إدارة حرارة الاندماج النووي - تحويل البلازما ذات درجة حرارة 150 مليون درجة مئوية إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام

مقدمة

عندما نتأمل السماء المرصعة بالنجوم، فإن الضوء والحرارة اللذين نراهما هما في جوهرهما نتاج تفاعلات الاندماج النووي المستمرة داخل النجوم. وقد سعى المجتمع العلمي لعقود من الزمن إلى محاكاة هذه العملية لتزويد البشرية بطاقة نظيفة لا تنضب. أما على الأرض، فإن "إعادة خلق الشمس" تنطوي على تحديات هندسية تتجاوز بكثير مجرد إشعال لهب الاندماج، إذ تُعدّ إدارة الحرارة الهائلة الناتجة عن التفاعل بشكل آمن ومستمر وفعّال أحد أكبر التحديات.

نظرة عامة على تفاعل الاندماج النووي

الاندماج النووي هو العملية التي تتحد فيها نواتان ذريتان خفيفتان لتكوين نواة أثقل، مطلقةً طاقة هائلة. طاقة الشمس وجميع النجوم تنبع من هذه العملية. في لب الشمس، يُمكّن الحصر بفعل الجاذبية من استمرار الاندماج عند حوالي 15 مليون درجة مئوية تحت ضغط هائل.

على الأرض، لا يمكننا الاعتماد على جاذبية مماثلة لجاذبية الشمس. ولتحقيق اندماج نووي مُتحكم به، تُستخدم طرق أخرى لخلق ظروف التفاعل والحفاظ عليها. ومن أبرز هذه الطرق التقنية الحصر المغناطيسي (مثل أجهزة التوكاماك) والحصر بالقصور الذاتي (مثل الاندماج الليزري).

بغض النظر عن النهج المتبع، يتطلب تحقيق كسب صافٍ فعال للطاقة أن تستوفي بلازما الاندماج معيار لوسون، أي أن حاصل ضرب درجة الحرارة والكثافة وزمن احتواء الطاقة يجب أن يصل إلى قيمة حرجة. عندما تُسخّن الطاقة المنبعثة من الاندماج، وخاصة تلك التي تحملها الجسيمات المشحونة، البلازما نفسها بدرجة كافية، يصبح التفاعل مستدامًا ذاتيًا.

جوهر وتوزيع توليد الحرارة

في تفاعل الاندماج النووي بين الديوتيريوم والتريتيوم (DT)، وهو التفاعل الأكثر واعدة للتسويق التجاري على المدى القريب، يُطلق كل تفاعل حوالي 17.6 ميغا إلكترون فولت من الطاقة. لا تُطلق هذه الطاقة بشكل متجانس، بل تُحمل بشكل أساسي بواسطة منتجين: النيوترونات (حوالي 14.1 ميغا إلكترون فولت) وجسيمات ألفا (حوالي 3.5 ميغا إلكترون فولت).

تتفاعل النيوترونات، لكونها غير مشحونة، بشكل طفيف مع المجالات المغناطيسية، وتنطلق مباشرة من البلازما، مخترقةً بنية الغطاء المحيط. هناك، تتباطأ النيوترونات من خلال تفاعلات نووية مع مواد الغطاء (الليثيوم، الرصاص، البريليوم، إلخ)، وتُودع طاقتها الحركية، محولةً معظمها إلى طاقة حرارية. يُمثل هذا الجزء حوالي 80% من إجمالي طاقة الاندماج المنبعثة، ويُشكل الناتج الرئيسي لطاقة الاندماج القابلة للاستخدام.

تُحصر جسيمات ألفا المشحونة بواسطة المجال المغناطيسي، فتودع معظم طاقتها داخل البلازما لتسخينها ذاتيًا، مما يقلل الحاجة إلى طاقة تسخين خارجية. إضافةً إلى ذلك، تفقد البلازما جزءًا من طاقتها عبر الإشعاع، الذي يؤثر مباشرةً على الجدار الأول الداخلي.

وبالتالي، فإن الاستخدام الفعال لطاقة الاندماج يعتمد على نقل الحرارة المترسبة بالنيوترونات في الغطاء والحرارة الإشعاعية/الجسيمية على الجدار الأول إلى الكهرباء بشكل موثوق وفعال من خلال نظام قوي لنقل الحرارة وتحويلها.

الروابط الرئيسية في انتقال الحرارة

يحمل سائل التبريد ذو درجة الحرارة العالية الحرارة التي يجب نقلها إلى نظام تحويل الطاقة اللاحق، مما يتطلب وجود مبادلات حرارية لسد هذه الفجوة.

دور المبادل الحراري

في أنظمة تحويل الطاقة الاندماجية، تنقل المبادلات الحرارية الحرارة من سائل تبريد عالي الحرارة إلى سائل عامل (عادةً الماء أو سائل مناسب آخر). يمتص السائل العامل الحرارة ويخضع لتغير في الحالة، متحولاً من سائل إلى بخار عالي الحرارة والضغط.

على غرار مفاعلات الماء المضغوط في محطات الطاقة الانشطارية، يقوم سائل التبريد ذو درجة الحرارة العالية في الحلقة الأولية بتبادل الحرارة مع الماء في الحلقة الثانوية، مما يؤدي إلى تبخيره لإنتاج البخار لتوليد الطاقة في المراحل اللاحقة.

دورات متقدمة: دورة برايتون بثاني أكسيد الكربون فوق الحرج

في السنوات الأخيرة، برزت دورة برايتون لثاني أكسيد الكربون فوق الحرج (sCO₂) كخيار جذاب. عند درجات الحرارة العالية، يحقق ثاني أكسيد الكربون كفاءة حرارية أعلى من دورات البخار التقليدية - قد تتجاوز 40% - باستخدام معدات أكثر إحكامًا.

أهداف وتحديات إدارة حرارة الاندماج

يهدف نظام إدارة الحرارة في الاندماج النووي إلى تحويل الطاقة الحرارية الناتجة عن النيوترونات والإشعاع إلى موارد كهربائية وحرارية قابلة للاستخدام، وذلك بشكل آمن وفعال. ويعتمد تحقيق هذا الهدف على تطوير مواد مقاومة للإشعاع ودرجات الحرارة العالية، وحلول تبريد فعالة وموثوقة، ودمج دورات حرارية متقدمة، وتحسينات شاملة في سلامة النظام وسهولة صيانته.

تُجري الجهود الدولية الحالية، مثل المفاعل التجريبي النووي الحراري الدولي (ITER) ومفاعلات اختبار هندسة الاندماج الوطنية (مثل مفاعل CFETR الصيني)، تجارب وتحققات مكثفة في هذه الاتجاهات.

بخصوص شنشي

تأسست شركة هانغتشو شينشي لتكنولوجيا ترشيد الطاقة المحدودة (شينشي) عام 2005، وهي شركة تقنية متخصصة في تقنيات نقل الحرارة الموفرة للطاقة وتقنيات التفاعلات الدقيقة. وبصفتها رائدة في مجال الإدارة الحرارية منخفضة الكربون، تقوم شينشي بتصميم وتصنيع مبادلات حرارية ومفاعلات دقيقة عالية الأداء تخدم قطاعات متنوعة مثل الطاقة، والهندسة البحرية والمنصات البحرية، والهيدروجين، والصناعات الدوائية، والتصنيع المتقدم.

بفضل حلولها المنتشرة في أكثر من 40 دولة، تلتزم شركة شينشي بتقديم تقنيات حرارية موثوقة وفعالة ومستدامة للتطبيقات الصناعية الصعبة.