محطة توليد الطاقة التجريبية

يشير مصطلح DEMO ، أو محطة الطاقة التجريبية (ويُكتب أحيانًا DEMOnstration power plant )، إلى فئة مقترحة من مفاعلات الاندماج النووي التجريبية التي تهدف إلى إثبات الإنتاج الصافي للطاقة الكهربائية من الاندماج النووي. لدى معظم شركاء مشروع ITER خطط لإنشاء مفاعلات من فئة DEMO خاصة بهم. وباستثناء الاتحاد الأوروبي واليابان على الأرجح، لا توجد خطط للتعاون الدولي كما كان الحال مع مشروع ITER. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تهدف خطط مفاعلات فئة DEMO إلى البناء على مفاعل الاندماج النووي التجريبي ITER. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

يُعد تصميم مفاعل الاتحاد الأوروبي (EU) من أشهر تصاميم مفاعلات فئة DEMO وأكثرها توثيقًا. وقد استُخدمت المعايير التالية كأساس لدراسات التصميم: يجب أن يُنتج مفاعل الاتحاد الأوروبي التجريبي (EU DEMO) ما لا يقل عن 2000 ميغاواط (2 غيغاواط ) من طاقة الاندماج بشكل مستمر، وأن يُنتج طاقةً تعادل 25 ضعف الطاقة اللازمة لتحقيق نقطة التعادل العلمي، وهذا لا يشمل الطاقة اللازمة لتشغيل المفاعل. سيكون تصميم مفاعل الاتحاد الأوروبي التجريبي (EU DEMO) بقدرة إنتاج حراري تتراوح بين 2 و4 غيغاواط على نطاق محطة توليد طاقة كهربائية حديثة . ^{[ 5 ]} ومع ذلك، تبلغ القيمة الاسمية لتوربين البخار 790 ميغاواط، والتي، بعد التغلب على نسبة فقد تبلغ 5% نتيجةً لربط التوربين بالمولد التزامني، ينتج عنها قيمة اسمية لإنتاج الطاقة الكهربائية تبلغ حوالي 750 ميغاواط. ^{[ 6 ] :5}

لتحقيق أهدافها، إذا تم استخدام تصميم توكاماك تقليدي ، يجب أن يكون للمفاعل التجريبي أبعاد خطية أكبر بنحو 15% من مفاعل ITER، وكثافة بلازما أكبر بنحو 30% من مفاعل ITER. ووفقًا للجدول الزمني الصادر عن مشروع EUROfusion ، من المخطط أن يبدأ التشغيل في عام 2051. ^{[ 7 ]}

تشير التقديرات إلى إمكانية بناء مفاعلات اندماج نووي تجارية لاحقة بتكلفة تُقارب ربع تكلفة مفاعل DEMO. ^{[ 8 ] [ 9 ]} مع ذلك، تُشير تجربة ITER إلى أن تطوير دورة ابتكار تكنولوجية قائمة على مفاعلات التوكاماك، بتكلفة مليارات الدولارات الأمريكية، والقادرة على تطوير محطات طاقة اندماجية قادرة على منافسة تقنيات الطاقة غير الاندماجية، من المرجح أن يواجه مشكلة "وادي الموت" في رأس المال الاستثماري ، أي عدم كفاية الاستثمار لتجاوز مرحلة النماذج الأولية، ^{[ 10 ]} حيث ستحتاج مفاعلات التوكاماك الخاصة بمفاعل DEMO إلى تطوير سلاسل إمداد جديدة ^{، [ 11 ]} وتتطلب عمالة كثيفة. ^{[ 12 ]}

