نجح مشروع بحثي منسّق استُكمِل مؤخراً في تحسين الفهم بشأن العمليات الذرية والجزيئية الأساسية اللازمة لإحراز تقدّم في مجال تطوير الاندماج باعتباره مصدراً مستقبلياً للطاقة. وقام هذا المشروع، على وجه التحديد، بتوليد وتقييم البيانات حول التصادمات بين الهيدروجين والأكسجين والعمليات الإشعاعية الناتجة عن هذه التصادمات التي يتم خلالها إطلاقُ الطاقةِ في شكل إشعاعات كهرومغنطيسية. وبالإمكان استحثاث تفاعلات الاندماج هذه في شكل مادة تدعى البلازما وهي مادة تتألّف من غازات ساخنة للغاية مشحونة كهربائياً، كانت مجال تركيز البحوث المضطلع بها في هذا الشأن.
وقال السيد باستيان برامز، وهو باحث في المعهد الوطني للبحوث في مجال الرياضيات وعلوم الحاسوب وشارك في المشروع البحثي المنسق إنّ "البيانات المستقاة في إطار هذا المشروع البحثي المنسّق قد عزَّزت قدرتنا على محاكاة العمليات المعقَّدة التي تحدُث في أجهزة الاندماج، مما يُعطينا صورة أوضح عما يحدث داخل مفاعلاتنا التجريبية".
فالاندماج النووي، وهو التفاعل الذي يشحن الشمس بالطاقة، يمكن أن يُتيح في نهاية المطاف إمدادات غير محدودة من الطاقة النظيفة الخالية من الكربون وذلك باستخدام الماء والليثيوم كوقود. ومع ذلك، فإنَّ تسخير قوى اندماج ذات جدوى من الناحية التجارية هو أمر ينطوي على تحديات تكنولوجية كبيرة، منها حمايةُ جدار وعاء المفاعل في ظل درجات حرارة عالية للغاية، والتحكّمُ في التفاعل الاندماجي - وهما مجالان ساعد المشروع البحثي المنسَّقُ على معالجتهما.
وقد درس هذا المشروعُ التصادمات والتفاعلات بين الهيدروجين والهليوم التي تحصل في أجهزة الاندماج، غير أنه ركّز في المقام الأول على تفاعلات الهيدروجين، بما في ذلك تفاعلات نظيريهِ المستقرّينِ الديوتيريوم والتريتيوم ومختلف جزيئاتهما وأيوناتهما الجزيئية. وساعد ذلك الخبراءَ على المضي قدماً صوب استحداث قاعدة بيانات خاصة بالمقاطع العرضية للتصادمات المقيّمة بشكل حرج (أي إلى أيِّ مدى ينبغي أن تتقارب الجزيئات من بعضها لاستحثاث التصادم) وبمُعامِلات معدّل التفاعل (أي قياسات سرعة التفاعل الكيميائي). وبالتالي، سيُمكِّنُ ذلك الباحثينَ من جميع أنحاء العالم من إجراء الحسابات بشكل أسهل وبدقة أعلى.
وقد تولَّدت عن هذا المشروع البحثي المنسّق الذي شارك فيه باحثون في مؤسسات من ١٢ بلداً، بالتعاون مع الوكالة، بيانات حاسمة من شأنها أن تساعد العلماء على استحداث أدوات نمذجة لمحاكاة ذرات الهيدروجين والجزيئات ذات الصلة في ظل ظروف متعلّقة بالاندماج.
كيف يتم الاندماج المحكوم؟
تحصلُ داخل قلب الشمس تفاعلات اندماجية بين ذرات الهيدروجين داخل البلازما الكثيفة — وتَشحَنُ هذه العملية النجمَ المُطلَّ على كوكبنا وتجعله مشرقاً. وتتطلَّبُ هذه التفاعلات مستويات عالية بشكل مُذهلِ من الطاقة لتحويل كمياتٍ ضئيلةٍ من الكتل إلى كمياتٍ هائلةٍ من الطاقة (وفقاً لمعادلة أينشتاين الشهيرة E=mc2).
أمَّا داخل مفاعل الاندماج، فإنَّ هذه التفاعلات التي تحصلُ داخل قلب المفاعل تَتَطلَّبُ درجات حرارة عالية تتبدَّدُ بعدئذ بسرعة في المناطق الخارجية من غرفة الاندماج على مقربة من جدران المفاعل الداخلية. ويُعدُّ فهم الظواهر الفيزيائية التي تحصل في المناطق الآنف ذكرها، والتي يُطلق عليها اسم بلازما محيط المفاعل، أمراً بالغ الأهمية لحماية جدران المفاعل الداخلية والتحكُّم في التفاعل الاندماجي داخل قلب المفاعل. ونـمذجة العمليات الذرية والجزيئية التي تحصل داخل بلازما محيط المفاعل هي جزء من التحدي التقني المتمثّل في التحكّم في الاندماج من أجل توليد القوى. وفي واقع الأمر، حتى فيما يتعلّق بأبسط الذرات (الهيدروجين)، ثمّة بعض الثغرات الكبيرة التي تشوب معارفنا بشأن العمليات الكمية التي تنطوي عليها فيزياء البلازما.
وإنّ هذا المخزن الغني بالمعلومات الجديدة سيُضاف إلى قاعدة البيانات النووية الخاصة بنظام تبادل البيانات الذرية، وقد أدى بالفعل إلى نشر ٦٨ مقالاً في مجلات خاضعة لاستعراض النظراء. ونُشر أخر مقال أُعِدَّ في إطار المشروع البحثي المنسّق في المجلة المعنونة الذرات في أيار/مايو ٢٠١٧.
