يختار المجتمع الدولي لأبحاث الاندماج النووي التنغستن كمادة رئيسية لموزع الانحراف (Divertor)

أخبار ar.wedoany.com، بعد سنوات من فحص المواد والتحقق الهندسي، أصبح التنغستن الخيار الرئيسي الحالي لتصميم موزع الانحراف في أجهزة الحصر المغناطيسي للاندماج النووي على المستوى الدولي.

يستعرض هذا المقال تاريخ تطور المواد المواجهة للبلازما في الاندماج النووي، ويحلل أسباب هيمنة المواد الكربونية لفترة طويلة ثم تراجعها التدريجي، ولماذا أصبح التنغستن الخيار المفضل لأجهزة الاندماج النووي الرئيسية دوليًا في الوقت الحالي.

خلال الثمانينيات والتسعينيات من القرن العشرين، تم استخدام المواد الكربونية على نطاق واسع في مجال الحصر المغناطيسي للاندماج النووي. استخدمت أجهزة مثل الحلقة الأوروبية المشتركة (JET)، ومفاعل اختبار الاندماج النووي التوكاماكي الأمريكي (TFTR)، وجهاز JT-60U الياباني الجرافيت أو المواد المركبة من ألياف الكربون على نطاق واسع كمواد رئيسية للمكونات المواجهة للبلازما. تتميز المواد الكربونية بمقاومة ممتازة للصدمات الحرارية وعدد ذري منخفض، مما جعلها بارزة في ظروف التجارب المبكرة. ومع ذلك، عندما دخلت أبحاث الاندماج النووي مرحلة التفاعل باستخدام وقود الديوتيريوم-التريتيوم (D-T)، واجهت المواد الكربونية تحديًا خطيرًا يتمثل في احتجاز الوقود. تحت قصف البلازما، تتعرض المواد الكربونية للتناثر الكيميائي لتكوين هيدروكربونات، والتي تدفن كميات كبيرة من وقود الديوتيريوم والتريتيوم أثناء عملية الترسيب. أظهرت نتائج التجارب من أجهزة مثل JET وDIII-D أن الترسيب المشترك هو أحد المصادر الرئيسية لاحتجاز التريتيوم، حيث كانت مستويات احتجاز الوقود أعلى بكثير من النطاق المسموح به لمفاعلات الاندماج النووي المستقبلية. مع ظهور ITER ومحطات الطاقة الاندماجية المستقبلية، تحولت معايير تقييم المواد من خدمة فيزياء التجارب إلى خدمة هندسة الطاقة، وأصبحت السيطرة على مخزون التريتيوم، واستدامة دورة الوقود، وعمر المواد، والرقابة على السلامة مؤشرات رئيسية جديدة، مما أدى إلى تراجع المواد الكربونية تدريجيًا عن موقعها الرئيسي.

في عام 2011، أكمل جهاز JET في المملكة المتحدة ترقية تاريخية، حيث تم استبدال جميع الجدران الكربونية الداخلية للجهاز بجدار مشابه لجدار ITER (ITER-Like Wall, ILW) يتكون من جدار أول من البريليوم وموزع انحراف من التنغستن. كانت هذه أول مرة يقوم فيها المجتمع الدولي لأبحاث الاندماج النووي بالتحقق المنهجي من خطة الجدار المعدني لمشروع ITER على جهاز توكاماك كبير. أظهرت النتائج التجريبية أنه مقارنة بفترة الجدار الكربوني، انخفض الترسيب المشترك بشكل كبير بعد استبدال الجدار المعدني، وانخفضت مستويات احتجاز الوقود بمقدار مرتبة واحدة تقريبًا، حيث وصل الانخفاض في بعض ظروف التشغيل إلى 10 إلى 20 ضعفًا. تثبت هذه النتيجة بوضوح أن المواد المعدنية المواجهة للبلازما يمكن أن تقلل بشكل كبير من مخزون التريتيوم، مما يوفر أساسًا تجريبيًا مهمًا لإنشاء نظام دورة وقود مستدام لمحطات الطاقة الاندماجية المستقبلية. ومع ذلك، أظهرت تجارب JET ILW أيضًا أن الجدار المعدني يجلب تحديات تشغيلية جديدة، بما في ذلك انخفاض أداء حصر طاقة البلازما في المراحل الأولية ومشاكل التحكم في الشوائب عالية العدد الذري (عالية Z). يعتبر التنغستن مادة نموذجية عالية العدد الذري (عالية Z)، وبمجرد دخول كمية صغيرة من شوائب التنغستن إلى بلازما القلب، فإن فقدانها الإشعاعي يكون أعلى بكثير من العناصر منخفضة Z، وعادةً ما يجب التحكم في تركيز شوائب التنغستن في منطقة القلب إلى مستوى أجزاء في المليون (ppm) أو حتى أقل. بشكل عام، أثبتت تجارب JET ILW الجدوى الهندسية لنظام المواد القائم على الجدار المعدني للمفاعلات.

