في ساعات الفجر من 5 سبتمبر 2021، حقق المهندسون إنجازًا كبيرًا في مختبرات مركز علوم البلازما والاندماج (PSFC) في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، عندما حقق نوع جديد من المغناطيس، مصنوع من مادة فائقة التوصيل ذات درجة حرارة عالية، قوة حقل مغناطيسي قياسية عالمية تبلغ 20 تسلا لمغناطيس كبير الحجم. هذه هي الشدة اللازمة لبناء محطة طاقة اندماجية من المتوقع أن تنتج ناتجًا صافياً من الطاقة وقد تفتح عصرًا من إنتاج الطاقة الذي لا حدود له تقريبًا.
تم الإعلان عن نجاح الاختبار على الفور، بعد أن استوفى جميع المعايير المحددة لتصميم جهاز الاندماج الجديد، الذي أطلق عليه اسم SPARC، حيث تعتبر المغناطيسات هي التكنولوجيا الرئيسية الممكنة. انطلقت زجاجات الشمبانيا بينما احتفل الفريق المتعب من المجربين، الذين عملوا بجد وطويل لجعل هذا الإنجاز ممكنًا، بإنجازهم.
لكن ذلك لم يكن نهاية العملية. على مدار الأشهر التالية، قام الفريق بتفكيك وفحص مكونات المغناطيس، ودرس وتحليل البيانات من مئات الأدوات التي سجلت تفاصيل الاختبارات، وأجرى اختبارين إضافيين على نفس المغناطيس، مما دفعه في النهاية إلى نقطة الانهيار من أجل معرفة تفاصيل أي أوضاع فشل محتملة.
لقد توج كل هذا العمل الآن في تقرير مفصل من قبل الباحثين في مركز PSFC وشركة Commonwealth Fusion Systems (CFS) الناشئة عن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الذي نُشر في مجموعة من ست أوراق بحثية خضعت لمراجعة الأقران في عدد خاص من العدد marzo IEEE Transactions on Applied Superconductivity . معًا، تصف الأوراق تصميم وتصنيع المغناطيس والمعدات التشخيصية اللازمة لتقييم أدائه، بالإضافة إلى الدروس المستفادة من العملية. بشكل عام، وجد الفريق أن التوقعات ونمذجة الكمبيوتر كانت دقيقة، مما يثبت أن عناصر التصميم الفريدة للمغناطيس يمكن أن تشكل أساسًا لمحطة طاقة الاندماج.
تمكين الطاقة الاندماجية العملية
اختبار المغناطيس الناجح، يقول أستاذ الهندسة في هيتاشي أمريكا دينيس وايت، الذي استقال مؤخرًا من منصب مدير PSFC، كان “أهم شيء، في رأيي، في آخر 30 عامًا من أبحاث الاندماج.”
قبل مظاهرة 5 سبتمبر، كانت أفضل المغناطيسات الفائقة المتاحة قوية بما يكفي لتحقيق طاقة الاندماج - ولكن فقط بأحجام وتكاليف لن تكون عملية أو قابلة للتطبيق اقتصاديًا. ثم، عندما أظهرت الاختبارات جدوى مثل هذا المغناطيس القوي بحجم مخفض بشكل كبير، “بين عشية وضحاها، غيرت بشكل أساسي تكلفة الواط في مفاعل الاندماج بمقدار يقارب 40 في يوم واحد،” يقول وايت.
“الآن الاندماج لديه فرصة،” يضيف وايت. التوكاماك، التصميم الأكثر استخدامًا للأجهزة التجريبية للاندماج، “لديها فرصة، في رأيي، أن تكون اقتصادية لأن لديك تغييرًا كميًا في قدرتك، مع القواعد المعروفة لفيزياء الاحتواء، حول القدرة على تقليل الحجم والتكلفة بشكل كبير للأشياء التي ستجعل الاندماج ممكنًا.”
