للبحث في الجوانب التقنية المختصة باندماج الحصر المغناطيسي، نقف عند مجالات رئيسة: ابتكار لفائف الحقل المغناطيسي وتصنيعه، وتقنية المكونات

المواجهة للبلازما، والتحكم عن بعد بمختلف عناصر المفاعل.

1. اللفائف

يستدعي تشغيل مفاعل الاندماج بالحصر المغناطيسي (توكاماك) وجود الفيفتين لتوليد المجالات المغناطيسية المنتظرة: نسمّي هذه اللفائف أحجار المغناطيس. تضمن المجموعة الأولى من اللفائف الرأسية المجال الحلقي الثابت، وتعرف هذه اللفائف باللفائف الحلقية، تعدّ مجموعة ثانية من اللفائف على مستويات أفقية هذه مرة متممة بذلك إعداد النظام المغناطيسي لتضمن - بتوليدها حقلاً متغيّرا - خلق التيار الساري في البلازما وإعالته وضبطه، هذا ما يعرف بالحقل واللفائف.هذا وتفرض فيزياء الحصر، بفعل قوانين المقادير حجم البلازما الذي ينبغي الحصول عليه، إضافة إلى قيمة المجال الحلقي، وقيمة التيار المتحرك في البلازما تظهر هذه البيانات الرئيسة مدى كبر لفائف المفاعل؛ إذ يبلغ ارتفاع اللفائف الحلقية أكثر من 10 أمتار، في حين يصل قطر اللفائف القطبية الكبرى إلى 20 م، وإذا نظرنا بعين الاعتبار إلى قيم المجال المغناطيسي الذي ينبغي توليده، تبين أنه يتعذر صنعها بمواد عادية، مثل النحاس، خشية استهلاك قسط مفرط من الطاقة التي يولدها المفاعل، وينبغي أن تكون هذه اللفائف كافة ذات موصلية فائقة؛ الأمر الذي يجنّب استهلاك الكهرباء، لكنه يسفر عن قيود لا يستهان بها.التحقيق الموصلية الفائقة، ينبغي صنع السلك الذي تكون به الملف بمادة فريدة من نوعها، وأن يستخدم في درجات حرارة منخفضة؛ لذا ينبغي حفظ السلك عند بضع درجات من حرارة مطلقة ( 270م) بتدوير الهيليوم السائل. الجدير بالذكر أن فكرة استخدام السلك كانت لتقليل الحرارة الناجمة عن المجالات المتغيرة المختصة بالتوكاماك؛ فالملف المصنوع بهذا السلك يوضع في الخلاء لتجنّب توصيل الحرارة من المحيط، لكنه محمي من الإشعاع بواسطة شاشات مبردة. أخيرًا ، كانت الغاية من غطاء المفاعل هي الحد من دفق النترونات وطاقتها التي ربما تصل إلى اللفائف. هي معدات جسيمة بلا شك، ولا غرابة في كونها خاضعة أيضًا لتأثيرات عظيمة؛ إذ تنجم عن التيارات والمجالات المغناطيسية المستعملة جهود غامرة تصل إلى آلاف الأطنان، إضافة إلى ذلك، تجدر الإشارة إلى كون المادة الفائقة الموصلية هشة ، وعرضة لفقدان خصائص الموصلية حال تعرضت لضغط مفرط. تفاديا لهذا المعوق الجلل، لن تتكوّن اللفائف بلفّ يسير لعدة طبقات، بل على العكس، ولضمان توزّع الجهد بالتساوي، يعمد معد للسلك، بحيث يكون هذا الأخير موضوعا ومثبتا في حزوز محفورة بعمق ألواح التعزيز، إن لفائف كهذه هي معدات ميكانيكية دقيقة تتطلب جهودًا بالغةً عند تصنيعها، وهي عملية معقدة إلى حد ما انطلاقا مما ذكر للتو، ودون البحث - مزيدًا - في هذا الموضوع، يسهل الخروج باستنتاج أخير وهو أن اللفائف المغناطيسية مكلفة، وينبغي أن تكون مضمونة مدى حياة المفاعل، ولا سيما فيما يتعلق باللفائف الحلقية التي من شأن استبدالها أن يتسبب في انقطاع خطير في عمل المفاعل، وتتخذ إجراءات عديدة، ويراقب عمل كل اللفائف عن كثب، ويشغل أي حدث عرضي- مهما صغر- نظام حماية كاملاً ذا وسائل معروفة نظرا لاستخدامها مع اللفائف الراهنة، مع ذلك، يضاعف شرط الموثوقية الحاجة إلى التمكن التام من عمليات التصنيع. نتأمل هنا - كما فعلنا سابقا - ما اكتسب حتّى الآن، وآفاق المستقبل، أولا، بعد استخدام الموصلية الفائقة في المرافق الصغيرة (مثل أجهزة التصوير الطبي من الممارسات الصناعية الراهنة، وقد شيدت بالفعل أجهزة باستخدام الفائف كبيرة فائقة الموصلية في إطار المختبرات البحثية (معجلات الجسيمات) وهي شائعة الاستخدام. بيد أن الأهم هو أن توكا ماكتور-سوبرا (کاداراش) يعمل منذ أكثر من عشرة أعوام باستخدام لفائف حلقية فائقة السرعة، إلا أن هذه التدبيرات كلها لا تكفي لتلبية متطلبات المفاعل، وحتى في إطار المشروع الدولي الذي سنعود لاحقا للحديث عنه شيدت مخططات واختبرت؛ للتأكد من وسائل التصنيع، وضمان أوجه أداء اللفائف التي ستصنع في المستقبل، وفيما يلي الخصائص الرئيسة التي تحقق منها على نطاق واسع أحيانًا): المجال المغناطيسي الأقصى، والتيار الأقصى، والاستعمال في مجال متغير، وحفظ المجهود، وقد أجريت 10،000 دورة لاختبار السلوك في حالة الإجهاد، وفي ضوء ذلك، من المتوقع التمكن من المبادرة الواثقة بتشييد لفائف فائقة الموصلية يرجح أن تتفوق على الإنجازات الراهنة.

