The optimal injection energy for beam-driven proton–boron fusion lies above the 675 keV resonance

في السعي لتسخير قوة النجوم، لطالما نظر العلماء إلى وصفة محددة تتضمن الهيدروجين والبورون. وبخلاف مزيج وقود الاندماج الأكثر شيوعاً المكون من نظائر الهيدروجين، توفر هذه التركيبة ميزة متميزة: فهي لا تنتج إلا القليل جداً من النيوترونات، مما يعني ضرراً إشعاعياً أقل للمعدات المحيطة ومساراً أنظف لإنتاج الكهرباء. ومع ذلك، فإن جعل هذا التفاعل يحدث أمر صعب للغاية؛ إذ يتطلب تسخين الوقود إلى درجات حرارة أعلى بكثير من تلك المطلوبة لأنواع الاندماج الأخرى، وحتى وقت قريب، كانت الطاقة المطلوبة لخلق تلك الظروف تبدو وكأنها تفوق الطاقة التي يمكن أن ينتجها التفاعل نفسه. وكانت الاستراتيجية السائدة لحل هذه المعضلة هي التركيز على مستوى طاقة محدد تكون فيه الذرات أكثر عرضة للتصادم والاندماج، وهي نقطة تُعرف باسم "الرنين".

يتحدى تحليل جديد أجراه الباحث المستقل أوليغ أغامالوف (Oleg Agamalov) الافتراض الذي ساد لفترة طويلة بأن استهداف نقطة التصادم القصوى هذه هو الطريقة الأكثر كفاءة لتشغيل الآلة. فبينما تكون احتمالية اندماج ذرتين عند طاقة معينة في أعلى مستوياتها بالفعل، فإن الكفاءة الإجمالية للآلة تعتمد على ما هو أكثر من مجرد تلك اللحظة الواحدة من التصادم؛ فهي تعتمد على الرحلة بأكملها لجسيمات الوقود أثناء تباطؤها وفقدانها للطاقة. ويشير عمل أغامالوف إلى أنه من خلال ضبط سرعة البداية للوقود بشكل طفيف، يمكن للمهندسين استخراج طاقة أكبر بكثير من نفس كمية الطاقة المدخلة، دون الحاجة إلى اختراع فيزياء جديدة أو بناء أنواع جديدة تماماً من المفاعلات.

لعقود من الزمن، كان الباحثون الذين يصممون آلات لدفع اندماج البروتون والبورون يستهدفون مستوى طاقة قدره 675 كيلو إلكترون فولت. يمثل هذا الرقم ذروة حادة في احتمالية اصطدام بروتون بنواة بورون وانقسامها إلى ثلاث جسيمات هيليوم. كان المنطق مباشماً: إذا كان التفاعل يحدث في أكثر حالاته تكراراً عند هذه الطاقة، فإن حقن الوقود بهذه السرعة بالضبط يجب أن يعطي أفضل النتائج. وقد أصبح هذا النهج هو المعيار لكل مخطط اندماج غير حراري يتم العمل عليه حالياً، مع الاعتقني بأن وضع الأيونات عند هذا الرنين يعظم توازن القدرة.

ومع ذلك، يشير أغامالوف إلى أن هذه الرؤية تغفل تفصيلاً حاسماً حول كيفية عمل هذه الآلات في الواقع. ففي الجهاز المدفوع، لا يكون الوقود ساكناً في "حساء ساخن"؛ بل هو تيار من الجسيمات السريعة التي تُحقن في هدف. وبمجرد حقنها، لا تندمج هذه الجسيمات فوراً وتتوقف، بل تتحرك عبر الوقود، وتصطدم بالإلكترونات وتفقد سرعتها تدريجياً، وهي عملية تُعرف باسم "التباطؤ". وخلال هذه الرحلة بأكملها، من لحظة حقنها حتى توقفها، تحاول هذه الجسيمات الاندماج باستمرار. إن إجمالي الطاقة الناتجة لا يتعلق فقط بلحظة الحقن، بل هو مجموع جميع محاولات الاندماج التي تتم أثناء تباطؤ الجسيم.

وعند حساب إجمالي الطاقة التي تجنيها الآلة بالنسبة للطاقة المستهلكة لإنشاء الحزمة، تتغير الحسابات. ويظهر التحليل أن نقطة البداية الأكثر كفاءة ليست رنين الـ 675 كيلو إلكترون فولت، بل هي طاقة أعلى قليلاً تبلغ 0.85 ميجا إلكترون فولت. عند هذه السرعة الأعلى، تقضي الجسيمات وقتاً أطول قليلاً في نطاق الطاقة حيث يظل الاندماج فعالاً للغاية، وتفوق تكلفة تسريعها إلى هذه السرعة الأعلى حجم تفاعلات الاندماج الإضافية التي تحفزها أثناء تباطؤها. وتوضح الدراسة أن نقل طاقة الحقن من 675 كيلو إلكترون فولت التقليدية إلى 0.85 ميجا إلكترون فولت من شأنه أن يزيد من كسب الطاقة للنظام بنسبة 25 بالمائة.

هذا الاكتشاف مهم لأنه لا يتطلب طفرة في المواد، أو طريقة جديدة لحصر البلازما، أو تغييراً في المجالات المغناطيسية المستخدمة لحجز الوقود. إنه مجرد تعديل بسيط لجهد جهاز الحقن. وينفي البحث صراحةً فكرة وجوب استهداف أعلى طاقة ممكنة حيث يكون معدل الاندماج أسرع من الناحية النظرية، والتي تحدث بالقرب من 3.7 ميجا إلكترون فولت. فبينما يكون معدل التفاعل في أعلى مستوياته هناك، فإن تكلفة الطاقة للوصول إلى تلك السرعة هائلة جداً، والوقت الذي تقضيه الجسيمات في نطاقات طاقة أقل إنتاجية طويل جداً، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة الإجمالية للآلة بنسبة 40 بالمائة مقارنة بالحد الأمثل البالغ 0.85 ميجا إلكترون فولت.

يعتمد البحث على دمج السلوك المعروف لكيفية فقدان البروتونات لطاقتها في غاز من الإلكترونات مع الاحتمالات المقاسة للاندماج عند سرعات مختلفة. ومن خلال إجراء هذه الحسابات، يوضح المؤلف أن "النقطة المثالية" للربح الهندسي هي عبارة عن هضبة وليست ذروة حادة، وتقع براحة بين الرنين التقليدي والحد الأقصى النظري. والنتيجة هي توصية واضحة وقابلة للتنفيذ لأي شخص يبني جهاز اندماج للبروتون والبورون: ارفع الجهد قليلاً. يوفر هذا التعديل تحسيناً كبيراً ومتاحاً فورياً في الأداء، مما يحول توازناً هامشياً للقدرة إلى توازن أكثر جدوى بمجرد تغيير طاقة الحقن.