البيانات الشاملة والتحليل من اختبار المغناطيس الخاص بـ PSFC، كما هو موضح في الأوراق الستة الجديدة، قد أظهرت أن الخطط لجيل جديد من أجهزة الاندماج - تلك التي صممها معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وCFS، بالإضافة إلى تصاميم مماثلة من شركات الاندماج التجارية الأخرى - مبنية على أساس قوي في العلم.
الاختراق الفائق التوصيل
الاندماج، العملية التي تجمع الذرات الخفيفة لتشكيل ذرات أثقل، هو ما يمد الشمس والنجوم بالطاقة، لكن استغلال هذه العملية على الأرض أثبت أنه تحدٍ هائل، مع عقود من العمل الشاق والعديد من المليارات من الدولارات التي أنفقت على الأجهزة التجريبية. الهدف الذي تم السعي إليه طويلاً، ولكنه لم يتحقق بعد، هو بناء محطة طاقة اندماجية تنتج طاقة أكثر مما تستهلك. يمكن أن تنتج مثل هذه المحطة الكهرباء دون انبعاث غازات الدفيئة أثناء التشغيل، وتوليد كمية قليلة جداً من النفايات المشعة. وقود الاندماج، وهو شكل من أشكال الهيدروجين يمكن استخراجه من مياه البحر، يكاد يكون بلا حدود.
لكن لجعلها تعمل يتطلب ضغط الوقود عند درجات حرارة وضغوط عالية للغاية، ونظرًا لعدم وجود مادة معروفة يمكن أن تتحمل مثل هذه الدرجات، يجب أن يتم تثبيت الوقود في مكانه بواسطة مجالات مغناطيسية قوية للغاية. يتطلب إنتاج مثل هذه المجالات القوية مغناطيسات فائقة التوصيل، لكن جميع مغناطيسات الاندماج السابقة تم صنعها بمادة فائقة التوصيل تتطلب درجات حرارة شديدة البرودة تبلغ حوالي 4 درجات فوق الصفر المطلق (4 كلفن، أو -270 درجة مئوية). في السنوات القليلة الماضية، تمت إضافة مادة جديدة تُدعى REBCO، والتي تعني أكسيد النحاس الباريوم من العناصر الأرضية النادرة، إلى مغناطيسات الاندماج، وتسمح لها بالعمل عند 20 كلفن، وهي درجة حرارة على الرغم من كونها فقط 16 كلفن أكثر دفئًا، إلا أنها تجلب مزايا كبيرة من حيث خصائص المواد والهندسة العملية.
الاستفادة من هذا المادة الفائقة التوصيلية ذات درجة الحرارة العالية الجديدة لم تكن مجرد مسألة استبدالها في تصاميم المغناطيس الحالية. بدلاً من ذلك، "كان إعادة بناء من البداية لأغلب المبادئ التي تستخدم لبناء المغناطيسات الفائقة التوصيل"، يقول وايت. المادة الجديدة REBCO "مختلفة بشكل استثنائي عن الجيل السابق من مواد الفائقة التوصيل. لن تقوم فقط بالتكيف والتبديل، بل ستفعل الابتكار من الصفر." الأوراق الجديدة معاملات في تطبيقات الموصلية الفائقة تصف تفاصيل عملية إعادة التصميم هذه، الآن بعد أن تم وضع حماية براءات الاختراع.
ابتكار رئيسي: لا عزل
واحدة من الابتكارات الدرامية، التي جعلت العديد من الآخرين في المجال متشككين في فرص نجاحها، كانت إزالة العزل حول الشرائط الرقيقة والمسطحة من شريط الموصل الفائق التي شكلت المغناطيس. مثل جميع الأسلاك الكهربائية تقريبًا، فإن المغناطيسات التقليدية الموصلية الفائقة محمية بالكامل بواسطة مادة عازلة لمنع الدوائر القصيرة بين الأسلاك. ولكن في المغناطيس الجديد، تُرك الشريط عاريًا تمامًا؛ اعتمد المهندسون على الموصلية الأكبر بكثير لـ REBCO للحفاظ على تدفق التيار عبر المادة.
