مرحبًا بكم في مدينة فيوجن بالولايات المتحدة الأمريكية

مستقبل الطاقة الخالية من الكربون تنبعث منه رائحة ترياكي ويبدو وكأنه طائرة 737 تحلق على ارتفاع منخفض. ليس بالضرورة أن يكون مركز التسوق الهادئ بجوار حرم بوينج المترامي الأطراف في إيفريت ، واشنطن ، المكان الذي تتوقع أن تجد فيه تقنية واعدة لتسخير قوة الشمس ، حرر البشرية من قبضة الوقود الأحفوري ، وافتح سوقًا يقدر بنحو 40 تريليون دولار.

لكن هنا ، وفي حديقة مكاتب مجهولة قريبة ، تختبر شركة Zap Energy الناشئة نموذجًا أوليًا لمفاعل ينتج بالفعل نيوترونات عالية الطاقة من الاندماج النووي – إن لم يكن كافياً لإعادة إرسال الطاقة إلى الشبكة.

يقول ديريك ساذرلاند ، كبير علماء الأبحاث في زاب ، إن الموقع غير اللافت للنظر ليس من قبيل الصدفة. “إذا قمت بالتحديق بقوة كافية ، فإن بناء نظام اندماج لا يختلف كثيرًا عن بناء طائرة ،” أخبر Spectrum في زيارة له في يونيو. “إنها تتطلب القليل من إعادة التجهيز وإعادة التدريب ولكن يمكنك نقل الكثير من هذه المهارات.”

Zap ليست شركة الاندماج الوحيدة التي تصطاد في تجمع المواهب في مجال الطيران. على بعد أقل من ميلين ، تمتلك Helion Energy منشأتها الخاصة ، التي تم شراؤها من مقاول Boeing وتضم نموذجها الأولي للاندماج التشغيلي الذي تم بناؤه جزئيًا بواسطة قدامى المحاربين في مجال الطيران. تمثل الشركتان الناشئتان تركيزًا فريدًا من الخبرة في الاندماج والتمويل ، وتجسدان ثقة جديدة بأن قوة الاندماج هي الآن تحدي هندسي قابل للحل وليس لغزًا علميًا بعيد المنال إلى الأبد.

أجرت شركة Zap Energy بالفعل عشرات الآلاف من اختبارات الاندماج النبضي في مفاعلها النموذجي الأولي.مارك هاريس

زاب نموذج Fuze-Q الأولي إنه يجلس في غرفة مكيفة الهواء خالية من الروائح ولا يصدر سوى علامة بالكاد مسموع عند تشغيله. منذ أن بدأ نشاطه الصيف الماضي ، احتوى الجهاز بحجم مكتب المكتب على الآلاف من تفاعلات الاندماج ، كل منها يولد رزمًا من البيانات بينما يزيد Zap تدريجيًا نحو درجات الحرارة ، وكثافة البلازما ، وأوقات التفاعل اللازمة لتوليد طاقة أكثر مما تستهلكه. إن عملية الاندماج بأكملها دراماتيكية مثل قلب مفتاح الضوء ، ويقودنا ساذرلاند مباشرة إلى المفاعل الصغير بعد ذلك بوقت قصير إحدى هذه العمليات.

هذه ليست لعبة تجريبية مصغرة. مفاعل الاندماج التجاري Zap ، الذي يهدف إلى إنتاج طاقة كافية بشكل موثوق لـ 30.000 منزل – ليلاً ونهارًا على مدار العام – سيكون بنفس حجم النموذج الأولي تمامًا ، مع إضافة “غطاء” معدني سائل ، ومبادلات حرارية ، وبخار توربينات لتحويل نيوتروناتها النشطة إلى كهرباء. سيكون المفاعل الأساسي أقصر من ميني كوبر.

