New approach in laser inertial fusion , fast ignition and magnetic confinement

لطالما كان السعي لتسخير طاقة النجوم هدفاً مركزياً في الفيزياء، بهدف محاكاة العملية التي تغذي الشمس: الاندماج النووي. في هذه العملية، تُجبر الذرات الخفيفة على الاندماج معاً تحت ضغط وحرارة هائلين لتكوين ذرات أثقل، مما يطلق كميات هائلة من الطاقة. وبينما نجح العلماء في إنشاء تفاعلات اندماجية في المختبرات، فإن تحويل تلك الدفقة العابرة من القوة إلى مصدر مستقر وموثوق للكهرباء لشبكاتنا يظل أحد أصعب التحديات الهندسية على الأرض. وتتمثل العقبات الرئيسية في ضغط حبة وقود صغيرة بشكل مثالي، ثم التقاط الطاقة الناتجة دون تدمير الآلة التي تحتضنها. وغالباً ما تعاني الأساليب التقليدية من صعوبة في تحقيق تماثل الضغط أو متانة جدران المفاعل، التي يجب أن تتحمل انفجارات مكثفة من الإشعاع والحرارة.

في مقترح جديد، يحدد يوري شيفيل من شركة "مير فوتونيكس" (MerPhotonics) نهجاً متميزاً لحل هذه المشكلات، يجمع بين تصميم ليزر مبتكر وهيكل مفاعل مختلف جذرياً. وتتمثل الفكرة الجوهرية في استبدال أنظمة الليزر المعقدة متعددة المراحل المستخدمة حالياً بنظام كروي بسيط يعمل كأداة بصرية واحدة ضخمة. وبدلاً من إطلاق أشعة الليزر من الخارج إلى الداخل، يتصور هذا التصميم مفاعلاً تشكل فيه مكونات الليزر نفسها غلاف الكرة، مما يخلق موجة ضوئية منتظمة تتقارب عند هدف في المركز تماماً. ويهدف هذا الأسلوب إلى ضغط حبة الوقود بتماثل مثالي، وهو مطلب حاسم للنجاح كان من الصعب تحقيقه تاريخياً.

المفاعل الموصوف عبارة عن كرة قطرها أربعة أمتار، مبطنة بمئات من عناصر الليزر على شكل أقراص. وتتوزع هذه العناصر في طبقة متمركزة، مما يخلق تجويفاً كبيراً. وفي مرحلة التشغيل الخطي، يرتد الضوء ذهاباً وإياباً داخل هذه الكرة الكبيرة، مما يؤدي إلى تراكم نمط محدد من الطاقة مع نقطة تركيز في المنتصف تماماً. ويكمن الابتكار في كيفية إطلاق النبضة؛ فبدلاً من استخدام صمامات إلكترونية معقدة لإطلاق الطاقة، يستخدم النظام حبة الوقود نفسها كمفتاح. فعندما تُطلق حبة صغيرة تحتوي على مزيج من الديوتيريوم والتريتيوم إلى مركز الكرة بسرعة عالية، فإنها تسد التجويف الكبير مادياً. وهذا يجبر الضوء على الانتقال إلى تجاويف أصغر فردية تشكلها أقراص الليزر. ويؤدي هذا التحول المفاجئ إلى إطلاق الطاقة المخزنة دفعة واحدة في نبضة متزامنة مدتها نانو-ثانية، تصدم الحبة من جميع الاتجاهات في آن واحد، مما يسحقها بقوة هائلة.