“عندما بدأنا هذا المشروع، لنقل في عام 2018، كانت تقنية استخدام الموصلات الفائقة عالية الحرارة لبناء مغناطيسات عالية المجال على نطاق واسع في مهدها,” يقول زاك هارتويغ، أستاذ تطوير المهن روبرت ن. نوايس في قسم العلوم والهندسة النووية. لدى هارتويغ تعيين مشترك في PSFC وهو رئيس مجموعة الهندسة الخاصة بها، التي قادت مشروع تطوير المغناطيس. “كانت الحالة الفنية تجارب صغيرة على الطاولة، ليست تمثيلية حقًا لما يتطلبه بناء شيء بحجم كامل. بدأ مشروع تطوير المغناطيس لدينا على نطاق الطاولة وانتهى بحجم كامل في فترة زمنية قصيرة,” يضيف، مشيرًا إلى أن الفريق بنى مغناطيسًا يزن 20,000 رطل أنتج مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا ومتساويًا يزيد قليلاً عن 20 تسلا — بعيدًا عن أي مجال مماثل تم إنتاجه على نطاق واسع من قبل.
“الطريقة القياسية لبناء هذه المغناطيسات هي أنك ستقوم بلف الموصل ولديك عزل بين اللفات، وتحتاج إلى عزل للتعامل مع الفولتية العالية التي تتولد خلال الأحداث غير الطبيعية مثل الإغلاق.” القضاء على طبقات العزل، يقول، “لها ميزة كونها نظام منخفض الفولتية. إنها تبسط بشكل كبير عمليات التصنيع والجدول الزمني.” كما أنها تترك مساحة أكبر لعناصر أخرى، مثل المزيد من التبريد أو المزيد من الهيكل للقوة.
تجمع المغناطيس هو نسخة أصغر قليلاً من تلك التي ستشكل غرفة على شكل دونات لجهاز الاندماج SPARC الذي يتم بناؤه الآن بواسطة CFS في ديفنز، ماساتشوستس. يتكون من 16 لوحة، تسمى الفطائر، كل منها تحمل لفافة لولبية من الشريط الموصل الفائق على جانب واحد وقنوات تبريد لغاز الهيليوم على الجانب الآخر.
لكن تصميم عدم العزل اعتُبر محفوفًا بالمخاطر، وكان هناك الكثير على المحك في برنامج الاختبار. “كانت هذه أول مغناطيس على أي نطاق كافٍ حقًا يستكشف ما هو مطلوب في تصميم وبناء واختبار مغناطيس بهذه التكنولوجيا المعروفة بعدم العزل وعدم الالتواء،” يقول هارتويغ. “كان من المفاجئ جدًا للمجتمع عندما أعلننا أنه كان لفافة بدون عزل.”
الدفع إلى الحد ... وما بعده
أثبت الاختبار الأول، الذي تم وصفه في أوراق سابقة، أن عملية التصميم والتصنيع لم تعمل فقط ولكن كانت مستقرة للغاية - وهو شيء كان بعض الباحثين قد شككوا فيه. ثم دفعت جولات الاختبار التالية، التي أُجريت أيضًا في أواخر عام 2021، الجهاز إلى الحد الأقصى من خلال خلق ظروف غير مستقرة عمدًا، بما في ذلك إيقاف كامل للطاقة الواردة التي يمكن أن تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة كارثي. يُعرف هذا باسم التبريد، ويعتبر سيناريو أسوأ حالة لعملية مثل هذه المغناطيسات، مع إمكانية تدمير المعدات.
جزء من مهمة برنامج الاختبار، يقول هارتويغ، كان “أن نذهب فعليًا ونتعمد إطفاء مغناطيس كامل الحجم، حتى نتمكن من الحصول على البيانات الحرجة بالمقياس الصحيح والظروف المناسبة لتقدم العلم، للتحقق من رموز التصميم، ثم لتفكيك المغناطيس ورؤية ما الذي حدث بشكل خاطئ، لماذا حدث ذلك بشكل خاطئ، وكيف نأخذ الخطوة التالية نحو إصلاح ذلك. … كانت تجربة ناجحة جدًا.”