إذا كان هذا لا يتطابق مع صورتك الذهنية لقوة الاندماج ، فمن المحتمل أنك تصور مشروع ITER الضخم بحجم المدينة والذي يتشكل حاليًا في جنوب فرنسا. بحلول الوقت الذي يبدأ فيه تشغيل المفاعل الذي تأخر طويلاً الممول من القطاع العام ، ربما ليس حتى عام 2029 ، سيكون ارتفاعه 30 مترًا ويزن أكثر من 18000 سيارة ميني كوبر. كما سيكلف الصين والاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة وشركاء آخرين أكثر من 22 مليار دولار أمريكي.

يقول ساذرلاند: “العاملان الرئيسيان للتكلفة هما التعقيد والحجم”. “يتفوق Zap في الحد من هذين الأمرين قدر الإمكان لأن النظام لا يحتوي على مواد مبردة ، ولا ملفات فائقة التوصيل ، ولا تدفئة إضافية ، ولا مغناطيس.”

تقوم شركة Zap Energy بتطوير طريقة للاندماج تسمى Z pinch المنفصمة بالتدفق المستقر ، والتي تنتج تفاعلات الاندماج في رشقات صغيرة بدلاً من تيار مستمر.انطلق للطاقة

يقود كل من Zap و Helion مسؤولية ما يُطلق عليه غالبًا “الاندماج البديل” – وهو الاعتقاد بأن الأنظمة العملاقة ليست ضرورية ولا مرغوبة في البحث عن قوة اندماج عملية. لفهم السبب ، من المفيد الحصول على تنشيط سريع للفيزياء النووية.

يمكن أن يؤدي دمج أيونات بعض العناصر الخفيفة في البلازما الغازية معًا إلى إطلاق مجموعة من الطاقة إذا – وهذا أمر كبير – يمكنك التغلب على التنافر الإلكتروستاتيكي المتبادل. وهذا يعني زيادة الطاقة الحركية للأيونات حتى تتحرك بسرعة كافية (أي تكون ساخنة بدرجة كافية) لتتصادم وتندمج. مفاعل ITER هو تصميم توكاماك تقليدي يهدف إلى إشعال بلازما مشتعلة أسخن عشر مرات من حرارة الشمس ، في كعكة دائرية مجوفة عملاقة بعرض 20 مترًا. كلما زاد حجم الدونات ، زاد إنتاج الطاقة ؛ وبالتالي الحجم الهائل لـ ITER.

ولكن كلما كانت الأيونات أسرع وأكثر سخونة ، كان من الصعب اندماجها. يقارن Zap استقرار البلازما بحمل الهلام بشرائط مطاطية ، وسيتطلب الحفاظ على تفاعل الاندماج الخاص بـ ITER بطارية هائلة من مغناطيسات فائقة التوصيل مبردة بالتبريد.

رهان Zap and Helion هو أنه بدلاً من محاولة إقناع تفاعل الاندماج المستمر في الحياة ، سيكون من الأسهل تجميع نبضات قصيرة من نشاط الاندماج معًا. تبدأ نبضات زاب بنفخة من بلازما الديوتيريوم (نظير الهيدروجين) في أحد طرفي الأنبوب المفرغ الذي يبلغ طوله مترًا ، وفي وسطه يوجد قطب كهربائي. يتم تسريع البلازما لأسفل الأنبوب حتى تصل إلى النهاية المدببة للإلكترود ، وعند هذه النقطة تقوم القوى المغناطيسية بقرصها في عمود ضيق ، مع طبقات مختلفة تتدفق بسرعات مختلفة. هذا التدفق المنفصمة يحافظ على استقرار البلازما ويولد نيوترونات عالية الطاقة حتى تنهار. في الوقت الحالي ، يحدث ذلك بعد حوالي عشرة ميكروثانية. في الجهاز التجاري ، يجب أن يدوم ما يقرب من مائة ، وسيشمل الوقود نظيرًا قصير الأمد ومكلفًا ويصعب العثور عليه من الهيدروجين يسمى التريتيوم.