1.  المكونات المواجهة للبلازما 

بالابتعاد عن البلازما، نجتاز حيّزًا منخفض الضغط، وصولا بالضرورة إلى سطح صلب، هذا السطح الصلب هو في الواقع طرف عدد من المكونات المتنوعة المتراوحة من الطبقة الواقية اليسيرة إلى هوائيات التسخين العالية التردّد، مرورًا بالمرمد المخصص لجمع الهيليوم المنتج في قلب البلازما (محوّل divertor) . تمثل كل هذه الأشياء المكونات المواجهة للبلازما، التي ينبغي التعامل معها بطريقة واحدة، ولا سيما أنها تشترك في ظرف واحد، بغية الحصول على واجهة جيدة بين البلازما والجدار. تجدر الإشارة هنا إلى أهمية الإدارة الناجعة لهذه الواجهة البينية، التي يعزى إليها قدر كبير من أوجه التقدم المحرز، وذلك حتى آونة أخيرة على صعيد التمديد في زمن حصر الطاقة. قبل الخوض في الحلول المتبعة، يجدر الوقوف عند التحديات التي تعترضنا. تبعث البلازما جسيمات متفاوتة الطاقة وأشعة متنوعة نحو الجدار، وينبغي السيطرة على آثار هذه الأشعة، فكما سبقت الإشارة إليه، ينبغي أن تبقى البلازما حرّة من أي ملوّث ناجم عن الجدار، هناك تحديدا - أربع ظواهر ملاحظة، ومن المتوقع حدوثها:

- يمكن أن يمتص الجدار كميات كبيرة من المواد الغازية التي تبعثها البلازما وهذا أمر مضايق في حد ذاته، لكن الأهم من ذلك أنه ينطوي على خطر إفساح المجال لتسريب غير متوقع، وربما يكون خطيرًا.

- ربما يتعرض الجدار للتأكل بفعل الجسيمات السريعة المصطدمة به. ترسل هذه الصدمات عندئذ كميات صغيرة من المواد التي من شأنها تبريد قلب المفاعل على نحو ضار.

- ربما يسخن الجدار على نحو كبير؛ إثر الاصطدام بقدر هائل من الطاقة حتى يتبخّر محليًّا. - ربما يتفاعل الجدار تفاعلا كيميائياً مع الدوتريوم والترتيوم المتوافرين

مما يسفر عن تكوين هيدروكربونات ستتفكك فور ملامسة البلازما، وتلويثها. قد يتعذر علينا فهم هذه الظواهر بتفصيلاتها كافة دائمًا، إلا أنها ظواهر

تعرفنا إليها منذ زمن بعيد ينبغي هنا التذكير بأن البلازما لا تزن سوى غرام واحد، وأن وجود أقل من 1% من الذرات غير المرغوب فيها ربما يسفر عن انخفاض درجة الحرارة على نحو خطير، في الوقت الذي يتعرض فيه الجدار

لتدفقات الطاقة تصل قيمتها وتزيد على 20 ميغاواط في المتر المربع. يمكن موازنة هذه القيمة الأخيرة مع تدفق الطاقة على سطح الشمس، وعلى صعيد الأرض، تعادل هذه القيمة مئتي ضعف من الحرارة الناجمة عن صفيحة واحدة من صفائح فرن كهربائي.

