التقنيات الأساسية للاندماج النووي كمصدر طاقة للمستقبل

حقبة جديدة في قطاع الطاقة: الاندماج النووي يقترب من الواقع كبديل ونظيف ومحايد مناخياً. ويعمل معهد "فراونهوفر لتكنولوجيا الليزر" (Fraunhofer ILT) حالياً على وضع الحجر الأساس لمحطات الاندماج المستقبلية، من خلال تطوير أنظمة الليزر عالية الطاقة والبصريات، إلى جانب صياغة عمليات التصنيع وسلاسل التوريد.

 يُعد الاندماج النووي خياراً واعداً للغاية لإمداد طاقة محايد مناخياً يتميز بكثافة طاقة عالية وقدرة على تغطية الحمل الأساسي. ومنذ الاختراق التاريخي الذي تحقق في "منشأة الإشعال الوطنية" (NIF) عام 2022، حيث تم تحقيق فائض في الطاقة لأول مرة، بات من الواضح أن الفيزياء الأساسية لهذه العملية تعمل بنجاح.

ففي درجات حرارة تصل إلى حوالي 150 مليون درجة مئوية، تندمج نظائر الهيدروجين لتشكل الهيليوم وتطلق كميات هائلة من الطاقة؛ حيث يعادل 1 كجم فقط من وقود الاندماج حوالي 22,500 طن من الفحم البني. ومع ذلك، فإن التشغيل التجاري والاقتصادي لمحطات الطاقة هذه لا يزال يتطلب تقدماً تكنولوجياً كبيراً.

ويُعد معهد فراونهوفر لتكنولوجيا الليزر (ILT) أحد الفاعلين وصناع القرار الرئيسيين في أبحاث الاندماج. وبالتعاون مع شركاء في قطاعي الصناعة والبحث العلمي، يطور المعهد تقنيات أساسية لمحطات الطاقة المستقبلية، حيث ينصب التركيز على ليزر الطاقة العالية، والمكونات البصرية، بالإضافة إلى عمليات التصنيع وسلاسل التوريد القابلة للتطوير. ويدعم هذا التطوير برنامج التمويل الحكومي الألماني "Fusion 2040"، والذي تخصص له الحكومة الفيدرالية أكثر من ملياري يورو حتى عام 2029.

وبالتوازي مع الاندماج بالقصور الذاتي القائم على الليزر (IFE)، يتم أيضاً دفع عجلة أبحاث الاندماج المغناطيسي (MFE)، كما هو الحال في منشآت "توكاماك" و"ستيلاراتور"  ويتطلب كلا النهجين تكنولوجيات فوتونية عالية الأداء.

 من التجربة إلى التشغيل المستمر

في حين تُثبت المنشآت التجريبية مثل NIF إمكانية تحقيق عمليات إشعال اندماجي فردية، يجب أن تعمل محطات الطاقة المستقبلية في وضع التشغيل المستمر. ويتطلب ذلك ما يتراوح بين 10 إلى 15 عملية إشعال في الثانية الواحدة، مما يضع متطلبات صارمة للغاية على كفاءة أنظمة الليزر وعمرها الافتراضي وتكلفته.

وتُعتبر ليزرات الحالة الصلبة المضخوخة بالديود (DPSSL) تكنولوجيا أساسية في هذا الصدد. ومع ذلك، وبالمقارنة مع المنشآت التجريبية الحالية، لا يزال يتعين زيادة الكفاءة واستقرار التشغيل بشكل كبير، لأن الأنظمة الحالية غير مصممة للتشغيل المستمر لمحطات الطاقة.

 الليزر، البصريات، والتوسع الصناعي

تتعامل مشاريع بحثية مركزية مع هذه التحديات الحالية؛ ففي مشروع "DioHELIOS" على سبيل المثال، ينصب التركيز على تطوير صمامات ثنائية ليزرية (laser diodes) عالية الأداء وعمليات تصنيع مؤتمتة بالكامل، بهدف خفض التكاليف إلى أقل من سنت واحد لكل واط، وفي الوقت نفسه تحقيق عمر افتراضي يصل إلى 30 عاماً.

أما في مشروع "PriFUSIO"، فتشكل المكونات البصرية الأساسية محور الاهتمام، حيث يتعين عليها تحمل الأحمال والضغوط القصوى في وضع التشغيل المستمر على مدار الساعة (24/7). ولا يزال التوسع الصناعي يمثل تحدياً هائلاً؛ إذ إن قدرة الإنتاج العالمية الحالية للصمامات الثنائية عالية الطاقة لا يمكنها تغطية احتياجات محطة اندماج نووي واحدة.

 التصنيع الإضافي ومكونات المفاعلات

إلى جانب تطوير الليزر، تلعب طرق التصنيع المبتكرة دوراً حاسماً. تتيح عمليات الليزر الإضافية(Additive laser processes / الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر) إنتاج مكونات جدران المفاعلات شديدة التحمل، والمصنوعة مثلاً من سبائك التنجستن، والتي يجب أن تتحمل التأثيرات النيوترونية الشديدة. وفي الوقت نفسه، تُستخدم هذه الهياكل لتحويل الطاقة وتوليد وقود الاندماج "التريتيوم".

وهناك عامل حاسم آخر يتمثل في كبسولات الوقود؛ فلتشغيل محطة طاقة، يجب إنتاج ما يصل إلى 1.3 مليون كبسولة يومياً بتكلفة منخفضة وبشكل قابل للتكرار بدقة عالية. ويجري حالياً تطوير مفاهيم إنتاج مؤتمتة جديدة لهذا الغرض أيضاً.

ونظراً للتعقيد المتزايد للأنظمة، أصبحت المحاكاة أمراً لا غنى عنه. وتتيح النماذج الأولية الافتراضية تحسين التصميم والتشغيل، فضلاً عن تحليل التأثيرات الفيزيائية مثل التشوهات الحرارية أو الانحرافات البصرية. وتُسهم التعاونات الدولية، مثل التعاون مع مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL)، في التحقق من صحة هذه النماذج وتطوير الأجيال القادمة من الليزر.

 الامتدادات التكنولوجية على الصناعة والفوتونيات

تؤثر أبحاث الاندماج بالفعل اليوم على تطبيقات صناعية أخرى؛ حيث تُستخدم المواد الجديدة، والمكونات عالية الأداء، وعمليات التصنيع المبتكرة في قطاع الفوتونيات، مثل عمليات القطع أو اللحام بالليزر. بالإضافة إلى ذلك، يفتح ليزر الطاقة العالية آفاقاً جديدة لإنتاج مصادر إشعاع مدمجة، تُستخدم على سبيل المثال في الفحص غير التدميري للأنظمة والحاويات المغلقة.

وعلى المدى الطويل، لا يوفر الاندماج النووي إمكانية الحصول على مصدر طاقة غير محدود تقريباً فحسب، بل يتيح أيضاً فرص نمو هائلة لقطاع الصناعة. وفي ظل الطلب العالمي المتزايد على الطاقة، قد تنشأ حاجة مستقبلية إلى مئات أو آلاف محطات طاقة الاندماج. وستتطلب المنشآت الفردية وحدها كميات هائلة من صمامات الليزر الثنائية والمكونات البصرية، مما قد يحدث تحولاً جذرياً في حجم سوق قطاع الفوتونيات بأكمله.