يقول ساذرلاند: “سيكون هناك عدد قليل من الأجهزة بين Fuze-Q والمصنع التجريبي”. نعتقد أن خمس إلى عشر سنوات أمر واقعي. لكننا نعتقد أيضًا أنه ربما لا يقدم للجمهور أي فضل لسماعنا نعدكم بمصنع في غضون خمس سنوات.

يتطلب النموذج الأولي لمفاعل هيليون أربع مراحل متميزة للاندماج والتي تؤدي في النهاية إلى إنتاج الكهرباء من خلال التغيرات الحالية المستحثة.هيليون للطاقة

فقط على الطريق في إيفريت ، خطت Helion خطوة أبعد من الوعد بمفاعل تجريبي. لقد باعت بالفعل 50 ميغاواط من الطاقة لشركة Microsoft ، لتسليمها في عام 2028. تنعكس هذه الثقة في الحرم الجامعي الحديث في Helion ، والمُغلق بأمان ، والذي يضم ثلاثة مستودعات كهفية وموقعًا إضافيًا يزحف بأجهزة نقل الأرض. يعمل العديد من موظفي Helion البالغ عددهم 160 موظفًا في أكبر مستودعاتها التي تبلغ مساحتها 150 ألف قدم مربع ، حيث يتم الآن تجميع مكونات النموذج الأولي السابع والأخير لشركة Polaris.

بدأت زيارتي في “مطبخ” مكثف Helion ، وهو ما يسمى بالعمليات المختلفة المتضمنة في الطلاء والاختبار والخبز لآلاف المكثفات المملوءة بالزيت التي ستحتاجها Polaris. تعد البنوك الضخمة من المكثفات هي الطريقة الوحيدة لتوصيل النبضات الهائلة من الطاقة بسرعة لبدء تفاعلات الاندماج الخاصة بـ Zap و Helion. سوف يخزن بنك مكثف Zap 1.5 ميغا جول من الطاقة – حوالي ثلث الطاقة المنبعثة من كيلوغرام من مادة تي إن تي. ستقوم Helion بتخزين 50 MJ مذهلة ، تتطلب 150 حاوية شحن مليئة بالمكثفات ، متزامنة مع مفاتيح أشباه الموصلات لتفريغها في أقل من ميلي ثانية.

يقوم فني الاندماج بلحام مكثف مصنع داخليًا لمولد هيليون بولاريس. سيحتاج أحدث نموذج أولي إلى آلاف المكثفات المكتملة مثل هذه.اليسار: هيليون للطاقة ؛ على اليمين: مارك هاريس

عند اكتماله ، سيكون مفاعل هيليون أكبر من مفاعل زاب ، ويبلغ ارتفاعه حوالي مترين وطوله 12 مترًا. تعمل هزة أولية على تشغيل سلسلة من المغناطيسات الكهربائية في أي من طرفي Polaris التي تشكل وتسرع سحب البلازما نحو مركزها المشترك. يحدث الاندماج لفترة وجيزة عند أضيق نقطة في المفاعل – تخضع لأقوى مجال مغناطيسي. مثل تصميم Zap ، يهدف مفاعل Helion التجاري إلى النبض مرة واحدة في الثانية تقريبًا وتوليد 50 ميجاوات. لكن هناك بعض الاختلافات الكبيرة.

كبداية ، سيقوم Helion بدمج الديوتيريوم مع الهيليوم 3 ، وهو نظير نادر للغاية ومكلف للغاية من نظائر الهيليوم ، في تفاعل ينتج عددًا قليلاً نسبيًا من النيوترونات. هذه ليست مشكلة بالنسبة لـ Helion لأنه لا يحتاج إلى نيوترونات لغلي الماء ولكنه ينتج الكهرباء مباشرة من تفاعل الاندماج. في Polaris ، يجب أن تتسبب كل نبضة اندماج في تمدد البلازما ، مما يزيد من تدفقها المغناطيسي ويحفز التيار الكهربائي في الملفات المغناطيسية التي تتدفق في النهاية إلى المكثفات.

