تعريف أنماط الأسلوب
الستيلاراتور
ويندلشتاين 7-س
17 ديسمبر 2015
أخيرًا، قام الألمان بعد 19 سنة طويلة بتركيب هذا الحلم التكنولوجي الحقيقي وهو ستيلاراتور. في بداية ديسمبر، أنتجت هذه الآلة أول بلازما لها، بعشرات السنين قبل إITER. بالتأكيد، شنّ الأشخاص الذين يزورون موقعى أسئلة كثيرة حول هذه الآلة.
استغرق الأمر 19 سنة لرؤية هذا المشروع نورًا، وتم إنفاق مليون ساعة عمل. يحتوي على 20 ملفًا مسطحًا و50 ملفًا غير مسطح. لماذا هذا التمييز؟ عندما نريد إنشاء مجال مغناطيسي في هذه الملفات، يجب أن يمر تيار قوي جدًا من خلالها، قد يصل إلى 12000 أمبير. ومع ذلك، عندما يمر تيار قوي عبر ملف، فإنه يتأثر بقوى قوية تؤدي إلى تشكيله على شكل دائري. في هذه الحالة، قد تؤدي هذه القوى إلى انقطاع الملف. ونظرًا لأن شكل الملف في ستيلاراتور الألماني معقد للغاية
لذلك، كان من الضروري تصميم ملفات ذات أشكال ليس فقط دائرية، بل أيضًا منحنية:
لماذا هندسة معقدة إلى هذه الدرجة؟ إذا شاهدت الفيديوهات الخمس التي وضعتها على يوتيوب، فإن المبادئ الأساسية لـ Tokamaks تُعرض. تبدأ من فكرة قادمة من البرد، من إبداع أندريه ساخاروف وأرتسيموفيتش. إذا تم تزويدها بملفات دائرية موزعة بشكل منتظم، سيكون المجال المغناطيسي أقوى بالقرب من محور الآلة، حيث تكون الملفات أقرب إلى بعضها البعض. والبلازما تميل إلى الانتقال إلى المناطق التي يكون فيها المجال أضعف، مما سيؤدي إلى دفع البلازما الناتجة في الغرفة نحو الخارج. يمثل Tokamak حلًا أوليًا. باستخدام مغناطيس طويل مثبت على طول محور الآلة، الذي يولد مجالًا يزداد تدريجيًا (سيصل إلى 13 تسلا في إITER)، والذي يغمر الغرفة التجريبية، يتم إنشاء تيار مُحَوَّل يدور بشكل دائري في البلازما. هذا التيار يولد بدوره مجالًا، يُسمى مجالًا بولويدي، يُدمج مع المجال الذي تولّده الملفات المحيطة بالغرفة. في النتيجة، تأخذ خطوط المجال شكلًا مُلتفًا.
بما أن الجسيمات المشحونة تميل إلى التحليق حول خطوط المجال المغناطيسي، فإنها ستتبع هذه الخطوط. سيسمح ذلك ببقاء البلازما في وسط الغرفة. الحل الآخر، الذي اقترحه الأمريكي ليمان سبيتزر في الخمسينيات، هو ما يُعرف بـ Stellarator. آلة Wendelstein X-7 هي ستيلاراتور:
في اللون الأصفر، الغرفة الآلية، وفي اللون الأزرق، الملفات العديدة. أثناء تصميم ستيلاراتور الألماني، تم إجراء العديد من الحسابات الحاسوبية لتحسين شكل الغرفة وتصميم الملفات. كل هذا استغرق عملًا هائلًا و1 مليون ساعة عمل.
لماذا اختيار ستيلاراتور بدلًا من Tokamak؟ في Tokamak (وإITER أيضًا)، العقبة الرئيسية هي احتمال حدوث انقطاعات. داخل الغرفة، "تيار البلازما" (15 مليون أمبير في إITER) يمكن تصوره بشكل مجازي كثعبان يعض ذيله. بشكل تبسيط، يمكن مقارنة الانقطاع بانقطاع طريقة تجميع هذا التيار. ثم يترك الثعبان ذيله ويذهب "لعض الجدار". في إITER، هذه "العضة" تُقدّر بـ 11 مليون أمبير.