أشار التقرير النهائي للجنة المعنية بالخطة الاستراتيجية لأبحاث البلازما المحترقة في الولايات المتحدة، الصادر عن الأكاديميات الوطنية الأمريكية للعلوم والهندسة والطب لعام 2019 ، إلى أن "جهاز DEMO ضخمًا لم يعد يبدو الهدف الأمثل طويل الأجل للبرنامج الأمريكي. فبدلاً من ذلك، تشير الابتكارات العلمية والتكنولوجية، والاهتمام المتزايد بإمكانات مشاريع القطاع الخاص في تطوير مفاهيم وتقنيات طاقة الاندماج، إلى أن المنشآت الأصغر حجمًا والأكثر كفاءة ستجذب مشاركة صناعية أكبر، وتُقلل الوقت والتكلفة اللازمين لتطوير طاقة الاندماج التجارية". ^{[ 13 ]} ويسعى نحو عشرين شركة من القطاع الخاص حاليًا إلى تطوير مفاعلات اندماج خاصة بها ضمن الجدول الزمني لخارطة طريق DEMO. ^{[ 14 ] [ 15 ]} ويبدو أن الولايات المتحدة تعمل على إنشاء محطة أو أكثر من محطات طاقة الاندماج الوطنية من فئة DEMO على أساس تقاسم التكاليف. ^{[ 2 ] [ 16 ] [ 17 ]}

يشير إعلان هيئة الطاقة الذرية البريطانية في 3 أكتوبر 2019 عن مفاعلها الكروي لإنتاج الطاقة (STEP) ^{[ 18 ]} ، المتصل بالشبكة والمقرر تشغيله عام 2040، إلى وجود جهاز يجمع بين مرحلتي DEMO وPROTO، ويبدو أنه مصمم لتجاوز الجدول الزمني لمشروع ITER. ^{[ 19 ]} ويتداخل جدول تشغيل جهاز CFETR الصيني المقترح ، وهو مفاعل لتوليد الطاقة بالجيجاوات ومتصل بالشبكة، مع جدول تشغيل مفاعل DEMO. ^{[ 20 ] [ 21 ]} كما تخطط اليابان لمفاعل DEMO، وهو JA-DEMO، من خلال مفاعلها المطور JT-60 ، ^{[ 22 ] [ 23 ]} وكذلك كوريا الجنوبية (K-DEMO). ^{[ 24 ]}

في نوفمبر 2020، راجعت لجنة خبراء مستقلة تصميمات شركة يوروفيوجن وأعمال البحث والتطوير الخاصة بجهاز DEMO التابع للاتحاد الأوروبي، وأكدت يوروفيوجن أنها تمضي قدماً في الخطوة التالية من خارطة طريقها نحو طاقة الاندماج، وهي التصميم المفاهيمي لجهاز DEMO بالشراكة مع مجتمع الاندماج الأوروبي والصناعة، مقترحةً جهازاً مدعوماً من الاتحاد الأوروبي في مرحلة DEMO يمكن أن يحمل رسمياً اسم DEMO. ^{[ 25 ]}

في يونيو 2021، أعلنت شركة جنرال فيوجن قبولها عرض الحكومة البريطانية لاستضافة أول محطة تجريبية كبيرة في العالم لتقنية الاندماج النووي، وذلك في مركز كولهام لطاقة الاندماج، ضمن شراكة بين القطاعين العام والخاص . سيتم إنشاء المحطة بين عامي 2022 و2025، وتهدف إلى تمهيد الطريق أمام إنشاء محطات تجريبية تجارية في أواخر العقد الحالي. ستعمل المحطة بنسبة 70% من طاقتها الإنتاجية الكاملة، ومن المتوقع أن تصل درجة حرارة البلازما المستقرة فيها إلى 150 مليون درجة مئوية. ^{[ 26 ]}

يعود مفهوم مفاعل DEMO إلى سبعينيات القرن العشرين. ويُظهر رسم بياني من إعداد دبليو إم ستايسي أنه بحلول عام 1979، كانت هناك تصاميم مكتملة لمفاعل DEMO من قبل شركة جنرال أتوميكس ومختبر أوك ريدج الوطني . ^{[ 27 ]}

