طرف فاعل جديد في بحوث الاندماج النووي: كرواتيا تدشّن مرفق الحُزم الأيونية المزدوجة بدعم من الوكالة

دُشّن في زغرب مرفقُ للحُزم الأيونيّة المزدوجة يمكّن من دمج حُزْمَتين أيونيَّتين من معجِّلات مختلفة على نحو متزامن، الأمر الذي يعزّز بحوث الاندماج النووي في كرواتيا ويوسّع الإمدادات العالمية من المرافق التي لديها مثل هذه القدرات الفائقة.

وفي الوقت الحاضر تُجرى بحوث الاندماج النووي وفيزياء البلازما الخاضعة للرقابة في أكثر من ٥٠ دولة عضواً في الوكالة لإثبات الجدوى العلمية للاندماج النووي كمصدر للطاقة. (الصورة من: ناسا).

دُشّن في زغرب مرفقُ للحُزم الأيونيّة المزدوجة يمكّن من دمج حُزْمَتين أيونيَّتين من معجِّلات مختلفة على نحو متزامن، الأمر الذي يعزّز بحوث الاندماج النووي في كرواتيا ويوسّع الإمدادات العالمية من المرافق التي لديها مثل هذه القدرات الفائقة. ومرفق المصادر الأيونية والحُزم المزدوجة He Ion Source & DiFU Dual-Beam Facility التابع لمعهد رودر بوكوفيتش، والذي تمّ تركيبه بدعم من الوكالة، سيساعد العلماء على اختبار وتطوير موادّ هيكليّة جديدة لا غنى عنها حتى تصبح طاقة الاندماج حقيقةً واقعةً. وثمة قلة قليلة من المرافق المماثلة لهذا المرفق في جميع أنحاء العالم.

ويعمل باحثو ومهندسو الاندماج النووي على تطوير طُرق لتسخير الطاقة الناتجة عن اندماج النوى الخفيفة، وهي عملية مماثلة لإنتاج النجوم للطاقة. ويبشّر ذلك بطاقة وفيرة ومأمونة وخالية من الكربون.

غير أن التفاعلات الاندماجية تولّد نيوترونات نشطة للغاية وجُسيمات ألفا والتي، بعدَ مرور بعض الوقت من التعرُّض، يمكن أن تلحقَ الضَّرر بجدران المفاعل. ويمكن لتكنولوجيا الحُزم الأيونية، مثل مرفق الحُزم المزدوجة في كرواتيا، محاكاة هذه الظروف القاسية والإسهام في تطوير مواد جديدة متينة بما يكفي للحفاظ عليها.  

وقال ميلكو جاسيتش، كبير العلماء في مختبر تفاعلات الحُزم الأيونية التابع لمعهد رودر بوكوفيتش: "تركيب المصدر الأيوني He في المعجِّل الترادفي الأصغر حجماً بقُدرة ١.٠ ميغافولت كان العنصر المفقود الأخير في مرفق معجِّلات معهد رودر بوكوفيتش، وهو الآن قادر على إجراء المحاكاة الأكثر واقعيةً لبيئة الاندماج النووي". "وسيمكّن هذا الاستثمار أيضاً من زيادة استخدام تقنيات تحليل الحُزم الأيونيّة لمجموعة واسعة من التطبيقات الأخرى."

وقال داناس ريدكاس، رئيس قسم الفيزياء في الوكالة: "سيتيح ذلك للباحثين والمهندسين اختبار فيما إذا كانت الموادّ قوية بما يكفي لاحتواء تفاعل الاندماج، من بين أمور أخرى". "وهذا المرفق بمثابة خبر سارّ بالنسبة لأوروبا والدول الأعضاء في الوكالة في مناطق أخرى أيضاً."

ويعمل معهد رودر بوكوفيتش مع الوكالة من خلال اتفاق تعاون تمَّ التوقيع عليه في عام ١٩٩٧. وقد زوّدت الوكالة المعهدَ بالمعدّات وساعدته من خلال بناء القدرات. وأطلقت الوكالة مؤخراً مشروعاً بحثياً منسّقاً جديداً لتيسير إجراء التجارب في مرافق الحُزم الأيونية في أنحاء العالم. ويمكن للعلماء المهتمين من الدول الأخرى الأعضاء في الوكالة الاستفادة من المعهد، بما في ذلك مرفق الحُزم الأيونية المزدوجة الجديد.

النهوض ببحوث الاندماج النووي

في جهاز الاندماج، يتمُّ تسخين النوى إلى درجات حرارة عالية للغاية ما يؤدي إلى اندماجها وإطلاق الطاقة. وقال ريدكاس إنَّ الباحثين في جميع أنحاء العالم أحرزوا مؤخراً تقدّماً مذهلاً في فيزياء الاندماج وفيزياء البلازما. وفي الوقت الحاضر تُجرى بحوث الاندماج النووي وفيزياء البلازما الخاضعة للرقابة في أكثر من ٥٠ بلداً لإثبات الجدوى العلمية للاندماج النووي كمصدر للطاقة.

