انقر هنا لمشاهدة فيديو "ملخص مرئي" لهذا الاختراع.
اختراعات علي پور أحمد | التصنيف: اختراعات جديدة في العالم | ذات صلة: الاكتشافات العلمية والاختراعات التكنولوجية
التحكم في استقرار البلازما باستخدام مفاعلين نوويين من نوع توكاماك لإنشاء دورة متناوبة في إنتاج الطاقة | توليد الكهرباء باستخدام الاندماج النووي في مفاعل توكاماك
◉ الابتكار: استقرار البلازما في تفاعل الاندماج النووي من خلال إنشاء دورة متناوبة لإنتاج الطاقة في مفاعل توكاماك
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بور أحمد
◉ التصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
◉ مقدمة وأهداف:
في هذه المقالة، نصف بإيجاز فكرة استغلال الطاقة المنبعثة من استقرار البلازما على نطاق زمني قصير باستخدام مفاعلين نوويين من نوع توكاماك بهدف إنشاء دورة متناوبة في إنتاج الطاقة.
يُستخدم التفاعل النووي لإطلاق الطاقة بطريقتين: الاندماج النووي والانشطار النووي. ولكل من هاتين الطريقتين آلية مختلفة تمامًا. ففي طريقة الانشطار التقليدية، يتم إطلاق الطاقة بفصل العناصر الثقيلة في الذرة وتكسيرها عبر قصفها بالنيوترونات، بينما في طريقة الاندماج الأحدث، يتم تقريب العناصر الأخف من بعضها البعض، ما يؤدي إلى اندماج نواتين (أيونين موجبين) لتكوين ذرة أكبر وأثقل. من خلال هذا التعريف البسيط لكيفية حدوث التفاعل النووي في هاتين الطريقتين، يُمكننا فهم الاختلاف الجوهري في الترتيب الخطي لهاتين التقنيتين. ومن الواضح إمكانية استخلاص طاقة نظيفة وآمنة للغاية من تقنية الاندماج النووي، التي باتت مقبولة على نطاق واسع كطريقة شائعة وصديقة للبيئة. لذا، يبدو تطوير تقنية الاندماج النووي أكثر فائدة مقارنةً بالمخاطر المحتملة للنفايات المشعة في طريقة الانشطار النووي.
◉ الابتكار: استقرار البلازما في تفاعل الاندماج النووي من خلال إنشاء دورة متناوبة لإنتاج الطاقة في مفاعل توكاماك
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بور أحمد
◉ التصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
على الرغم من أنه في كل من الانشطار والاندماج، يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة من تكسير أو دمج الذرات (لأن كتلة النواة النهائية أقل من مجموع كتل الجسيمات الأولية)، فإن الفرق المهم بين هاتين الطريقتين هو أنه في عملية تكنولوجيا الاندماج، نحقق طاقة إنتاجية أكبر بأربع مرات في استخراج الطاقة، الأمر الذي جذب انتباه غالبية شركات إنتاج الطاقة، بالإضافة إلى عدم وجود مخاطر النفايات المشعة. الوقود المطلوب لمفاعل الاندماج النووي هو النظائر النظيفة والآمنة للتريتيوم (الهيدروجين 3) والديوتيريوم (الهيدروجين 2)، والتي تنتج نظائر النيوترون والهيليوم بشكل نظيف وآمن، في حين أن النظائر التي لها خاصية الانشطار وتخلق تفاعلًا متسلسلًا في طريقة الانشطار هي عناصر اليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239، والتي تعتبر نظائر عالية الخطورة لأنه في تفاعل التحلل النووي، ينبعث إشعاع من عنصر غير مستقر بعد تحوله إلى عدة عناصر أخرى (تكاثر النوى الوليدة ذات الكتلة والطاقة الأكثر استقرارًا من النواة الأصلية).