في اجتماع عُقد في يونيو 1986 بتنظيم من الوكالة الدولية للطاقة الذرية، اتفق المشاركون على التعريف الموجز التالي لمفاعل DEMO: "مفاعل DEMO هو محطة طاقة كهربائية متكاملة تُثبت أن جميع التقنيات اللازمة لمفاعل تجاري نموذجي تعمل بكفاءة كافية لتنمية الثقة اللازمة لتمكين هذه المفاعلات التجارية من منافسة مصادر الطاقة الأخرى. ولا يشترط أن يكون مفاعل DEMO اقتصاديًا بحد ذاته، كما لا يشترط أن يكون بحجم مفاعل كامل الحجم." ^{[ 28 ]}

في العام التالي، أظهرت وثيقة صادرة عن الوكالة الدولية للطاقة الذرية معايير تصميم مفاعل تجريبي في الولايات المتحدة من قِبل مختبر أرغون الوطني، ومفاعل تجريبي في إيطاليا يُدعى FINTOR (مفاعل توكاماك فراسكاتي، إسبرا، نابولي)، ومفاعل تجريبي في كولهام (المملكة المتحدة)، ومفاعل تجريبي أوروبي يُدعى NET (التورس الأوروبي التالي). وكانت أهم معايير NET هي إنتاج طاقة كهربائية صافية تبلغ 628 ميغاواط، وإنتاج طاقة حرارية إجمالية يبلغ 2200 ميغاواط، وهي قريبة من تصميم المفاعل التجريبي الأوروبي الحالي. ^{[ 29 ]}

تأخر الجدول الزمني لمشروع DEMO التابع للاتحاد الأوروبي عدة مرات، نتيجةً لتأخر الجدول الزمني لمشروع ITER. وقد عُرض الجدول الزمني التالي في مؤتمر طاقة الاندماج التابع للوكالة الدولية للطاقة الذرية عام 2004 من قِبل كريستوفر ليويلين سميث : ^{[ 8 ]}

• كان من المقرر الانتهاء من التصميم المفاهيمي في عام 2017
• من المقرر الانتهاء من التصميم الهندسي بحلول عام 2024 (بعد إدخال البيانات من اختبارات ITER DT، والبيانات من IFMIF - وكلاهما تأخر اعتبارًا من عام 2016).)
• من المقرر أن تستمر المرحلة الأولى من البناء من عام 2024 إلى عام 2033
• من المقرر أن تستمر المرحلة الأولى من العملية من عام 2033 إلى عام 2038
• ثم سيتم توسيع المحطة وتحديثها (على سبيل المثال، بتصميم المرحلة الثانية).
• من المقرر أن تبدأ المرحلة الثانية من العملية في عام 2040

في عام 2012، قدمت اتفاقية تطوير الاندماج الأوروبية (EFDA) خارطة طريق لطاقة الاندماج مع خطة توضح اعتماد أنشطة DEMO على ITER و IFMIF. ^{[ 30 ]}

• من المقرر الانتهاء من التصميم المفاهيمي في عام 2020 ^{[ 30 ] : 63}
• اكتمل التصميم الهندسي، وتم اتخاذ قرار البناء في عام 2030.
• البناء من عام 2031 إلى عام 2043
• بدء التشغيل عام 2044، عرض تجريبي لتوليد الكهرباء عام 2048

كان من المقرر تحديث خارطة الطريق هذه لعام 2012 في عامي 2015 و2019. ^{[ 30 ] : 49} تم استبدال EFDA بـ EUROfusion في عام 2013. وتم تحديث خارطة الطريق لاحقًا في عام 2018. ^{[ 31 ]}

• من المقرر الانتهاء من التصميم المفاهيمي قبل عام 2030
• التصميم الهندسي 2030-2040
• بدء الإنشاءات اعتبارًا من عام 2040

وهذا يعني بدء العمليات في وقت ما في خمسينيات القرن الحادي والعشرين.

عندما يندمج الديوتيريوم والتريتيوم ، تتحد النواتان لتشكيل حالة رنين تنقسم بدورها لتشكيل نواة هيليوم ( جسيم ألفا ) ونيوترون عالي الطاقة .

