ما هو التوكاماك

هل سمعت من قبل عن التوكاماك؟ ، أو سمعت عن كيفية عمله؟ ، إذن ما هو التوكاماك هذا ما سنتعرف عليه فيما يأتي ، الطاقة النووية هي أكثر أنواع الطاقات التي تعمل جميع الدول المتقدمة على إنتاجها ، وتطويرها بشكل كبير ، وعلى هذا تظهر العديد من الأفكار التي تطور من مجال الطاقة النووية ككل ، ومنها التوكاماك الذي نقدم بعض المعلومات عنه في المرسال .

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 .

وفي وقتنا الحالي تعتمد محطات الطاقة بمختلف أنواعها بشكل أساسي على الوقود الأحفوري ، أو تعتمد على عملية الانشطار النووي ، أو على الموارد المتجددة كالطاقة المائية على سبيل المثال . [1]

أما عن توكاماك ؛ فهي عبارة عن آلة حديثة تجريبية تم تصميمها من أجل استخدام طاقة الانصهار ؛ وذلك لأن الجزء الداخلي من تكوين آلة التوكاماك يعمل على امتصاص الطاقة التي تنتج عن عملية الاندماج الحادثة بين الذرات ، وهذه الطاقة مثل الحرارة التي تتواجد على جدران أي وعاء ، وهذا تحديدًا ما يحدث داخل محطات توليد الكهرباء التقليدية ؛ حيث تقوم محطات توليد الطاقة المدمجة باستخدام هذا النوع من الحرارة ؛ بهدف إنتاج “البخار” ، ومن ثم إنتاج “الكهرباء” أو الطاقة الكهربية من خلال استخدام أنواع التوربينات ، والمولدات .

في منتصف آلة التوكاماك تتواجد غرفة من الفراغ تتخذا الشكل الدائري للحلوى الشهيرة “دونات” ، التوكاماك من الداخل تقع تحت تأثير كل من الحرارة ، والضغط بدرجة عالية لكل منهما ؛ مما يؤدي إلى تحويل “الهيدروجين الغازي بلازما” إلى غاز ساخن مشحون بالكهرباء .

وكما يحدث في جهاز الانصهار ؛ يمكن لهذه الآلة أن تعمل على توفير البلازما البيئية التي تعمل على السماح لعناصر الضوء بالاندماج، ومن ثم إنتاج قدر من الطاقة . [1]

التوكاماك هو ذلك الجهاز المستخدم في الأبحاث العلمية الخاصة بالانصهار النووي لعملية الحبس المعناطيسي للبلازما ، وتتكون هذه الآلة من نظام معقد من عدد من المجالات المغناطيسية التي تعمل على حصر البلازما للجسيمات المشحونة التي تتفاعل في وعاء أجوف يتخذ شكل حلوى الدونات . [2]

البلازما في مفاعلات الاندماج النووي

هذا بالإضافة إلى أنه يمكن لجسيمات البلازما المشحونة أن تتشكل، ومن ثم يتم التحكم بها من خلال بعض اللفائف المغناطيسية ضخمة الحجم التي يتم وضعها حول الوعاء .

كما حرص المتخصصين في مجال الفيزياء على استخدام هذه الخاصية الهامة التي يمكن لها حصر البلازما الساخنة في موضع بعيد عن جدران الوعاء ، ويرجع مصطلح توكاماك (Tokamak) إلى الاختصار الروسي الذي يفيد الآتي:”غرفة حلقية ذات ملفات مغنانطيسية” .

يتم استخدام التوكاماك من خلال تفريغ الهواء ، وتفريغ الشوائب من غرفة التفريغ ، ثم القيام بعمليات شحن أنظمة المغناطيس التي تعمل على حصر البلازما ، وحكمها بشكل دقيق ، وبعد ذلك 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 .

كما أن الطرق الأخرى المستخدمة في التسخين تعمل على توجيه درجات حرارة البلازما إلى الاندماج في درجات حرارة تتراوح من 150 مليون درجة مئوية ، إلى 300 مليون درجة مئوية .