بالطبع، لا يزال البشر بحاجة إلى النظائر المشعة المشتقة من اليورانيوم في العلاج الإشعاعي في بعض الحالات (كعلاج أمراض مثل السرطان). تُعدّ النظائر المشعة لليورانيوم-235، مثل الموليبدينوم-99، أساس تقنية التصوير الطبي النووي، كما أن تحليل التركيب الكيميائي للأغذية والكشف عن الملوثات الغذائية الضارة لا يُمكن إلا باستخدام بعض النظائر المشعة لليورانيوم. كذلك، يُستخدم اليورانيوم في مجالات الجيولوجيا وعلم الآثار، وفي استخدامات صناعية أخرى، كأحد العناصر الأساسية في دورة التشغيل لهذه المجالات. لذلك، لا يمكن تجاهل الاستخدامات المتنوعة والضرورية لنظائر اليورانيوم خارج مجال إنتاج الطاقة، ولكن بالنظر إلى الحجم الكبير لتفاعلات تكنولوجيا الانشطار النووي لإنتاج الطاقة الهائلة اللازمة لتوليد الكهرباء، هناك دائمًا احتمال أنه إذا استمرت تكنولوجيا الانشطار النووي وتوسعت فقط لإنتاج الطاقة، فإن العالم سيواجه مخاطر الإشعاع ومخلفات النفايات المشعة والحوادث المحتملة المتعلقة بتخزينها في المستقبل القريب.
◉ الابتكار: استقرار البلازما في تفاعل الاندماج النووي من خلال إنشاء دورة متناوبة لإنتاج الطاقة في مفاعل توكاماك
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بور أحمد
◉ التصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
على الرغم من هذه العواقب المحتملة المتعلقة بمخاطر توسيع مفاعلات الانشطار النووي الكبيرة، ربما يكون أحد الحلول الأكثر منطقية في الوقت الراهن هو مواصلة البحث والتطوير في تكنولوجيا الاندماج النووي النظيفة والخالية من المخاطر، لا سيما وأن كمية الطاقة المنتجة بطريقة الاندماج أكبر بكثير من تلك المنتجة بطريقة الانشطار. ومع ذلك، ورغم الجهود المتواصلة التي يبذلها خبراء ومهندسو الطاقة النووية حول العالم، يبدو أن الطريق لا يزال طويلاً قبل الوصول إلى هدف تسويق هذه التكنولوجيا وإنشاء سلسلة تفاعلات اندماجية متواصلة في البلازما. يجب أن تحتوي بلازما الهيدروجين المتولدة في مفاعل الاندماج على ثلاثة مؤشرات أساسية، تشمل درجة حرارة كافية، وكثافة مناسبة، وفترة بقاء طويلة، حتى يتسنى حدوث سلسلة التفاعلات اللاحقة والمتواصلة في المفاعل. حتى الآن، طُرحت نظريات مختلفة لإنشاء دورة تفاعل متواصلة في المرحلة العلمية لتطوير الاندماج، لكن مشكلة التحكم طويل الأمد في كثافة البلازما ومسار تدفقها لا تزال قائمة. وبعبارة أخرى، فإن التحدي الرئيسي والمهم الذي منع البشرية من تحقيق طاقة مستمرة من تكنولوجيا الاندماج النظيف حتى الآن هو عدم القدرة على منع تسرب الجسيمات عالية الطاقة داخل مفاعلات الاندماج، لأن هذا يمنع كثافة ودرجة حرارة البلازما من الزيادة للحفاظ على تفاعل متسلسل في سلسلة اندماج نووي مستدام ذاتيًا.
أحد الأسباب التي جعلت استخدام طريقة الانشطار النووي التقليدية لتوليد الكهرباء على نطاق واسع هو أن تعديل استخدام قضبان التحكم يسمح للنيوترونات المنبعثة من تفاعل الانشطار بالاستمرار في دورة متناوبة من التفاعلات المتسلسلة المستقرة في هذه التقنية، وهي سمة مهمة لتوليد الكهرباء. مع ذلك، ومع التطورات الأخيرة في تقنية الاندماج النووي، أصبح حدوث مثل هذا التفاعل المتسلسل غير ممكن في البلازما الناتجة. ونتيجة لذلك، ورغم القدرة الإنتاجية العالية لتقنية الاندماج النووي، فإنه من غير الممكن حاليًا استخدام الطاقة المنتجة منها لتوليد الكهرباء بشكل مستمر. ونظرًا لهذا القيد، فقد طرحتُ فكرة بسيطة لإنشاء دورة متقطعة لإنتاج الطاقة في طريقة الاندماج النووي، الأمر الذي يتطلب بالتأكيد مراجعة من الخبراء واختبارات هندسية دقيقة للتأكد من جدواها العملية. لذا، فإن الفكرة والحل اللذين وصفتهما في هذه المقالة لا يمثلان تجربة أو سمة تقنية مثبتة. لقد حاولتُ فقط تحليل إمكانية تشغيل إنتاج الطاقة بشكل مستمر باستخدام فرق زمني بين مفاعلين من نوع توكاماك للاندماج النووي، استنادًا إلى وثائق الهندسة النووية، وتقديم حل للتغلب على هذا القيد. لعل هذه الفكرة تُسهم في توسيع نطاق التفكير الجماعي لتقديم المزيد من الحلول لتجاوز هذا التحدي.