تناولت الأعمال التقنية المختصة بهذه الموضوعات خيار المواد المناسبة والآليات التي تضمن تبريد القطع المعرّضة لهذه الظروف القاسية، وقد أظهرت التجارب كذلك الحاجة إلى تطوير وسائل للتحكم؛ تتيح تأهيل الأشياء المنتجة وبات من المستطاع بعد التوصل إلى النتائج الحديثة، تصنيع مكونات قادرة على العمل بصورة طبيعية، وبالرغم من أوجه التدفق التي ذكرناها آنفًا، والقادرة أيضًا على مقاومة الإجهاد الناجم عن نتالي الدورات التي تناوب مرحلة تسخين ومرحلة تبريد، وبفضل هذا النجاح التقني، يمكن البدء بتجارب على المعدات الراهنة تتناول المبادئ الفيزيائية، والنتائج التقنية للأوساط البلازمية الطويلة الأمد.

تمهد مثل هذه النتائج ذات الأهمية البالغة في حد ذاتها، السبيل أمام تجارب مستقبلية؛ إذ لا يمكن اعتبارها في أي حال بأنها تقدم حلولا نهائية، ولم يقتصر طرح مسألة عمل البلازما بصورة جيدة، وتأمين مدة حياة ملائمة للمكونات المحيطة، على الخبراء التقنيين فقط، لأن الشروط التي ينبغي تحقيقها هي ظروف قصوى تقيم الفيزياء الحدود المفروضة على التقنية، لكنها تستطيع تخفيفها أيضًا، فنحن بصدد مشكلة متعلقة بالواجهة البينية، وثمة ابتكارات منتظرة من البحث في الفيزياء من شأنها أن تعالج مثل هذه الم . ويات، التي تظهر في النقاط الحرجة بصورة فضلى، ربما لا ينطوي الجدار الأول في مجمله على صعوبات لا يمكن تذليلها، لكن المحوّل في حد ذاته شأن بحث بالغ الأهمية يجتمع فيه الجسم الصلب بالوسط البلازمي، الأمر الذي يجعله موضوعا لا يخلو من التعقيد.

