ما هو التوكاماك

هل سمعت من قبل عن التوكاماك؟ هل تعرف كيف يعمل؟ إذا، ما هو التوكاماك؟ سنتعرف على ذلك فيما يلي. الطاقة النووية هي أحد أنواع الطاقة التي تعتمد عليها الدول المتقدمة، حيث تعمل على إنتاجها وتطويرها بشكل كبير. ومن هذا المجال، تظهر العديد من الأفكار المتعلقة بالطاقة النووية بشكل عام، بما في ذلك التوكاماك. سنقدم بعض المعلومات عنه في المقال .

ما هو التوكاماك

تعتمد محطات توليد الكهرباء على تحويل الطاقة الميكامنيكية مثل الطاقة الموجودة في الحركة الدورانية للتوربينات إلى طاقة كهربية ، وفي محطات البخار التي تعمل اعتمادًا على الفحم الذي يحترق، ويقوم بتحويل الماء إلى بخار ؛ فيعمل البخار على تشغيل جميع مولدات التوربينات الأخرى لتتمكن من إنتاج الكهرباء .

في الوقت الحالي، تعتمد محطات الطاقة بأنواعها المختلفة بشكل رئيسي على الوقود الأحفوري، أو عملية الانشطار النووي، أو الموارد المتجددة كالطاقة المائية على سبيل المثال .

بالنسبة إلى توكاماك ، فهي آلة تجريبية حديثة تم تصميمها لاستخدام طاقة الانصهار. تعمل الجزء الداخلي من توكاماك على امتصاص الطاقة التي تنتج عن عملية الاندماج بين الذرات، وهذه الطاقة مشابهة للحرارة الموجودة على جدران الأواني. وهذا هو بالضبط ما يحدث في محطات توليد الكهرباء التقليدية، حيث يستخدم هذا النوع من الحرارة في محطات توليد الطاقة المدمجة لإنتاج البخار وبعد ذلك الكهرباء من خلال استخدام التوربينات والمولدات .

في وسط جهاز التوكاماك، توجد غرفة فراغ بشكل دائري تشبه الحلوى الشهيرة `دونات`. يتأثر التوكاماك من الداخل بالحرارة والضغط عالي، مما يحول `الهيدروجين الغازي بلازما` إلى غاز ساخن مشحون بالكهرباء .

تعمل هذه الآلة على توفير بلازما بيئية تسمح لعناصر الضوء بالاندماج معًا، وتنتج بالتالي كمية من الطاقة، وهذا ما يحدث أيضًا في جهاز الانصهار .

التوكاماك هو جهاز مستخدم في الأبحاث العلمية لدراسة عملية الانصهار النووي ويستخدم الحبس المغناطيسي للبلازما، ويتألف الجهاز من نظام معقد من المجالات المغناطيسة التي تحصر البلازما وتتفاعل في وعاء أجوف بشكل مشابه لحلوى الدونات .

البلازما في مفاعلات الاندماج النووي

بالإضافة إلى ذلك، يمكن لجزئيات البلازما المشحونة أن تتشكل وتتحكم فيها باستخدام بعض اللفائف المغناطيسية ضخمة الحجم التي توضع حول الحاوية .

يحرص المتخصصون في مجال الفيزياء على استخدام هذه الخاصية الهامة التي تمكنهم من حصر البلازما الساخنة في مكان معين بعيدًا عن جدران الوعاء، ويعود مصطلح “توكاماك” إلى الاختصار الروسي الذي يعني “غرفة حلقية ملفوفة بمجال مغناطيسي .

يتم استخدام التوكاماك عن طريق تفريغ الهواء والشوائب من غرفة التفريغ، ثم شحن أنظمة المغناطيس التي تحتوي على البلازما وحصرها بدقة، ثم يتم إدخال الوقود الغازي .

بعد ذلك إذا تم تشغيل تيار كهربي قوي خلال الوعاء ؛ فإن الغاز سوف ينهار من الناحية الكهربية ، ومن ثم يحدث له عملية التأين التي يتم من خلالها تجريد جميع الإلكترونات من النواة، ثم يأتي تشكيل البلازما ، بعد ذلك تصبح جزيئات البلازما في حالة عالية من النشاط ، ثم تتصادم، وبهذا تبدأ عملية التسخين .

وكذلك، تستخدم الطرق الأخرى في التسخين درجات حرارة البلازما لتوجيهها نحو الاندماج في درجات حرارة تتراوح بين 150 مليون درجة مئوية و 300 مليون درجة مئوية .