◉ الابتكار: استقرار البلازما في تفاعل الاندماج النووي من خلال إنشاء دورة متناوبة لإنتاج الطاقة في مفاعل توكاماك
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بور أحمد
◉ التصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
◉ شرح إضافي للفكرة:
على الرغم من أن الحل المقدم في هذه المقالة لا يتمثل في تغيير أو إضافة نظام جديد لعملية تفاعل الاندماج النووي، إلا أنه بالنسبة للمهتمين الذين لديهم معرفة موجزة عن كيفية عمل عملية الاندماج النووي، فإن بعض تفاصيل الأجزاء الرئيسية من عملية الاندماج النووي (المتعلقة بالفكرة المقدمة في هذه المقالة) مذكورة أيضًا بإيجاز لفهم أفضل. كما نعلم، يتم استخدام طرق ومفاعلات مختلفة لإنشاء الاندماج النووي، ولكن لتنفيذ فكرة هذا المقال، استخدمت طريقة حبس البلازما في مفاعل توكاماك. توكاماك هو نوع من المفاعلات لإجراء تفاعلات الفيزياء النووية بهدف حصر وتثبيت غاز البلازما المتأين. يتم تنفيذ حبس البلازما في هذا المفاعل باستخدام سلسلتين من المجالات المغناطيسية المحصورة المدمجة داخل طارة المفاعل. تقوم هذه المجالات المغناطيسية بحصر البلازما في المنتصف وحول المحور الرأسي لمركز المفاعل وتحاول تثبيت غاز البلازما. السبب الرئيسي لاستخدام المجالات المغناطيسية لاحتواء البلازما هو الارتفاع الشديد في درجة حرارة البلازما في الحالة المستقرة، والتي تتراوح، حسب نوع نظام مفاعل الاندماج، بين 30 و100 مليون درجة مئوية، وهي درجة حرارة نطاق استقرار البلازما. إن استقرار البلازما عند درجات الحرارة المرتفعة هذه يخلق الظروف الملائمة للاندماج النووي، ومن الواضح أنه في درجات الحرارة المرتفعة هذه، باستثناء المجالات المغناطيسية القوية، لا يمكن لأي مادة صلبة أخرى الاتصال بالبلازما والبقاء على قيد الحياة.
◉ الابتكار: استقرار البلازما في تفاعل الاندماج النووي من خلال إنشاء دورة متناوبة لإنتاج الطاقة في مفاعل توكاماك
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بور أحمد
◉ التصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
تُعدّ حجرة التوكاماك الرئيسية حجرة مغناطيسية حلقية، ويعود تصميمها الأولي إلى عام 1951. وعلى مرّ الزمن، سعى المهندسون إلى تقليل معامل فقد الطاقة والإجهادات الحرارية والميكانيكية الواقعة على هيكل مفاعل التوكاماك من خلال تحسينات هيكلية. مع بعض الاختلافات، تبدأ جميع أجهزة التوكاماك الحالية تقريبًا بدورة مماثلة. أولًا، تُسحب الهواء والشوائب من الحجرة الداخلية، وتُهيأ ظروف ضغط مكافئ للفراغ داخل المفاعل. ثم يُضخ الوقود الغازي إلى الحجرة، وفي الوقت نفسه، يُولّد جهد كهربائي قوي جدًا داخلها لتحليل الغاز وتأيينه. في هذه المرحلة، تُقذف الإلكترونات من نواة الذرة، مُكوّنةً جزيئات غاز البلازما، التي عندما تصطدم ببعضها البعض، تزيد من درجة حرارة البلازما (طالما استمرت سلسلة الاستقرار). النقطة المهمة في هذه المرحلة هي أنه إذا استخدمت جزيئات البلازما خطوط المجال المغناطيسي المحدبة، فهناك احتمال أكبر لاستقرار سلسلة البلازما، وهو السبب في الاستخدام التقليدي لمفاعلات توكاماك الكروية.