1. التحكم عن بعد

نجد في غرفة البلازما أجسامًا مختلفة سبق وأن صادفناها : مكونات الغطاء، وهوائيات التسخين العالية التردّد، إلخ... تتطلب جميعها أعمال صيانة، ولا بد من اللجوء إلى التحكم عن بعد للتدخل بباطن الغرفة؛ ذلك أنه حين تكون الآلة في حالة توقف، يكون حجم أشعة غاما بداخل الغرفة أعظم من إمكانية المبادرة بأي حل آخر، أشعة الغاما ناجمة عن الإشعاع النتروني الذي تتعرض لهذه المكونات كافة في أثناء عمل المفاعل؛ لذا يعد التحكم عن بعد جزءا لا يتجزأ عن المرفق. لا بد هنا من توضيح أمرين أساسيين متعلقين بظروف استعمال التحكم عن بعد. أولا: لا يخص التحكم عن بعد عمليات الآلة كافة؛ إذ ثمة أجزاء لا يصلها الإشعاع، ويمكن بعد ذلك النفاذ إليها بعد اضمحلال البلازما بقليل، ثانيا: إذا تحكمنا بالمكونات المعرّضة للإشعاع أو الملوثة بالترتيوم، ينبغي أن تتوافر لدينا في مكان قريب من المفاعل خلايا حارة، بحيث تنقل وتعالج جميعا، كما تجري في هذه الخلايا أيضًا عمليات بالتحكم عن بعد، إلا أنها تنم عن ممارسات أقل حداثة من تلك العاملة في الغرفة؛ فهي عمليات تقليدية. تظهر عمليات التحكم عن بعد، التي تنفّذ في غرفة مفاعل الاندماج، عددا من الخصائص المشتركة فالبيئة التي تجري فيها هذه العمليات هي بيئة نموذجية للاندماج؛ إذ تكون أشعة غاما أكثر شدة منها في الورشات الساخنة الأخرى، ومن ثم يعرّض التدخل في الغرفة لمرّات عديدة؛ نظرا لتعقيد العمليات، المكوّنات كافة لجرعات كبيرة منها. كما أن أشعة غاما ليس العنصر الوحيد الذي ينبغي اعتباره إذ ينبغي أن تعمل بعض الأدوات - وبخاصة معدات التفتيش في حيز مفرغ الهواء، وبوجود حقل مغناطيسي، وبصورة عامة، تفرض الطارة التي نستخدم فيها أدوات التحكم عن بعد هندسة غير عملية، يكون النفاذ إليها شاقا إلى حد ما، أخيرًا كثيرًا ما تكون القطع ثقيلة، وينبغي التحكم فيها، في ظل اختلافات كبيرة في المحاذاة، ومع توخي منتهى الدقة، ولا سيما أن النشاط الميكانيكي هنا محدود توقع باحثو الاندماج هذه القيود منذ زمن عاكفين على تناول هذا الموضوع من خلال العمل أولا على الجوانب التي لا تتوقف على مشروع محدد فقط؛ لذا كان ولا يزال البحث المنهجي يتناول جسوء المكونات؛ أي تعزيز قدرتها على العمل في الظروف القاسية التي وصفناها آنفًا؛ إذ تتناول هذه الأعمال البحثية المحركات، وأوامر التحكّم من الجانب الإلكتروني، وبصريات أنظمة المعاينة، إلخ... وهكذا تصوّر الباحثون وابتكروا أنظمة تؤدي وظائف عامة جدًّا، مثل نقل الصور الواردة من داخل الطارة، وقص أداة متحركة في داخله أنبوبا وتلحيمه وفحصه، كما درست أجهزة كبيرة ذراع التحكم من بعد أو السكك الناقلة القادرة على حمل أدوات تدخل متنوعة. أخيرا، قام الباحثون بعملية فك وتركيب كاملة عن بعد للمحول فيها جيت JET - التجربة الرائدة التي سبق ذكرها. بعيدا من الاعتبارات المتعلقة بتقانة الصيانة في سياق التشغيل من بعد، يبقى السؤال المطروح، والأكثر عمومية، هو المختص بمدى توافر المفاعل؛ فالعمليات محل اهتمامنا هي بطبيعتها عمليات تتم في وسط معرض للإشعاع؛ لذا فهي تستدعي اتخاذ احتياطات كبيرة وإجراءات احترازية عديدة، كما تجدر الإشارة إلى القيود الناجمة عن اللجوء إلى التشغيل عن بعد، الذي يمكننا من إجراء كل هذه العمليات. فالمدة الزمنية التي تستغرقها هذه العمليات من الجوانب المهمة في التكلفة الاقتصادية الإجمالية المختصة بمفاعل الاندماج، ويرصد اليوم الزمن الذي تستغرقه كل عملية بدقة متناهية، ولا يدخر جهد لتقليص هذا الزمن قدر المستطاع، ويراعي التفكير والبحث المختص بالمفاعلات هذا الجانب تحديدا منذ مرحلة التصوّر لتسهيل عمليات الصيانة المنتظرة لاحقا حال، يتحقق من هذه العمليات على صعيد المخطط، قبل تشييد المفاعل؛ ذلك أن  عمليات التناول في جو بارد، هي الطريقة الفضلى للتخلص من مواطن القصور كافة، التي نواجهها لدى تشغيل كلّ هذه الأنظمة التي لا تزال نماذج تجريبية. بالتفكير فيما يتعلق بالمكوّنات المواجهة للبلازما، وجد الباحثون أيضًا أنه بصرف النظر عن الزمن الذي ربما تستغرقه كلّ عملية بالتحديد ، لا يزال مدى تكرّر هذه العمليات أمرًا لا يعتريه اليقين، وهنا تكون موثوقية المفاعل، ربما أكثر من غيرها، سمة أساسية ووحدها الممارسة الحقيقية باستخدام مفاعل أولي ذي حجم مناسب ستمكننا فعليًّا من تقويم مجمل هذه الوسائل. في ختام هذا المرور السريع على موضوعات بالغة التنوع، تظللها تقنية الاندماج، يتعذر استنتاج خلاصة وحيدة، بيد أنه ربما يكون من المجدي الخروج بانطباع متعلق بحقيقة باتت جليّة عديدة هي ميادين التقنية، ولا يزال ثمة الكثير من العمل الذي ينبغي إنجازه

مواضيع ذات صلة

عصر التطبيقات الطبية في مجال الاشعة

إرنست أورلاندو لورانس (1958 - 1901) Ernest Orlando Lawrence

الموجات الكهرومغناطيسية

معجلات التيار وحيد الاتجاه

الإستخدامات الحديثة للمعجلات

التشعيع بواسطة المعجلات

المعجلات المتزامنة

استخدام الأشعة الذرية في إنتاج الأسمنت

اندماج الحصر العطالي

التعاون الدولي وتحديات بحوث الاندماج النووي: من التوكاماك إلى المستقبل

اختيار نظام الاندماج النووي: مقارنة بين النماذج والتحديات وآفاق التطوير

استخدام الأشعة الذرية في معرفة التركيب الكيميائي للخامات