وأيضًا يمكن أن تعمل الجسيمات المنشطة لدرجات الحرارة العالية على التغلب على قوة التنافر الكهرومغناطيسية الطبيعية من خلال الاصطدام باستخدام عملية الصهر التي يمكنها من خلالها أن تنتج قدر هائل من الطاقة . [1]

جهاز التوكاماك ايتر

آلة توكاماك قد تم تطويرها للمرة الأولى في نهايات الستينات من القرن الماضي ؛ فقد تم الاهتمام بهذه الفكرة ، وتبنيها في جميع دول العالم المتقدمة ؛ حيث تم اعتبارها بأنها التطور المستقبلي الذي لا مثيل له لجهاز الاندماج المغناطيسي .

وعلى هذا سيكون جهاز الاندماج النووي ايتر (ITER) بمثابة أكبر آلة توكاماك على الأرض ؛ حيث أن حجمها سوف يكون بضعف حجم أكبر آلة اندماج نووي مغناطيسي تعمل في وقتنا الحالي ، هذا بالإضافة إلى أن غرفة البلازما ستكبر غرفة البلازما الموجودة حاليًا في التوكاماك بعشرة أضعاف . [1]

تقنية المستقبل للاندماج النووي الحراري

الانصهار النووي عبارة عن عملية يتم استخدامها بهدف إنتاج الطاقة الكهربية عن طريق الجمع بين كل من الأنوية الذرية الخفيفة ، الديوتيريروم ، والتريتيوم هما مصدران الوقود الأكثر شيوعًا في العالم ، وكل منها يعد نظيرًا للهيدروجين مع وجود نيوترون واحد مضاف على التوالي .

وعلى هذا فإن الجمع بين هاتين النواتين في ظروف من الحرارة العالية ، والضغط المرتفع يعمل على إنتاج نيوترون ، ونواة هيليوم ، وقدر كبير من الطاقة التي تعمل على تسخين البلازما المحيطة .

عملية الجمع بين كل من النيوترونات ، والحرارة من البلازما ، ثم استخدامها لتعمل على رفع حرارة المياه المحيطة ، وتسخينها عن طريق هذا التفاعل ، وتتحول هذه المياه إلى البخار الذي يستخدم في قيادة التوربينات التي تنتج الكهرباء .

كما يمكن استخراج مادة الديوتيريوم من مياه البحار بشكل مباشر ؛ وذلك لأنه يتواجد في مياه البحر بنسب عالية إلى حد ما بصورة طبيعية ، وأيضًا يمكن القيام بعملية تصنيع الديوتيريوم من خلال اتحاد كل من الليثيوم ونيوترون ببعضهما البعض في مفاعل نووي .

هذا بالإضافة إلى أن الهليوم الذي يعد منتج للنفايات في تفاعلات الانصهار لا يمكن له أن يمثل أي تهديدًا على البيئة ؛ لأنه عنصر غير مشع ، وفي حالة إطلاقه في الهواء فإنه يتمكن من الطفو إلى أعلى طبقات الغلاف الجوي ، ومن ثم يختفي في الفضاء . [3]

صعوبات تفعيل فكرة الاندماج النووي

الانصهار النووي بالرغم من إمكانية إتاحة فكرته إلا أنه لا يوجد له مصانع تجارية تخصص في الاندماج النووي حتى الآن في أي من أنحاء العالم ؛ وذلك يرجع إلى أنه يتطلب الكثير من الأموال في مقابل مكاسب مالية قليلة على المدى القريب .

ومن الأسباب الأساسية الأخرى أيضًا أن مفاعلات الاندماج النووي أكثر صعوبة وتعقد في عمليتي البناء ، والتشغيل من المفاعلات النووية القياسية للانشطار النووي التي يعمل على تقسيم اليورانيوم ، والعناصر الثقيلة الأخرى للعمل على تحرير 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 ليتمكن من التسخين وضغط المواد القابلة للانصهار هما الطريقتان الأكثر تداولًا في العالم في عملية الاندماج النووي . [3]