◉ الابتكار: استقرار البلازما في تفاعل الاندماج النووي من خلال إنشاء دورة متناوبة لإنتاج الطاقة في مفاعل توكاماك
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بور أحمد
◉ التصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
يتحقق استقرار البلازما عادةً بثلاث طرق للحصر: الحصر الجاذبي، والحصر المغناطيسي، والحصر بالقصور الذاتي. حاليًا، لا يُمكن استخدام طريقة حصر البلازما بالجاذبية على الأرض، نظرًا لعدم إمكانية تشغيلها عمليًا، إذ تتطلب هذه الطريقة الجمع بين كثافة عالية جدًا ودرجة حرارة مرتفعة للغاية (مما يُولّد ضغطًا يعادل 400 مليار ضعف ضغط الغلاف الجوي للأرض)، وهذا المزيج الفيزيائي المعقد لا يُمكن تحقيقه إلا داخل النجوم الكبيرة المشتعلة كالشمس. مع ذلك، في طريقة الحصر المغناطيسي التقليدية، يُمكن تحقيق استقرار البلازما باستخدام كمية صغيرة من وقود الديوتيريوم والتريتيوم (بكثافة أقل من ملليغرام واحد عند ضغط لا يتجاوز بضعة ضغوط جوية) عن طريق توليد تيار كهربائي مُستحث وتأيين الوقود لتحويله إلى غاز بلازما بواسطة مفاعل توكاماك. في طريقة الحصر من خلال الحصر بالقصور الذاتي، يتم تركيز حزم الليزر والأيونات بطريقة محسوبة ودقيقة على الطبقة الخارجية من وقود الديوتيريوم والتريتيوم (بقطر بضعة ملليمترات) بحيث يصبح لب الوقود أكثر كثافة بآلاف المرات من كثافته الأولية، ويتم توفير الظروف اللازمة لحدوث الاندماج في التفاعل النووي.
عادةً، ينتج التوازن في غاز البلازما عن التوازن بين الضغط الداخلي للبلازما والقوى الخارجية الناتجة في حجرة التفريغ لمفاعل التوكاماك. ويرتبط استقرار البلازما أو انحرافها عن معادلة التوازن ارتباطًا مباشرًا بثلاثة أجزاء رئيسية في جميع مفاعلات التوكاماك، وهي: الملف الحلقي، ونظام توليد الحرارة، ونظام التحكم في شكل البلازما. بعبارة أخرى، يتم تحديد وتنفيذ الحصر والتسخين والتحكم في شكل البلازما بواسطة هذه الأجزاء الثلاثة. تتكون الحجرة الرئيسية لحصر البلازما من مجموعة من هياكل المجال المغناطيسي المعقدة، ويتم تصميم وتركيب ملفات حلقية وقطبية حول هذه الحجرة الحلقية. يمر تيار ثابت عبر الملف الحلقي، وتدور الجسيمات المتأينة حول المجال في هذا الملف، وبتمرير جهد كهربائي عبر الملف المركزي، تكتمل عملية تكوين البلازما في الملف الحلقي. المجال الناتج عن تدفق البلازما هو مجال مغناطيسي قطبي، وتكون النتيجة النهائية عمودية على المجال وتتخذ شكلًا حلزونيًا، مما يؤدي إلى التفاف خطوط المجال المغناطيسي حول البلازما وتكوين جدار مغناطيسي حولها. بزيادة قوة المجال المغناطيسي حول البلازما المحصورة، يزداد الضغط عليها، ومن خلال التحكم في كمية واتجاه التدفق في الملفات القطبية، يمكننا حصر غاز البلازما لفترة زمنية محددة والحفاظ على توازنه المكاني والشكل. مع ذلك، للوصول إلى مرحلة الاندماج النووي وتكوين سلسلة بلازما مشتعلة ذاتية الاستدامة، نحتاج إلى توليد درجات حرارة عالية جدًا تتراوح بين 30 و100 مليون كلفن.