بمجرد ضغط الحبة، يجب إشعالها لبدء تفاعل الاندماج. وتقترح الورقة استراتيجية "الإشعال السريع" التي تفصل مرحلة الضغط عن مرحلة التسخين. وبدلاً من الاعتماد على شعاع ليزر واحد ضخم لتسخين الوقود المضغوط، يستخدم هذا التصميم نظاماً من ست إلى عشر نبضات ليزر قصيرة وفائقة السرعة. وتضرب هذه النبضات سطح الحبة المضغوطة، مولدةً حزماً قوية من الجسيمات المشحونة — وتحديداً أيونات الديوتيريوم والتريتيوم. وتتولد هذه الحزم الأيونية عبر صدمات غير تصادمية تُثار مباشرة في "كورونا" البلازما المحيطة بالحبة المضغوطة. ثم تصطدم الحزم في مركز الحبة، مما ينقل طاقتها مباشرة إلى الوقود ويرفع درجة حرارته بما يكفي لتحفيز تفاعل الاندماج. ويُقترح أن يكون هذا الأسلوب أكثر كفاءة من المحاولات السابقة لأن الأيونات تتولد مباشرة في كورونا البلازما الخاصة بالحبة المضغوطة، مما يقلل من فقدان الطاقة ويسمح بنظام إشعال أكثر دمجاً.

ولعل أبرز خروج عن التصاميم القياسية هو التعامل مع الجدار الداخلي للمفاعل. ففي معظم مفاهيم الاندماج، يكون الجدار الأول حاجزاً صلباً مصنوعاً من المعدن أو الكربون يمتص الحرارة والإشعاع الناتجين عن التفاعل، مما يؤدي في النهاية إلى تلفه ويتطلب استبداله بشكل متكرر. ويقترح شيفيل جداراً أولياً شفافاً مصنوعاً من زجاج السيليكا المنصهرة. وقد صُمم هذا الزجاج ليسمح لتدفق النيوترونات وأشعة غاما المكثفة من تفاعل الاندماج بالمرور من خلاله دون امتصاصه. وخلف هذا الجدار الزجاجي، تتدفق طبقة سميكة من الماء، والتي تعمل كممتص حقيقي. حيث تتباطأ النيوترونات في الماء، وتنقل طاقتها على شكل حرارة، والتي يمكن استخدامها لاحقاً لتوليد الكهرباء. ويحمي هذا التصميم الهيكل الزجاجي من الصدمة الحرارية المباشرة وأضرار الإشعاع التي تدمر عادةً الجدران الصلبة، بينما يلتقط الماء الطاقة بكفاءة.

ولضمان عدم اصطدام الأيونات عالية السرعة الناتجة أثناء التفاعل بالجدار الزجاجي وإلحاق الضرر به، تقدم الورقة درعاً مغناطيسياً فريداً يتم إنشاؤه بواسطة الضوء نفسه. فمن خلال وضع شعاعين حلقيين في تجويفين لتعزيز البصريات متعامدين، يشكل النظام مصيدة مغناطيسية ليزرية حيث تتقاطع الأشعة. ويولد هذا التقاطع مجالاً مغناطيسياً قوياً بما يكفي لصرف الجسيمات المشحونة بعيداً عن الجدار وإبقائها محتواة داخل مركز المفاعل. ويعمل هذا "الحصر المغناطيسي بالليزر" كحاجز غير مرئي، يحمي الهيكل الزجاجي الدقيق من بلازما التفاعل العنيفة. وقد صُمم النظام بأكمله ليعمل بدورة ديناميكية حرارية منخفضة الحرارة، باستخدام الماء المسخن لتدوير التوربينات، وهو خيار يعطي الأولوية للبساطة والموثوقية على درجات الحرارة القصوى المرتبطة غالباً بمفاهيم الاندماج الأخرى.

تقدم الورقة هذه الأفكار كإطار نظري متماسك مدعوم بالحسابات والمحاكاة. ويشير المؤلف إلى أن هذا الجمع بين مصفوفة الليزر الكروية، وآلية النبضة التي تحفزها الحبة، والجدار الزجاجي الشفاف المبرد بالماء، يمكن أن يتغلب على مشكلات التماثل والمتانة التي عصفت بالتصاميم السابقة. وبينما يعتمد المقترح على مبادئ راسخة في فيزياء الليزر وديناميكا البلازما، فإن التكامل المحدد لهذه العناصر في بنية مفاعل واحدة مبسطة يظل مفهوماً ينتظر الاختبار. ولا تدعي الورقة أنها قامت ببناء المفاعل، بل تقدم مخططاً تفصيلياً لكيفية بناء مثل هذه الآلة لتحقيق الهدف المنشود المتمثل في طاقة الاندماج العملية.