اختبار النهائي ذلك، الذي انتهى بإذابة زاوية واحدة من واحدة من 16 فطيرة، أنتج ثروة من المعلومات الجديدة، يقول هارتويغ. من ناحية، كانوا يستخدمون عدة نماذج حسابية مختلفة لتصميم وتوقع أداء جوانب مختلفة من أداء المغناطيس، وفي الغالب، كانت النماذج تتفق في توقعاتها العامة وكانت موثوقة جيدًا من خلال سلسلة من الاختبارات والقياسات الواقعية. ولكن في توقع تأثير التبريد، تباينت توقعات النماذج، لذا كان من الضروري الحصول على البيانات التجريبية لتقييم صحة النماذج.
“أعلى النماذج دقة التي توقعناها تقريبًا كيف سيسخن المغناطيس، إلى أي درجة سيسخن عندما يبدأ في الانهيار، وأين ستكون الأضرار الناتجة عن المغناطيس,” يقول. كما هو موصوف بالتفصيل في أحد التقارير الجديدة، “هذا الاختبار أخبرنا بالفعل بالفيزياء التي كانت تحدث، وأخبرنا أي النماذج كانت مفيدة للمضي قدمًا وأيها يجب تركها جانبًا لأنها ليست صحيحة.”
يقول وايت، “بشكل أساسي فعلنا أسوأ شيء ممكن لملف، عن عمد، بعد أن اختبرنا جميع جوانب أداء الملف الأخرى. ووجدنا أن معظم الملف نجا دون أي ضرر،” بينما تعرضت منطقة معزولة لبعض الذوبان. “إنها مثل بضع في المئة من حجم الملف الذي تعرض للتلف.” وقد أدى ذلك إلى مراجعات في التصميم من المتوقع أن تمنع مثل هذا الضرر في مغناطيسات جهاز الاندماج الفعلي، حتى في أقسى الظروف.
هارتويغ يؤكد أن سببًا رئيسيًا لتمكن الفريق من تحقيق تصميم مغناطيسي جديد رائد بهذا الشكل، وإنجازه بشكل صحيح في المرة الأولى وعلى جدول زمني سريع، كان بفضل المستوى العميق من المعرفة والخبرة والمعدات التي تم جمعها على مدى عقود من تشغيل توكاماك ألكاتور سي-مود، ومختبر فرانسيز بيتر للمغناطيس، وأعمال أخرى تم تنفيذها في PSFC. “هذا يتصل بجوهر القدرات المؤسسية لمكان مثل هذا,” يقول. “كان لدينا القدرة، والبنية التحتية، والمساحة والأشخاص للقيام بهذه الأمور تحت سقف واحد.”
كانت التعاون مع CFS أيضًا مفتاحيًا، كما يقول، حيث اجتمعت MIT و CFS لدمج أقوى جوانب مؤسسة أكاديمية وشركة خاصة للقيام بأشياء معًا لم يكن بإمكان أي منهما القيام بها بمفردها. “على سبيل المثال، كانت إحدى المساهمات الرئيسية من CFS هي الاستفادة من قوة شركة خاصة لإنشاء وتوسيع سلسلة إمداد على مستوى غير مسبوق وفي جدول زمني لمادة حيوية في المشروع: 300 كيلومتر (186 ميل) من الموصل الفائق عالي الحرارة، الذي تم الحصول عليه مع رقابة جودة صارمة في أقل من عام، وتم دمجه في الجدول الزمني المحدد في المغناطيس.”
كان دمج الفريقين، أولئك من MIT وأولئك من CFS، أيضًا حاسمًا للنجاح، كما يقول. “فكرنا في أنفسنا كفريق واحد، وهذا جعل من الممكن القيام بما قمنا به.”