◉ الابتكار: استقرار البلازما في تفاعل الاندماج النووي من خلال إنشاء دورة متناوبة لإنتاج الطاقة في مفاعل توكاماك
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بور أحمد
◉ التصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
في مفاعلات التوكاماك، يكون موضع البلازما غير مستقر وغير خطي، مما يُشكل تحديات كبيرة في التحكم به. ونظرًا للبنية الفيزيائية على شكل حرف D في مفاعلات التوكاماك، يرتبط استقرار موضع البلازما بالعديد من العوامل، بما في ذلك شدة التيار وحجم موضع مرجع إدخال البلازما. وإذا أضفنا الإعدادات اللازمة لهذه العوامل، فإن نظام مفاعل التوكاماك عادةً ما يحتوي على عدة نقاط تشغيل، ولذلك يتم التحكم في موضع البلازما بشكل متقطع باستخدام وحدات تحكم ذكية ويدوية في ظل ظروف متغيرة لضمان أعلى أداء ممكن في نطاقات تشغيل مختلفة. الهدف الأساسي لنظام التحكم هو ضمان عدم اصطدام البلازما بجدران حجرة التفريغ والحفاظ على شكلها على شكل حرف D ومقطعها العرضي المحدد، مما يسمح بالتحكم في عملية الاندماج. لكن التحدي التالي يكمن في أن الموضع الرأسي لعمود البلازما في مفاعل التوكاماك ذي المقطع العرضي على شكل حرف D يكون غير مستقر تمامًا. من جهة أخرى، يؤدي الضغط العالي للقوى المغناطيسية، الذي يُولّد توترًا في البلازما، إلى زيادة عدم استقرارها في وضعها الرأسي، على الرغم من أن هذا التوتر نفسه يُقلل من عدم استقرارها الفيزيائي ويزيد من تدفقها. مع ذلك، لم يتمكن استخدام نظام تحكم ذي حلقة مغلقة مع تحكم في التيار في الملفات القطبية حتى الآن من الحفاظ على استقرار درجة حرارة البلازما لفترة طويلة ضمن دورة مستقرة لتفاعل الاندماج النووي للذرات.
◉ انقر على أي من صور المعرض أدناه لتكبيرها:
نظراً لهدف هذه المقالة، وهو تقديم حل جديد لتحقيق استقرار دورة استخلاص الطاقة المتقطعة من البلازما المتغيرة، فإن موضوع وقود الاندماج النووي والدورات المغلقة الداخلية والخارجية يتجاوز نطاق هذه المقالة، لذا اقتصرت الإشارة إليه في المقدمة على عناوين موجزة. إذا كنت مهتماً، يمكنك الاطلاع على التفاصيل الكاملة لدورات وقود الاندماج النووي ودراستها من مصادر ومقالات متخصصة في هندسة الاندماج النووي. وفقاً للصور المرفقة بهذه المقالة، يتكون كلا مفاعلي التوكاماك، المُصممين للتشغيل لشرح نظرية هذه الفكرة، من تكوين حلقي متطابق لتوليد مجال مغناطيسي، بالإضافة إلى تكوين رأسي لحصر غاز البلازما. بالطبع، يمكن استخدام نوعين آخرين من مفاعلات الاندماج النووي، وهما مفاعلات ستيلاراتور ومفاعلات التضييق العكسي للمجال (RFP)، لحصر البلازما، ولكن نظراً لتعقيدهما وتكلفتهما وطول مدة تشغيلهما، فإن أسرع الطرق وأكثرها شيوعاً لتحقيق الاندماج النووي هي استخدام مفاعل التوكاماك. ومع ذلك، يمكن استخدام جميع أنواع المفاعلات الثلاثة في الحل المقترح بعنوان "إمكانية إنشاء دورة متناوبة لاستخراج الطاقة من الاندماج النووي".