وقال ريدكاس: "تُجرى تجارب معقّدة وتُطلق مبادرات حول العالم في مجال فيزياء البلازما".  "لكن الأسئلة المهمة ما زالت مفتوحة. وعلى سبيل المثال: كيف لنا أن نعرفَ أنّ المواد ستكون قوية بما يكفي لتحمُّل تفاعل الاندماج بعد أعوام وأعوام من التعرُّض؟ "

يمكن لتكنولوجيا مثل مرفق الحُزم الأيونية المزدوجة في كرواتيا محاكاة ظروف مماثلة - بما في ذلك نواتج التحويل والتلف الناجم عن النيوترونات عالية الطاقة وجُسيمات ألفا التي تأتي من الاندماج - والتي تتعرَّض لها المادة في المفاعلات الاندماجية.

وقال ريدكاس: "باختيار القياسات الصحيحة، والتحكُّم الصحيح في درجة الحرارة، وحُزمتين أيونيَّتين متزامنتين - وبالتالي، الحُزم المزدوجة - تصيبان المادّة، فإننا نخلق محاكاةً للواقع حيث يمكننا الحصول على مؤشر عن كيفية تفاعُل المواد الإنشائية مع قوة الاندماج". "وبهذه الطريقة، يمكننا اختبار أيّ المواد يمكنها أن تصمدَ، وكم ستصمد".

ويتم توجيه الحزمتين نحو عينة فولاذية - المادة المستخدمة عادةً في المفاعلات الاندماجية بسبب متانتها - لمحاكاة كيفية تفاعُل بلازما الاندماج مع هذه المادة وتعديلها. وهذا التفاعل النووي، بالإضافة إلى احتمال إتلاف البنية البلورية للمادة، ينجم عنه نواتج غاز التحويل مثل الهليوم والهيدروجين. وقد يقود ذلك إلى تشكُّل فقاعات داخل الفولاذ، مما قد يؤدي إلى تضخُّم المادة. وبمعرفة كيف ومتى تحدث مثل هذه التفاعلات، يمكن للعلماء تكييف المواد لمواجهة هذه الآثار غير المرغوب فيها.

وكانت الوكالة والمنظمة الدولية لطاقة الاندماج المعنية بالمفاعل التجريبي الحراري النووي الدولي قد اتفقتا الشهر الفائت على تعزيز تعاونهما في مجال بحوث الاندماج النووي والأنشطة ذات الصلة بهدف تحقيق إنتاج الطاقة الاندماجية على مستوى الصناعة ومحطات القوى النووية في الأجل الطويل. والمفاعل التجريبي الحراري النووي الدولي (ITER) هو مفاعل تجريبي دولي قيد التشييد في فرنسا، وهو يمثّل أحد أكثر تجارب الاندماج النووي تقدُّماً وأحد أكبرها في العالم. وفي موازاة ذلك، ستعمل مرافق الحُزم المزدوجة مثل المرفق الموجود في معهد رودر بوكوفيتش، أو مبادرة DONES الجديدة التي يقودها الاتحاد الأوروبي في إسبانيا، وهو مصدر نيوتروني مخصَّص للاندماج، على تعزيز البحوث في اختبار المواد.

he-ion-source-1140x640_0.jpg

تم تركيب مرفق المصادر الأيونية والحُزم المزدوجة He Ion Source & DiFU Dual-Beam Facility في معهد رودر بوكوفيتش بدعم من الوكالة. (الصورة من: الوكالة الدولية للطاقة الذرية)

Advancing fusion research

In a fusion device, the nuclei are heated to extremely high temperatures to cause them to fuse and release energy. Researchers worldwide have made impressive progress in fusion and plasma physics lately, Ridikas said. Controlled nuclear fusion and plasma physics research is currently carried out in more than 50 countries to prove the scientific feasibility of fusion as an energy source.

“Complex experiments and initiatives are taking place around the world on plasma physics,” Ridikas said.  “But important questions are still open. For example: how can we know that materials will be strong enough to withstand a fusion reaction after years and years of exposure?”

Technology like the dual-beam ion facility in Croatia can simulate similar circumstances — including the transmutation products and damage produced by high-energy neutrons and alpha particles that come from fusion — that a material would be exposed to in a fusion reactor.

“With the right measurements, right temperature control, and two simultaneous ion beams — hence, dual beam — hitting the material, we are creating a simulated reality where we can get an indication of how the structural material will react to the force of fusion,” Ridikas said. “This way, we can test which material holds up and for how long.”

The two beams are directed at a steel sample — the material typically used for fusion reactors due to its robustness — to simulate how fusion plasma could interact with and modify this material. This nuclear interaction, in addition to possibly damaging the crystal structure of the material, creates transmutation gas products such as helium and hydrogen. This might lead to the formation of bubbles inside the steel, which can cause the material to swell. Knowing how and when these reactions occur, scientists can adapt the material to counteract these unwanted effects.

Last month, the IAEA and the ITER International Fusion Energy Organization have agreed to strengthen their cooperation in nuclear fusion research and related activities with the long-term goal of realizing fusion energy production on an industrial, power-plant scale. ITER is an international experimental reactor under construction in France, and one of the most advanced and largest fusion experiments in the world. In parallel, dual-beam facilities like the one installed at the Ruđer Bošković Institute, or the new EU-led DONES initiative in Spain, a fusion-dedicated neutron source, will advance research in materials testing.

he-ion-source-1140x640_0.jpg

The 'He Ion Source and DiFU Dual-Beam Facility' was installed with IAEA support in Croatia’s Ruđer Bošković Institute. (Photo: IAEA)