مع انفجار ليزر قوي ، اقترب العلماء من إنجاز اندماج نووي

بالعربي / مع انطلق الليزر القوي ، انطلق العلماء نحو علامة بارزة في الاندماج النووي.

أطلقت تجربة اندماج في أكبر منشأة ليزر في العالم 1.3 مليون جول من الطاقة ، مقتربة من نقطة التعادل المعروفة باسم الاشتعال ، حيث يبدأ الاندماج في إطلاق طاقة أكثر مما هو مطلوب لتفجيره.

من شأن الوصول إلى الإشعال أن يعزز الآمال في أن الاندماج يمكن أن يكون يومًا ما مصدرًا نظيفًا ووفيرًا للطاقة ، وهو الهدف الذي كافح العلماء لإحراز تقدم نحوه ( SN: 2/8/18 ).

من خلال ضرب كبسولة صغيرة بالليزر في منشأة الإشعال الوطنية ، أو NIF ، في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا ، أطلق العلماء تفاعلات اندماجية أنتجت أكثر من 10 كوادريليون واط من الطاقة لأكثر من 100 تريليون جزء من الثانية.

إجمالاً ، أطلقت التجربة ، التي أجريت في 8 أغسطس ، حوالي 70 في المائة من طاقة ضوء الليزر المستخدم لإطلاق تفاعلات الاندماج ، مما جعل المنشأة أقرب إلى الاشتعال أكثر من أي وقت مضى.

والجدير بالذكر ، نظرًا لأن الكبسولة تمتص جزءًا فقط من إجمالي طاقة الليزر المركزة عليها ، فقد أنتجت التفاعلات في الواقع طاقة أكثر مما أنتجت مباشرة في إشعالها.

تقول عالمة فيزياء البلازما كارولين كورانز من جامعة ميتشيغان في آن أربور ، والتي لم تشارك في البحث: “هذا ، في الأساس ، إنجاز مذهل حقًا”. من خلال هذا المقياس ، أنتجت تفاعلات الاندماج حوالي خمسة أضعاف الطاقة التي تم امتصاصها.

يقول كورانز: “إنها نتيجة مثيرة حقًا ، ولم يكن من الواضح ما إذا كانت NIF ستكون قادرة على الوصول إلى هذه النتيجة”. لسنوات ، سعى علماء NIF للوصول إلى الإشعال ، لكنهم عانوا من الانتكاسات ( SN: 4/4/13 ).

في حين أن النتائج الجديدة لم تُنشر بعد في مجلة علمية ، أعلن علماء المعهد الوطني للاستثمار عن اكتشافهم بعد أن خرجت الكلمة إلى المجتمع العلمي وزادت الإثارة.

يقول كورانز: “هذا يجعلني متفائلًا جدًا … للاندماج في المستقبل”.

سيكون الاندماج النووي ، وهو نفس العملية التي تشغل الشمس ، مصدرًا جذابًا للطاقة على الأرض لأنه يتحقق من عدة صناديق للتأكد من أنها صديقة للبيئة: لن يولد غازات دفيئة تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المناخ أو نفايات مشعة خطيرة طويلة العمر.

في الاندماج النووي ، تندمج نوى الهيدروجين معًا لتكوين الهيليوم ، وتطلق الطاقة في هذه العملية. لكن الاندماج يتطلب درجات حرارة وضغوطًا شديدة ، مما يجعل من الصعب التحكم فيه.

إن NIF ليست وحدها في مهمة الاندماج. تستخدم مشاريع أخرى ، مثل ITER ، وهي منشأة ضخمة قيد الإنشاء في جنوب فرنسا ، تقنيات مختلفة لمعالجة المشكلة ( SN: 1/27/16 ). لكن تلك الجهود واجهت صعوبات أيضا.

ربما ليس من المستغرب ، أن التحكم في ردود الفعل المشابهة لتلك الموجودة في الشمس يمثل تحديًا بغض النظر عن كيفية القيام بذلك.

في تجارب الاندماج التي أجرتها NIF ، تلتقي 192 حزمة ليزر على أسطوانة صغيرة تحتوي على كبسولة وقود بحجم حبة الفلفل. عندما يضرب انفجار الليزر القوي الأسطوانة ، تتدفق الأشعة السينية ، وتبخر الجزء الخارجي للكبسولة وينفجر الوقود بداخلها.

هذا الوقود هو مزيج من الديوتيريوم والتريتيوم ، وهما نوعان من الهيدروجين يحتويان على التوالي على نيوترون واحد أو اثنين في نواتهما الذرية.

عندما ينفجر الوقود ، يصل إلى الكثافة القصوى ودرجات الحرارة والضغوط اللازمة لدمج الهيدروجين في الهيليوم. يمكن لهذا الهليوم زيادة تسخين بقية الوقود ، ما يعرف بتسخين ألفا ، مما يؤدي إلى تفاعل تسلسلي اندماجي.

هذه الخطوة الأخيرة حاسمة لزيادة إنتاجية الطاقة. “الجديد في هذه التجربة هو أننا أنشأنا نظامًا يكون فيه معدل تسخين ألفا أكبر بكثير مما حققناه من قبل” ، حسب قول الفيزيائي NIF آرثر باك.

أبحر العلماء في مجموعة متنوعة من المستنقعات للوصول إلى هذه المرحلة. يقول باك: “هناك مجموعة كاملة من القضايا الفيزيائية … التي واجهناها وخففناها”.

على سبيل المثال ، بذل الباحثون جهدًا لجعل الكبسولة تمتص المزيد من الطاقة ، وللتخلص من العيوب الصغيرة في الكبسولة ولضبط نبضات الليزر بعناية لزيادة الاندماج.

في عام 2018 ، بدأ الباحثون يرون مردود هذه الجهود. حقق NIF طاقة اندماج قياسية في ذلك الوقت بلغت 55000 جول. ثم ، في ربيع 2021 ، وصل NIF إلى 170000 جول. اشتبه العلماء في أن إجراء المزيد من التعديلات على تصميم التجربة يمكن أن يزيد من الناتج أكثر. لكن التجربة الجديدة تجاوزت التوقعات ، حيث أنتجت ما يقرب من ثمانية أضعاف الطاقة من الجهد السابق.

ستساعد الدراسات الإضافية علماء NIF على تحديد الكيفية التي خلقت بها تغييراتهم مثل هذه الطاقة الوفيرة وكيفية تحسين الإنتاج بشكل أكبر.

ومع ذلك ، حتى لو حقق NIF اشتعالًا كاملاً ، فإن استخدام الاندماج لتوليد الطاقة لأغراض عملية لا يزال بعيد المنال. يقول عالم فيزياء بلازما الليزر ستيوارت مانجلز من إمبريال كوليدج لندن ، والذي لم يشارك في البحث: “سيكون هناك قدر هائل من العمل اللازم لتحويل التكنولوجيا إلى مصدر طاقة قابل للتطبيق”. “ومع ذلك ، يعد هذا معلمًا مهمًا حقًا على الطريق.”

المصدر / مختبر لورنس ليفرمور الوطني