◉ الابتكار: استقرار البلازما في تفاعل الاندماج النووي من خلال إنشاء دورة متناوبة لإنتاج الطاقة في مفاعل توكاماك
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بور أحمد
◉ التصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
كما هو موضح في الصور والفيديو في نهاية هذه المقالة، قمتُ بتصميم وإعادة بناء جزء من الأجزاء الداخلية لغرفة التفريغ، بما في ذلك خزان التغليف، ووعاء التفريغ، وبطارية الليثيوم أيون، في عرض ثلاثي الأبعاد لمن يرغب في فهم بنية التوكاماك بشكل أفضل. في المساحة الحلقية النفقية لغرفة التفريغ، يتم إنشاء استقرار "ضغط منخفض" لحصر البلازما ومنع توقف مفاعل التوكاماك أثناء عملية استخلاص التريتيوم. يعمل الجدار الداخلي الأول في مفاعل التوكاماك كحاجز أساسي بين درجة حرارة البلازما فائقة التسخين والمادة الهيكلية لمفاعل الاندماج النووي أثناء قصف النيوترونات، ويتحكم بشكل كبير في تسرب التريتيوم ويقلله إلى أدنى حد. إذا لم يتم التحكم في التريتيوم في هذا الجدار، فسيؤدي ذلك إلى اختراق وتدمير وهشاشة مواد الطبقات اللاحقة في مفاعل التوكاماك، وبالتالي، فقدان درجة الحرارة في دورة الوقود. يوجد في أسفل جدار البطانية أيضًا معدات متعلقة بالمحول، حيث يتم تصريف الجسيمات والمخرجات الجانبية الأخرى لتفاعل الاندماج من خلال فتحات العادم.
خارج الحلقة الأولية، تُركّب عدة مبادلات حرارية لنقل الحرارة من التفاعل النووي إلى الحلقة الثانوية لتوليد الكهرباء أو استخدامها في عمليات صناعية أخرى. ونظرًا للحاجة إلى نقل حرارة عالٍ جدًا في حجرة التفريغ في حالة استقرار البلازما، واحتمالية تسرب التريتيوم في الوقت نفسه، فإن مشكلة عدم قدرة سبيكة المبادل الحراري الوسيط على منع تسرب التريتيوم بشكل كامل لا تزال تُشكّل عائقًا أمام التشغيل طويل الأمد لعملية الاندماج النووي في مفاعل التوكاماك. وقد دفعني تسرب التريتيوم وعدم استقرار درجة حرارة البلازما في التفاعلات المتسلسلة المستمرة وطويلة الأمد، إلى جانب المشكلات التقنية الأخرى التي تحول دون تحقيق تقنية الاندماج النووي استقرارًا زمنيًا متواصلًا، إلى التفكير في تصميم وتطوير فكرة لإمكانية دمج دورة استقرار البلازما قصيرة الأمد باستخدام الطاقة الزائدة المُنتجة بين مفاعلي التوكاماك. وبهذه الطريقة، يتم استخدام الطاقة الزائدة المفترضة من الاستقرار قصير المدى للبلازما في مفاعل مستقل لتخزينها وتحويلها إلى جهد كهربائي لتشغيل مفاعل آخر موازٍ ومتطابق، وتستمر هذه الدورة مرة أخرى في تسلسل متحكم فيه في دورة الاندماج النووي.
◉ الابتكار: استقرار البلازما في تفاعل الاندماج النووي من خلال إنشاء دورة متناوبة لإنتاج الطاقة في مفاعل توكاماك
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بور أحمد
◉ التصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
لتحقيق هذا الهدف، يلزم وجود مفاعلين اندماجيين من نوع توكاماك، يجب أن يتمتعا بخصائص متطابقة تمامًا من حيث معايير الإدخال والإخراج (الوقود والطاقة). والسبب في اشتراط تطابق الخصائص في كلا المفاعلين هو مراقبة إعدادات الإدخال والإخراج بدقة متناهية، ومنع هدر الوقود والطاقة أثناء التحولات السريعة والمتقطعة بينهما. بعبارة أخرى، نظرًا لتشابه أنظمة الإدخال والإخراج في كلا المفاعلين، يتم التحكم في كمية الطاقة الزائدة المنتجة في أحد المفاعلين ونقلها إلى المفاعل الآخر لتوليد الطاقة بأقل قدر من الانحراف وعدم التوازن في معامل استهلاك الوقود والطاقة، وتستمر عملية الاندماج الدورية بموثوقية أكبر. تجدر الإشارة إلى أنه من الممكن تنفيذ هذه العملية ذات الدورة المركبة باستخدام مفاعلين اندماجيين نوويين مختلفين، ولكن ذلك يتطلب تكاليف أعلى، ويتطلب تحسين أنظمة التحكم في الأجهزة والبرامج لتطبيق الضغط المطلوب وتحديد الإشارة تلقائيًا، وجمع البيانات، وتصحيح تغيرات الضغط في حجرة التفريغ للمفاعلين المختلفين، وذلك كواجهة تسهل دوران الطاقة الزائدة بين المفاعلين.