² ₁ H+ ³ ₁ H→ ⁴ ₂ He+ ¹ ₀ n+ 17.6 MeV

سيتم بناء نموذج DEMO بمجرد التوصل إلى تصاميم تحل العديد من مشاكل مفاعلات الاندماج الحالية. وتشمل هذه المشاكل: احتواء وقود البلازما عند درجات حرارة عالية، والحفاظ على كثافة كافية من الأيونات المتفاعلة، والتقاط النيوترونات عالية الطاقة الناتجة عن التفاعل دون صهر جدران المفاعل.

• طاقة التنشيط اللازمة للاندماج النووي كبيرة جدًا نظرًا للتنافر الشديد بين البروتونات في كل نواة، حيث تحمل كلتاهما شحنة موجبة . وللاندماج، يجب أن تكون النوى على بُعد فيمتومتر واحد (1 × 10⁻¹⁵ ^متر ) من بعضها، حيث تسمح تأثيرات النفق الكمومي للنوى الأصلية بالاندماج معًا في حالة رنين. ويكمن المبدأ في تكوين توزيع شبه ماكسويلي للديوترونات والتريتونات عند درجات حرارة عالية جدًا، حيث تخضع النوى الواقعة في ذيل التوزيع الماكسويلي للاندماج، بينما لا تُغير التصادمات المرنة المستمرة بين النوى الأخرى حالة البلازما.
• يتطلب مفاعل DEMO، وهو مفاعل توكاماك ، كلاً من البلازما الكثيفة ودرجات الحرارة العالية لاستمرار تفاعل الاندماج.
• تمنح درجات الحرارة العالية النوى طاقة كافية للتغلب على التنافر الكهروستاتيكي بينها . ويتطلب ذلك درجات حرارة في حدود 100 مليون كلفن ، ويتم تحقيق ذلك باستخدام الطاقة من مصادر مختلفة، بما في ذلك التسخين الأومي (من التيارات الكهربائية المستحثة في البلازما)، والموجات الدقيقة ، وحزم الأيونات ، أو حقن الحزمة المحايدة.
• تنصهر أوعية الاحتواء عند درجات الحرارة هذه، لذلك يجب إبقاء البلازما بعيدًا عن الجدران باستخدام الحصر المغناطيسي .

بمجرد بدء الاندماج النووي، ستتدفق النيوترونات عالية الطاقة، التي تبلغ درجة حرارتها حوالي 160 جيجا كلفن، من البلازما مصحوبةً بأشعة سينية ، دون أن تتأثر بالمجالات المغناطيسية القوية. وبما أن النيوترونات تستمد معظم طاقة الاندماج، فإنها ستكون المصدر الرئيسي للطاقة الحرارية الناتجة عن المفاعل. أما ناتج الهيليوم فائق السخونة، الذي تبلغ درجة حرارته حوالي 40 جيجا كلفن، فسيبقى (مؤقتًا) لتسخين البلازما، ويجب أن يعوض جميع آليات الفقد (معظمها أشعة سينية ناتجة عن تباطؤ الإلكترونات) التي تميل إلى تبريد البلازما بسرعة.

• سيحتوي وعاء احتواء جهاز توكاماك على بطانة تتكون من بلاطات خزفية أو مركبة تحتوي على أنابيب يتدفق فيها معدن الليثيوم السائل الدافئ ، مما يؤدي إلى تبريد البطانة.
• يمتص الليثيوم بسهولة النيوترونات عالية السرعة لتكوين الهيليوم والتريتيوم، ويصبح ساخنًا في هذه العملية.
• تنتقل هذه الزيادة في درجة الحرارة إلى سائل تبريد وسيط، ربما يكون ماءً سائلاً مضغوطاً في أنبوب مغلق ومضغوط. يتفاعل الليثيوم (خاصةً عندما يكون منصهراً) بشدة مع الماء، وحتى مع رطوبة الهواء، ورطوبة المواد الأخرى، مُطلقاً غاز الهيدروجين الذي قد يشتعل بشكل انفجاري.
• سيتم استخدام الحرارة الناتجة عن سائل التبريد الوسيط لغلي الماء في مبادل حراري .
• سيتم استخدام البخار الناتج من المبادل الحراري لتشغيل التوربينات والمولدات، لتوليد التيار الكهربائي .
• يتم التخلص من طاقة الحرارة المهدرة التي تتجاوز الطاقة الكهربائية المولدة في البيئة.
• إن منتج الهيليوم الثانوي هو "رماد" هذا الاندماج، ولن يُسمح له بالتراكم بشكل كبير في البلازما.
• تُضاف كميات مُقاسة بعناية من الديوتيريوم والتريتيوم مرة أخرى إلى البلازما ويتم تسخينها.
• تُعالج مادة الليثيوم لإزالة الهيليوم والتريتيوم، ويُعاد تدوير المتبقي منها لجمع المزيد من الحرارة والنيوترونات. ولا يُستهلك سوى كمية ضئيلة من الليثيوم.