السبب: تقلبات MHD. أسوأ من ذلك: هذه التشويهات في المجال المغناطيسي تأتي مع تدرجات تسرع الجسيمات المشحونة: بشكل أساسي الإلكترونات. تكتسب هذه الإلكترونات سرعات نسبية تقترب من سرعة الضوء، وتكتسب طاقة كبيرة. من سرعة معينة، توقف هذه الإلكترونات تقريبًا التفاعل مع الأيونات. تُعرف هذه الإلكترونات بالإلكترونات المُفصَّلة. لكن بفعل "التأثير الثلجي"، تُسرّع هذه الإلكترونات إلكترونات أخرى. هناك تأثير مضاعف كبير في إITER.
في ستيلاراتور، لا توجد هذه الظواهر. هذا لا يعني أن استقرارًا آخر لا يمكن أن يظهر. ستُقدّم التجارب الإجابة على هذا السؤال. منذ نصف قرن، أخفت آلات البلازما الكثير من المفاجآت السلبية، لذلك من الضروري التقدم تدريجيًا.
تتميز الآلة الألمانية بنظام مغناطيسي حيث تصل شدة المجال إلى 3 تسلا. نظام التسخين بالمايكروويف مصمم للعمل لمدة 10 إلى 50 ثانية. نظام إدخال النيترونات يوفر طاقة بقوة 8 ميغاواط. مع هذا الجهاز، يأمل الباحثون في رفع البلازما في الغرفة إلى كثافة تبلغ 3 × 1020 نواة لكل متر مكعب إلى درجة حرارة تصل إلى 60 إلى 120 مليون درجة مئوية.
لن يسمح ستيلاراتور الألماني بتحقيق بلازما اندماج "ذاتية"، حيث تكفي الطاقة الناتجة عن الاندماج للحفاظ على درجة حرارة البلازما. مع هذه الآلات المختلفة، يسعى العلماء لتشغيل "النار النووية". يمكنك مقارنة ذلك بمحاولة إشعال "خشب رطب قليلاً" باستخدام قطع من صندوق أو "مُشعل آلي". طالما أن الخشب الرطب يحترق، فإنه يشارك في العملية الهدروجينية. عندما تُحترق قطع الخشب الجاف أو المُشعل، هناك حالتان. إما أن احتراق الخشب الرطب يطلق كمية كافية من الحرارة لكي يبقى النار مُشتعلة، أو أن هذه الطاقة المُطلقة ستكون غير كافية، وستُطفئ النار، ويجب عليك البدء من جديد باستخدام مُشعل جديد.
لا توجد آلة بلازما في العالم حتى الآن استطاعت إنشاء ظروف كهذه. الأفضل حتى الآن: JET سمح بتحقيق معامل Q = الطاقة المُدخلة / الطاقة المنتجة بقيمة 0.6. كان هدف إITER تحقيق معامل أكبر من واحد. أثناء المرور، لا نملك أي فكرة عن كيفية تصرف بلازما الاندماج عندما تصبح ذاتية الانتاج. كما هو الحال مع كل ما يتعلق بهذه القضايا، من الصعب جدًا إجراء تنبؤات نظرية.
يُعد ستيلاراتور الألماني تكلفة تتناسب مع تعقيده. أعتقد أن التكاليف تصل إلى مليار يورو. لكن هذا مشروع وصل إلى النضج. تم بناء الآلة، وتعمل أجهزة المغناطيسية، وفي بداية ديسمبر، حصل الباحثون على أول بلازما. سيتطلب المستقبل زيادة في إدخال الطاقة، وهو ما يتم مثلًا في توكاماك باستخدام الميكروويف والإنزال النيوتروني. هذه تقنيات مُتقنة. أول سؤال هو: "هل تلبي هذه الآلة التوقعات من حيث تثبيت البلازما؟". يبدو أن إجابة إيجابية أولية قد حُصلت.
هل يمثل ستيلاراتور حلًا لانتاج الطاقة عبر الاندماج؟ من المبكر القول ذلك. لكن تكلفته تبقى 16 مرة أقل من تكلفة إITER. الآلة تتفوق بشكل كبير على هذا المشروع الضخم: فهي تعمل، والباحثون لا يحتاجون إلى الخوف من أن تُتضرر فورًا بسبب انقطاع، وهو ما لا ينطبق على إITER.
يُعاني هذا المشروع من خطر كبير. إذا نظرنا إلى طريقة تصميم إITER، فإن أي استبدال لجزء قد يشكل مشكلة لا يمكن حلها. الأجزاء التي تُعتبر الهدف الرئيسي لانقطاعات هي...