كما هو موضح في منتصف الفيديو في نهاية هذه المقالة، يبدأ مفاعل "توكاماك أ" عمله، لبدء عملية الاندماج النووي المتسلسل، بتخزين كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية (من الوقود الأحفوري أو غير الأحفوري) بواسطة محولات الجهد في ورشة العمل. يوفر الجهد الكهربائي العالي، الداخل إلى وحدات النظام الحراري، درجة الحرارة اللازمة لبدء عملية الاندماج الأولية، مما يُولد تيارًا كهربائيًا مُستحثًا ويُؤين الوقود ليتحول إلى بلازما بواسطة مفاعل "توكاماك أ". في هذه المرحلة، يُخفض ضغط حجرة المفاعل إلى مستوى منخفض جدًا باستخدام مضخات تفريغ توربينية جزيئية ودوارة. بعد ذلك، يُضبط ضغط تشغيل الحجرة تلقائيًا عن طريق التحكم في كمية غاز الهيدروجين النقي الداخل عبر صمام مدخل الغاز. يُقاس ضغط حجرة التفريغ باستخدام مستشعر قياس التفريغ أثناء عملية الاندماج، حيث يُحدد الفرق بين الضغط اللحظي والضغط المطلوب كإشارة معامل انحراف، ويقوم جهاز التحكم الذكي بتوحيد الضغط المطلوب لعملية حقن الوقود. عن طريق إطلاق كمية ضئيلة جدًا من وقود الديوتيريوم والتريتيوم عند درجة حرارة تقارب 100 مليون درجة مئوية (قد تكون درجة الحرارة أقل حسب نظام التوكاماك)، يتم تفعيل دائرة إلكترونية للحفاظ على ضغط غاز ثابت في الحجرة، وذلك باستخدام متحكم دقيق ومضخات توربينية جزيئية للتحكم في الضغط من خلال إدخال الكمية المناسبة من الغاز باستمرار، والتعويض عن أي تغيرات محتملة في كمية الغاز المُدخلة إلى النظام أثناء العملية. يُعد نظام التحكم في الضغط أحد الأنظمة الفرعية لغرفة التحكم المتكاملة في عملية الاندماج النووي، المصممة وفقًا لمعيار ATCA، لذا فإن استقرار ضغط الغاز والتحكم فيه أمر بالغ الأهمية في تقنية الفراغ.
◉ الابتكار: استقرار البلازما في تفاعل الاندماج النووي من خلال إنشاء دورة متناوبة لإنتاج الطاقة في مفاعل توكاماك
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بور أحمد
◉ التصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
بعد أن يصل مفاعل "توكاماك أ" إلى مستوى الكفاءة التشغيلية المطلوب لتوليد طاقة فائضة (مقارنةً بالطاقة المستهلكة) خلال 10 دقائق، تُستعاد هذه الطاقة الفائضة الهائلة عبر محولات كهربائية، ثم تُستخدم لتوليد جهد كهربائي قوي جدًا لتحليل وتأيين الغاز في حجرة "توكاماك ب". عند دخول "توكاماك ب" دائرة التشغيل، يُفصل "توكاماك أ" عنها، وتُوضع أنظمته في وضع الاستعداد حتى يتم الحصول على الطاقة الفائضة من "توكاماك ب". يُفترض أن مدة التشغيل (مرحلة التشغيل) ومدة الاستعداد (مرحلة الإيقاف) لكل من مفاعلي التوكاماك تبلغ 600 ثانية تقريبًا، مع الأخذ في الاعتبار حدًا متوسطًا لاحتمالية حدوث أضرار ناتجة عن الضغط والحرارة للمعدات. تتمتع مفاعلات التوكاماك المطورة حاليًا بالقدرة على الحفاظ على البلازما عند درجات حرارة عالية جدًا لأكثر من 1200 ثانية، ولكن عند هذه الدرجات لفترة أطول، فإن احتمالية تلف معدات المفاعل واردة. ومع ذلك، يبدو أن تقليص الفترة الزمنية بين مفاعلين متطابقين يمكن أن يمنع تدمير مواد مفاعل الاندماج ويقلل من تآكل مكوناته.
