تجارب على البلازما

سنتناول فيما يلي التجارب العملية التي أجريت على البلازما لمحاولة التوصل إلى بناء المفاعل الاندماجي. يمكن تقدير حجم البلازما اللازمة لبناء المفاعل الاندماجي كما يلي:

نحسب أولاً معدل إنتاج الطاقة (ε) بواسطة البلازما وذلك حسب العلاقة:

(1)     ...........

حيث E الطاقة المتاحة في التفاعل.

R معدل التفاعل Reaction Rate.

ويعطي معدل التفاعل بالعلاقة:

(2)     ..........

حيث N₂, N₁عددالجسيمات المتفاعلة.

σ احتمال التفاعل،

v سرعة الجسيمات.

ففي حالة تفاعل الديوترون - لتريتيوم نجد أن:

وباعتبار أن كثافة الجسيمات هي n حيث:

(بالأخذ في الاعتبار عدد الإلكترونات)

ومن ثم إن:

ومن معادلة الاتية:

نجد أن الطاقة المتاحة (E) للتفاعل تساوي حوالي Mev17 ومن ثم فإن: 
 

أي حوالي ميجاوات لكل متر مكعب. ومن ثم فإذا كنا نخطط لبناء محطة قدرتها 100 ميجاوات فإنه يلزمنا حجماً من البلازما قدره m³100 .

وكما أشرنا سابقاً فإن المشكلة التي تواجهنا لبناء المفاعل الاندماجي تتلخص في تسخين واحتواء البلازما.

أولاً: تسخين البلازما

يمكن أن يتم تسخين البلازما إلى درجة حرارة الاندماج النوري (K10⁸) بعدة طرق :

أ) عن طريق التسخين الكهربي (Ohmic) التقليدي، حيث نجد أن الطاقة المستخدمة للتسخين (P) تساوي (iV) أو (i²R) . وهذا ما يعرف بتسخين انكماش البلازما Pinch - Effect Heating. حيث تسخن البلازما نتيجة للانضغاط الأدياباتيكي Adiabatic Compression للبلازما الناتج عن التفاعل بين التيار المار خلالها والمجال المغناطيسي الذاتي المتولد في هذه البلازما. وقد بينا أن هذا التيار يجب أن يساوي حوالي 10⁶ أمبير لإحداث التأثير المطلوب.

ب) عن طريق حقن جسيمات متعادلة عالية الطاقة في البلازما حيث يعمل التفاعل بين هذه الجسيمات والبلازما على تسخينها نتيجة للتصادمات بين هذه الجسيمات والبلازما.

ح) عن طريق المجالات المغناطيسية التي تعمل على ضغط البلازما.

د) بواسطة تسخين الترددات العالية الكهرومغناطيسية الرنينية High Frequency Electromagnetic Resonance Heating .

هـ) عن طريق أشعة الليزر: حيث يمكن تركيز شعاع ضيق وقوي من الليزر على كرية صغيرة من الوقود الاندماجي ومن ثم يؤدي امتصاصها لطاقة الليزر إلى التسخين المطلوب.

يبين الشكل (1) درجات الحرارة العالية لمنظومات مختلفة.

الشكل (1)

ثانياً: إحتواء البلازما

ويتم ذلك عن طريق المجالات المغناطيسية المختلفة.

وقد أجريت عدة محاولات للوصول إلى درجات الحرارة المطلوبة وتحقيق الاحتواء المطلوب وتم بناء عدة منظومات نستعرضها فيما يلي :

1 - انكماش ثيتا (Pinches - θ)

وهنا نحصل على البلازما الأسطوانية التي تضغط بواسطة تيارات خارجية تتدفق في اتجاه θ مما ينتج عنه مجالات مغناطيسية لولبية تعمل على انضغاط البلازما. وهنا يحدث التسخين عند مرور التيار الكهربي في البلازما.