كما يمكن أن تساعد الجسيمات المنشطة لدرجات الحرارة العالية على التغلب على قوة التنافر الكهرومغناطيسية الطبيعية عن طريق الاصطدام باستخدام عملية الصهر، والتي يمكن من خلالها إنتاج كمية كبيرة من الطاقة .

جهاز التوكاماك ايتر

آلة توكاماك تم تطويرها لأول مرة في نهاية الستينيات من القرن الماضي. وقد تم اهتمام الدول المتقدمة بهذه الفكرة وتبنيها في جميع أنحاء العالم؛ حيث تم اعتبارها التطور المستقبلي الذي لا مثيل له لجهاز الاندماج المغناطيسي .

وبالتالي، سيكون جهاز الاندماج النووي ITER هو أكبر آلة توكاماك على الأرض، حيث سيكون حجمها ضعف حجم أكبر آلة اندماج نووي مغناطيسي تعمل في الوقت الحالي، بالإضافة إلى أن غرفة البلازما ستكون أكبر بعشرة أضعاف من غرفة البلازما الموجودة حاليًا في توكاماك .

تقنية المستقبل للاندماج النووي الحراري

الانصهار النووي هو عملية يتم فيها دمج الأنوية الذرية الخفيفة، الديوتيريوم والتريتيوم، معًا لإنتاج الطاقة الكهربائية. تعتبر هذه المواد مصادر الوقود الأكثر انتشارًا في العالم، وتتكون كل منها من نواة الهيدروجين ونيوترون واحد مضاف على التوالي .

يمكن للحرارة العالية والضغط المرتفع أن يؤديا إلى إنتاج نيوترونات ونوى هيليوم، مما يولد كميات كبيرة من الطاقة التي تسخن البلازما المحيطة، ويمكن الجمع بين هاتين النواتين في هذه الظروف .

تتمثل عملية جمع النيوترونات والحرارة من البلازما واستخدامها لرفع حرارة المياه المحيطة وتسخينها من خلال هذا التفاعل، وبعد ذلك تحول هذه المياه إلى بخار يستخدم في تشغيل التوربينات التي تولد الكهرباء .

يمكن استخراج مادة الديوتيريوم مباشرة من مياه البحار، حيث يتواجد بنسبة عالية إلى حد ما بصورة طبيعية، كما يمكن تصنيع الديوتيريوم عن طريق اتحاد الليثيوم والنيوترون في مفاعل نووي .

بالإضافة إلى ذلك، فإن الهليوم الذي ينتجه تفاعل الانصهار ليس له أي تأثير سلبي على البيئة، لأنه عنصر غير مشع، وفي حالة إطلاقه في الهواء، يطفو إلى الطبقات العليا من الغلاف الجوي ويختفي في الفضاء .

صعوبات تفعيل فكرة الاندماج النووي

على الرغم من إمكانية تطبيق فكرة الانصهار النووي، إلا أنه لا يوجد حتى الآن مصانع تجارية تختص في عملية الاندماج النووي في أي مكان في العالم، وذلك يرجع إلى تكلفته العالية مقابل العوائد المالية المحدودة قصيرة المدى .

من بين الأسباب الرئيسية الأخرى لصعوبة وتعقيد مفاعلات الاندماج النووي هي عملية بناء وتشغيل هذه المفاعلات، والتي تختلف عن المفاعلات النووية القياسية للانشطار النووي التي تعتمد على تقسيم اليورانيوم والعناصر الثقيلة الأخرى لإطلاق الطاقة .

وهذا يترتب على تنافر (coulomb) ذو الدرجة العالية جدًا الذي يحدث نتيجة للشحنات الإيجابية للنواة ، والتي من الضروري التغلب عليها؛ للتمكن من دمج الديوتيريوم ، والتريتيوم ، وهذا لا يمكن تحقيقه إلا في حالة تكثيف الغازات ، ورفع درجة حرارتها بشكل كبير جدًا ، وهذه الحرارة العالية لها القدرة على تجريد الهيدروجين من جميع مكوناته ، ولا يتبقى منه سوى النواة فقط ، والتي تعمل على تشكيل بلازما كثيفة ساخنة ، فإن الحصول على أنوية الدمج يتطلب أن تصل درجة الحرارة لدرجة حرارة نواة الشمس ، وتصل درجة حرارة البلازما البلازما إلى مئات الملايين من درجات الحرارة الكلفنية .

الحبس الذاتي المغناطيسي والحبس باستخدام القصور الذاتي الذي يعتمد على أشعة الليزر القوية للتسخين والضغط على المواد القابلة للانصهار هما الطرق الأكثر شيوعًا في العالم لعملية الاندماج النووي .