كما ذُكر، أصبح من الممكن في نظام التوكاماك المتقدم الحالي الحفاظ على استقرار البلازما لأكثر من 20 دقيقة، وتحقيق إنتاج طاقة يفوق الطاقة المستهلكة. فعلى سبيل المثال، تمكن مفاعل الاندماج WEST (جنوب فرنسا) من الحفاظ على البلازما في حالة الاندماج لأكثر من 22 دقيقة بقليل، أي 1337 ثانية. ومع ذلك، ورغم هذا الحد الزمني، واحتمالية تلف أجزاء مختلفة من مفاعل الاندماج النووي عند تعرضها لدرجات حرارة عالية جدًا نتيجة قصف النيوترونات المكثف، فضلًا عن احتباس التريتيوم وتغلغله، مما يؤدي إلى هشاشة المواد وتلفها على مدى فترات زمنية أطول بكثير (على سبيل المثال، عدة ساعات من التشغيل المتواصل)، فإنه من الممكن أيضًا تحقيق دورة إنتاج طاقة مماثلة لتلك الموضحة في هذه الفكرة، وذلك باستخدام الطاقة الفائضة المنتجة في فترة زمنية أقصر وباستهلاك أقل. وبالطبع، يتطلب تفعيل هذه الفكرة أو تحسين تطبيقها إجراء دراسات متخصصة أكثر تفصيلًا لإثبات جدوى هذا الحل.
◉ الابتكار: استقرار البلازما في تفاعل الاندماج النووي من خلال إنشاء دورة متناوبة لإنتاج الطاقة في مفاعل توكاماك
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بور أحمد
◉ التصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
كما هو الحال مع الأفكار العلمية الأخرى، فإن إمكانية تنفيذ هذا الحل وتطويره وتحسينه ليست بعيدة، وإذا أصبح "التحكم في توقيت استقرار البلازما باستخدام مفاعلين نوويين للاندماج" قابلاً للتشغيل، فإنه يمكن أن يقدم مساهمة كبيرة في إنتاج طاقة نظيفة لا نهاية لها من الدورة النووية المستقلة.
نهاية المقال//
◉ فيديو لحل استقرار البلازما في تفاعلات الاندماج النووي عن طريق إنشاء دورة متناوبة لإنتاج الطاقة في مفاعل توكاماك / التصنيف: اختراعات علي بوراحمد
◉ صانع الرسوم المتحركة لهذا الفيديو: علي بورأحمد
◉ ملحن الموسيقى لهذا الفيديو: علي بورأحمد
◉ الراوي: علي بورأحمد
◉ اللغة: الانجليزية
◉ الترجمة: لا يوجد
نبذة عن المخترع ومؤلف هذا المقال:👇
مقالات عن الاختراعات العلمية المتعلقة بتوليد الكهرباء :
◉ ابتكار محطة طاقة تولد الكهرباء من دوران الأرض في الفضاء، وتنقل الكهرباء المولدة إلى جهاز استقبال أرضي باستخدام الليزر.
◉ اختراع محطة توليد طاقة تولد الكهرباء باستخدام الجاذبية وقوة الطرد المركزي (محرك الجاذبية 1)
◉ اختراع محطة توليد طاقة تولد الكهرباء باستخدام الجاذبية وقوة الطرد المركزي (محرك الجاذبية 2)
◉ اختراع محطة توليد طاقة تولد الكهرباء باستخدام الجاذبية والعجلات المعلقة (محرك الجاذبية 3)
◉ اختراع محطة توليد طاقة تولد الكهرباء باستخدام الجاذبية وقوة الطرد المركزي (محرك الجاذبية 4)
◉ ابتكار محطة طاقة تولد الكهرباء باستخدام الجاذبية والفيزياء المعقدة المدمجة (محرك الجاذبية 5)
◉ اختراع استخدام مياه البحر والدوامات الاصطناعية لتوليد الكهرباء
◉ اختراع استخدام المياه من أعماق البحار وشواطئ المحيطات لإنشاء سدود اصطناعية وتوليد الكهرباء
◉ اختراع توليد الكهرباء من جهاز طرد مركزي سائل باستخدام الماء والجاذبية وقوة الطرد المركزي
اختراعات أخرى لعلي بور أحمد :
◉ قائمة كاملة بالاختراعات والمقالات العلمية المنشورة لعلي بور أحمد
◉ الاختراعات العلمية علي پورأحمد
◉ أفلام الخيال العلمي علي پورأحمد
◉ جوائز علي پور أحمد
◉ لوحات للفنان علي پورأحمد
◉ موسيقى علي بورأحمد الآلية
إعلان
