فيزياء البلازما

بينا أن البلازما هي عبارة عن حالة تأيين كامل للمادة. ومن ثم يمكن النظر إليها على أنها عبارة عن تجمع من الإيونات الموجبة والإلكترونات وبعض الجسيمات المتعادلة الأخرى، وهذه جميعها في حالة حركة. كما نلاحظ هنا أن البلازما ككل هي مادة متعادلة الشحنة. كما وأن المسافات بين جسيمات البلازما صغيرة جداً بالمقارنة مع إبعاد البلازما نفسها (أو الإناء الحاوي لها) (إلا أن هذه الجسيمات تتحرك باستقلالية كل عن الآخر). كما وتتفاعل البلازما مع المجالات الكهربية والمغناطيسية المؤثرة عليها، بالإضافة إلى توليدها لمجالات خاصة بها كما سنوضحه فيما بعد.

عند تسخين البلازما إلى درجة حرارة الاشتعال (K10⁸~) فإن ذلك ينتج عنه ضغط هائل لا يمكن لإناء أن يتحمله. فمثلاً إذا أردنا تسخين الهواء إلى هذه الدرجة فإن ذلك ينتج عنه ضغط يساوي تقريباً عشرة ملايين من الضغوط الجوية!!. فكيف نحل هذه المشاكل؟

في واقع الأمر للحمول على الطاقة الاندماجية علينا أن نجد حلاً لمشكلتين وهما :

1- إنتاج وتسخين وقود البلازما إلى درجة حرارة التفاعلات الحراري نووية.

2- احتواء هذا الوقود (البلازما) لفترة زمنية كافية لحدوث الاندماج النووي ومن ثم تحرير المزيد من الطاقة لتعويض الطاقة المستهلكة في التسخين والاحتواء.

وهكذا نجد أن مشكلة بناء المفاعل الاندماجي تتلخص في نقطتين اثنتين لا ثالث لهما وهما: التسخين والاحتواء (Heating and Confinement). يمكن تقدير زمن الاحتواء (τ) ببساطة حيث نجد أن:

(1)..........

حيث n عدد الجسيمات المتفاعلة،

مساحة مقطع التفاعل

v سرعة الجسيمات.

لقد وجد أن هذا الزمن يتراوح بين 1-10 ثواني تقريباً لمعظم الحالات.

أما احتواء البلازما فهذا لا يمكن الحصول عليه مباشرة وذلك لأنه لا توجد مادة على ظهر الكرة الأرضية يمكنها أن تظل متماسكة عند درجة حرارة 10 مليون درجة كلفن وعند الضغط الهائل الناتج ومن ثم يجب البحث عن وسائل غير مباشرة.

في النجوم نجد أن الكتلة الهائلة ينتج عنها قوة الجذب التي تعمل على احتواء وضغط وتسخين البلازما. أما على الأرض فليس للجاذبية أن تعمل ذلك، إلا أن تفجير القنابل النووية ينتج عنه درجات حرارة هائلة تستخدم لتحرير المزيد من الطاقة الاندماجية، وهو ما يعرف بالقنابل الهيدروجينية. إلا أن هذه الطاقة هي طاقة تدميرية لا يمكن استخدامها للأغراض السلمية. خصوصاً وأن هذا التفاعل يتم في فترة زمنية متناهية الصغر ومن ثم لا يمكن السيطرة عليه.

لقد تم استحداث فرع جديد من فروع العلوم يعرف بفيزياء البلازما Plasma Physics للتعامل مع البلازما ودراستها ومن ثم لتحقيق الحلم للسيطرة على طاقة الاندماج النووي. إن الأبحاث تتجه جلها نحو احتواء البلازما باستخدام المجالات المغناطيسية بحيث يمكن توجيه البلازما نحو مركز الوعاء. وهناك العديد من الأنظمة التي تستخدم الاحتواء المغناطيسي للبلازما مثل: منظومة تأثير الانقباض Pinch Effect: ومنظومة المرآة المغناطيسية والزجاجة المغناطيسية Magnetic Mirror والتوكاماك Toklamak وغيرها.