يقول ديفيد كيرتلي ، المؤسس والرئيس التنفيذي لشركة Helion: “أثبتت تجربة مرفق الإشعال الوطني العام الماضي العلم الأساسي في إشعال البلازما لأول مرة”. لكن في هذه العملية ألقوا بعيدًا بنسبة 99.9 في المائة من الطاقة المدخلة. لقد أثبتنا أن نظامنا قادر على استعادة 95 في المائة ، لذلك نفقد حوالي 5 في المائة فقط من الطاقة التي نضعها في الوقود. وهذا يعني أنه يتعين علينا القيام بذلك قدر أقل من الاندماج للوصول إلى صافي الربح “.

يخطط عدد قليل نسبيًا من الشركات الناشئة في مجال الاندماج لاستخدام الهليوم 3 كوقود ، وهو نادر جدًا لدرجة أن بعض الخبراء اقترحوا تعدينه على القمر. ومع ذلك ، يجب أن تكون Polaris قادرة على إنتاج الهيليوم 3 الخاص بها من الديوتيريوم ، وتزعم هيليون أنها أنتجت بالفعل (على الرغم من عدم فصلها) كمية صغيرة.

العمال يبنون بنوكًا من المكثفات في Helion Energy. سيحتاج النموذج الأولي لمفاعل الشركة الناشئة إلى مكثفات كافية لتخزين 50 ميغا جول من الطاقة. هيليون للطاقة

مع 100 مكثف فقط وأحد ملفات المغناطيس التي تم تصنيعها حتى الآن ، فإن خطة Kirtley هي تجميع Polaris بحلول يناير 2024. ستعمل Helion بعد ذلك على زيادة الطاقة والضغط تدريجيًا خلال العام. يقول: “إذا صمدت كل المقاييس وسير كل شيء بالطريقة التي نتوقعها ، فيجب أن نكون قادرين على استعادة ما يكفي من الطاقة الكهرومغناطيسية من نظام الاندماج لإعادة شحن تلك البنوك بالإضافة إلى القليل من الطاقة الإضافية”. وهذا الشيء الإضافي هو صافي الكهرباء.

ولكن حتى Polaris من غير المرجح أن تنتج أي طاقة متبقية بمجرد أخذ متطلبات الطاقة لأنظمة التبريد والتبديل في الاعتبار. وسيقع ذلك على عاتق خليفة Polaris ، وهو مفاعل اندماج تجريبي يهدف إلى الوفاء بعقد الطاقة مع Microsoft في وقت ما في عام 2028. في حين أن موقع ذلك قد تم لم يتم تحديدها بعد ، فمن المحتمل أن تظل في الولاية.

يقول كيرتلي: “كانت واشنطن على وجه الخصوص صديقة جدًا للاندماج”. “لديك جامعة واشنطن التي تم دمجها منذ سبعينيات القرن الماضي ، لديك الخبرة الصناعية وصناعة الطيران الضخمة التي يمكنك الاعتماد عليها ، وعلى المستوى الحكومي ، لقد تم التفكير حقًا بشأن التقنيات الجديدة.”

هذا مهم لأن الاندماج ، مع عدم وجود خطر من ردود الفعل المتسلسلة على المدارج وإنتاج نفايات مشعة أقل بكثير ، يتم إجراؤه بموجب اللوائح الحالية من قبل الدول الفردية ، بدلاً من هيئة التنظيم النووي الفيدرالية.

يقول ساذرلاند من زاب: “نحن في فترة انتقال من العلم إلى الهندسة ، ولكن لا يزال لدينا فيزيائيون بلازما ضمن فريق العمل ، وسنظل كذلك لبعض الوقت”. نحن نحاول إزالة الكربون من حمولة الطاقة الأساسية لكوكب الأرض بأكمله. إذا نجح Zap ، فسيغير العالم “.