التحتية الكبيرة هي أنظمة معقدة للغاية تعتمد على قوى العمل والتنسيق الهائلة. يمكن إدارتها ، لكنها عادة ما تتجاوز الميزانية وتتأخر عن الجدول الزمني. تُظهر التقنيات المعيارية قدرة أفضل على تحمل التكاليف والتحكم في التكاليف والاقتصاد ، ولكن المفاعلات النووية الصغيرة والصغيرة ستواجه أيضًا تحديات اقتصادية.

ثالثًا ، يجب تطوير أنظمة تنظيمية للاندماج. إذا اتحدت الصناعة بسرعة كبيرة حول تصميم من الجيل الأول ، فقد تكون العواقب على تنظيم المفاعلات المستقبلية وخيمة.

رابعًا ، يعد اختيار المواقع لمحطات الطاقة الجديدة والقبول المجتمعي أمرًا أساسيًا. يتمتع الانصهار بميزة لأن تقنيته عبارة عن لوحة فارغة أكثر من كونها انشطارًا عندما يتعلق الأمر بالرأي العام. يجب الحفاظ على الارتباطات الإيجابية التي يتمتع بها الجمهور مع الاندماج من خلال قرارات التصميم الحكيمة واعتماد أفضل الممارسات لإشراك المجتمع.

وينطبق الشيء نفسه على كيفية اختيار الصناعة للتعامل مع تحدي النفايات. تولد مفاعلات الاندماج كميات كبيرة من النفايات ، ولكن ليس الانشطار من نفس النوع.

دعوة إلى اتخاذ إجراء

يكشف بحثنا حول ابتكارات الطاقة النووية أنه يمكن التغلب على التحديات التي تواجه الاندماج النووي ، لكنها تتطلب قيادة حكيمة وعقودًا من البحث وكميات كبيرة من التمويل والتركيز على تطوير التكنولوجيا.

هناك حاجة إلى مليارات الدولارات لتطوير تقنية الانشطار النووي ، ولدينا خبرة أكبر بكثير في الانشطار مقارنة بالاندماج. يجب أن تظهر الرغبة في التمويل من قبل الحكومات وشركات المرافق الكهربائية ورجال الأعمال.

إن وعد Fusion ضخم وهناك عمل مثير يتم القيام به للمضي قدمًا خارج هذا الاختراق الأخير ، بما في ذلك من قبل الشركات الخاصة. هناك حاجة إلى عقود من البحث والتطوير قبل أن يساهم الاندماج بشكل فعال في نظام الطاقة لدينا.

رسالتنا المركزية هي دعوة للعمل: يجب على مهندسي الاندماج والباحثين والصناعة والحكومة تنظيم جهودهم للتحقيق في التحديات التي تواجه الاندماج والتخفيف من حدتها ، بما في ذلك تصميم الجيل الأول من محطات الطاقة.

لا يوجد بديل عن إزالة الكربون بشكل عميق وسريع من نظام الطاقة إذا أردنا إنقاذ كوكبنا من كارثة المناخ. نحن فخورون بتدريب الجيل القادم من مهندسي الطاقة لتصميم حلول طاقة جديدة وأفضل.