2 - تجربة زيتا (Zeta)

في هذه التجربة يمكن ضغط التفريغ (البلازما) الحلقي عن طريق المجال المغناطيسي الناتج عن تيار حلقي. يبين الشكل (2) جهاز زيتا. حيث

الشكل (2)

يتركب هذا الجهاز من محول كهربي يتصل ملفه الأولي مع مصدر جهد كهربي يتصل مع مجموعة من المكثفات التي تفرغ تياراً كهربياً قوياً لحظياً على شكل دفعة وحيدة (Single Shot), وينتج عن هذا التيار تيار في الملف الثانوي الذي هو عبارة عن طارة (Torus) تلف حول القلب الحديدي للمحول (الشكل 2 .أ). وتوجد بهذه الطارة البلازما. ويعمل هذا التيار (i) على توليد مجال مغناطيسي بالحث (B_θ) يعمل على انكماش البلازما نحو مركز الطارة أو الحلقة بعيداً عن الجدار. كما ويعمل هذا التيار على تسخين البلازما أيضاً كما في حالة تجارب ثيتا. حيث يصل هذا التيار إلى حوالي مليون أمبير. وقد بنيت هذه الوحدة في هارول Harwell عام 1960 ببريطانيا.

3- اللفات الإهليجية: (Stellarator)

وهنا يمكن الحصول على شرك (trap) مغناطيسي حلقي باستخدام موصلات توضع حول الحلقة. يبين الشكل (3) قطاع في هذا الجهاز. حيث ينتج انضغاط حلقي للبلازما بينما تمر في الحلقة.

4- التوكاماك (Tokamak)

وهذه كلمة روسية تعني (حجيرة المغناطيس الحلقي) Toroidal Magnetic Chamber ويتم هنا انضغاط التفريغ الحلقي بواسطة المجالات المغناطيسية. وتوفر هذه الأجهزة أفضل استقرار للبلازما. ويتم ذلك بتوليف مجالين مغناطيسيين:

أ) يعرف الأول بالمجال الحلقي ((_∅Toroidal Field(B) ويتولد هذا المجال بواسطة ملفات محيطية تحيط بحلقة التفريغ. وتعمل خطوطه في اتجاه يوازي اتجاه تدفق تيار البلازما الذي يمر في محور الحلقة.

ب) يعرف الثاني بالمجال القطبي ((_θPoloidal Field (B) ويتولد هذا المجال بواسطة محول حيث تعتبر البلازما الموصلة ملفه الثانوي (كما في جهاز زيتا) ومن ثم فإن هذا المجال يتعامد مع المجال الحلقي وكذلك على اتجاه مرور التيار الكهربي (وهو اتجاه تدفق البلازما). كما ويعمل هذا

الشكل (3)

المجال على احتواء البلازما. أما التيار الكهربي القطبي الذي يمر موازياً لاتجاه حركة البلازما فيعمل على تسخينها عن طريق التسخين الكهربي (Joule Heating ) وذلك كما في تجارب ثيتا.

يبين الشكل (4) تركيب التوكاماك. حيث يبين الشكل (4 .ب) تفاصيل المجالات المغناطيسية الناتجة وكذلك التيار. تمر البلازما خلال الحلقة (Torus) حيث يؤثر عليها المجال الحلقي (_∅B) والمجال القطبي (B_θ) وينتج عن ذلك مجال محصل يعمل على احتواء البلازما لتتدفق في الاتجاه المبين. كما وينتج عن الملفات الابتدائية تدفق تيار كهربي (i) يمر عبر البلازما الموصلة ويعمل على تسخينها.

الشكل (4)

وتعتبر التوكاماك من أفضل الأجهزة المستخدمة حتى الآن . وتجري مختلف التجارب على تحسين أداء هذه الأجهزة وصولاً إلى المفاعل الاندماجي.

ويمكن تعريف معامل الاستحقاق (merit Factor(q) لهذه الأجهزة بالعلاقة :

(3)     ...........

حيث R ,r نصفي القطرين الأصغر والأكبر للحلقة (الشكل (4 .ب)).

لقد وجد أنه يمكن الحصول على أفضل استقرار ممكن للبلازما عندما:

لقد بنيت عدة محطات تعتمد مبدأ التوكاماك في أنحاء متفرقة من العالم، نبين مقارنة بين ثلاث منها في الجدول (1).

الجدول (1)

كما ونبين في الجدول (2) مقارنة بين مختلف الأجهزة التي استعرضناها آنفاً

الجدول (2)

لقد تبين أن الاعتماد على تسخين جول للبلازما لا يصل بدرجة الحرارة إلى 10 كلفن. ومن ثم لا بد من البحث عن وسائل تسخين إضافية منها التسخين بواسطة حقن البلازما الساخنة بجسيمات متعادلة ذات طاقات عالية.

نبين في الشكل (5) تصميم يستخدم حقن الجسيمات المتعادلة في التوكاماك لزيادة درجة الحرارة.

الشكل (5)