يكمن سبب كون التنغستن هو الخيار الرئيسي الحالي في توازن أدائه الشامل. تبلغ درجة انصهار التنغستن 3695 كلفن، ويمكنه تحمل أحمال حرارية مستقرة تتراوح بين 10 و20 ميغاواط/متر مربع بمساعدة هيكل تبريد نشط فعال. يتمتع التنغستن بعتبة تناثر فيزيائي أعلى، ومعدل تآكل المواد أقل، ولا يحدث له تناثر كيميائي واضح مثل الكربون مما يؤدي إلى دفن الوقود على نطاق واسع، ومستوى احتجاز نظائر الهيدروجين الإجمالي أقل بشكل ملحوظ من المواد الكربونية. ومع ذلك، فإن التنغستن ليس مادة مثالية، ولا يزال يواجه مشاكل التقصف عند درجات الحرارة العالية وإعادة التبلور. يؤدي التشغيل طويل الأمد في درجات حرارة عالية (عادةً فوق 1200 إلى 1300 درجة مئوية) إلى إعادة تبلور التنغستن، مما يزيد من هشاشته. تحت ظروف القصف المستمر بأيونات الهيليوم، وعندما تكون درجة حرارة المادة في نطاق حوالي 900 إلى 2000 كلفن، قد يتشكل على سطح التنغستن هيكل نانوي ليفي يُعرف بزغب التنغستن (W-fuzz). قد تتقشر هذه الهياكل لتشكل غبارًا معدنيًا وتؤثر على خصائص نقل الحرارة. يعتقد المجتمع الدولي لأبحاث الاندماج النووي حاليًا أن الاعتماد فقط على تحسين أداء المواد لم يعد كافيًا لحل مشكلة إزالة الحرارة بشكل جذري في مفاعلات الاندماج المستقبلية، ومن المرجح أن تأتي الاختراقات المستقبلية من التطوير المنسق لعدة اتجاهات بما في ذلك المواد، وتصميم هيكل موزع الانحراف، وتحسين التشكيل المغناطيسي، والتحكم في التشغيل.

تواصل معظم الشركات التجارية العاملة في مجال الحصر المغناطيسي للاندماج النووي حاليًا استخدام التنغستن كمادة لموزع الانحراف في تصاميمها المعلنة، بما في ذلك الشركة الصينية للاندماج النووي، وشركة Fusion New Energy، وCFS، وTokamak Energy، وType One Energy. حتى الآن، لم تطرح أي شركة رئيسية في مجال الحصر المغناطيسي للاندماج النووي حلاً بديلاً ناضجًا للمواد الصلبة المواجهة للبلازما يمكن أن يحل محل التنغستن بالكامل. بالنظر إلى تاريخ التطور، فإن تطور مواد موزع الانحراف لم يكن بحثًا مستمرًا عن مواد ذات أداء أقوى، بل كان بحثًا مستمرًا عن حلول هندسية تلبي بشكل أفضل متطلبات تشغيل مفاعل الاندماج النووي. يعكس الانتقال من الكربون إلى التنغستن تغير نظام تقييم أبحاث الاندماج النووي من فيزياء التجارب إلى هندسة الطاقة. مع اقتراب المواد الصلبة تدريجيًا من حدود الحمل الحراري، بدأ مجتمع الاندماج النووي في تحويل انتباهه نحو اتجاهات جديدة مثل التشكيلات المتقدمة لموزع الانحراف، والتحكم النشط في تدفق الحرارة، والمواد السائلة المواجهة للبلازما.