يهدف مشروع DEMO إلى البناء على مفاهيم مشروع ITER وتطويرها. ونظرًا لكونه مشروعًا مقترحًا فقط في الوقت الحالي، فإن العديد من التفاصيل، بما في ذلك طرق التسخين وطريقة التقاط النيوترونات عالية الطاقة، لا تزال غير محددة. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

نُوقشت جميع جوانب مشروع DEMO بالتفصيل في وثيقة صادرة عام 2009 عن جمعية يوراتوم-هيئة الطاقة الذرية البريطانية للاندماج النووي. ^{[ 35 ]} دُرست أربعة تصاميم مفاهيمية (PPCS A، B، C، D). وشملت التحديات التي تم تحديدها ما يلي: ^{[ 35 ]}

• مواد هيكلية مقاومة لتدفق النيوترونات العالي
• الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية ، لتجنب الحاجة إلى كميات كبيرة من الهيليوم للتبريد ، الأمر الذي من شأنه أن يتحدى احتياطيات الهيليوم العالمية
• الحاجة إلى كفاءة عالية في أنظمة التدفئة وتوليد التيار الكهربائي.

في الجدول الزمني لعام 2012، من المفترض أن يكتمل التصميم المفاهيمي في عام 2020.

على الرغم من أن مفاعلات الاندماج النووي مثل ITER وDEMO لا تُنتج نفايات من العناصر العابرة لليورانيوم أو نواتج الانشطار ، والتي تُشكل مجتمعةً الجزء الأكبر من النفايات النووية الناتجة عن مفاعلات الانشطار ، إلا أن بعض مكونات مفاعلي ITER وDEMO ستصبح مشعةً نتيجةً لاصطدام النيوترونات بها . ويُؤمل تطوير مواد مُواجهة للبلازما بحيث يكون للنفايات المُنتجة بهذه الطريقة عمر نصف أقصر بكثير من نفايات مفاعلات الانشطار، بحيث تبقى النفايات ضارةً لأقل من قرن. ^{[ 36 ]} ويُعد تطوير هذه المواد الهدف الرئيسي للمرفق الدولي لتشعيع مواد الاندماج النووي . وتترافق عملية تصنيع التريتيوم حاليًا مع إنتاج نفايات طويلة العمر. ومع ذلك، في حين أن التريتيوم في المرحلة المبكرة من ITER سيأتي بشكل رئيسي من التشغيل الحالي لمفاعلات الانشطار CANDU بالماء الثقيل، ^{[ 37 ]} يجب أن يكون ITER في المرحلة المتأخرة (إلى حد ما) وDEMO قادرين على إنتاج التريتيوم الخاص بهما بفضل توليد التريتيوم ، ^{[ 38 ]} والاستغناء عن مفاعل الانشطار المستخدم حاليًا لهذا الغرض.

كان مشروع PROTO مقترحًا لتجربة تتجاوز مشروع DEMO، وهو جزء من استراتيجية المفوضية الأوروبية طويلة الأجل لأبحاث طاقة الاندماج. وكان من المفترض أن يعمل PROTO كمحطة طاقة نموذجية، تستوعب أي تحسينات تكنولوجية متبقية، وتُظهر إمكانية توليد الكهرباء على أساس تجاري. وكان من المتوقع أن يُنفذ بعد مشروع DEMO، أي بعد عام 2050، ومن المرجح ألا يكون الجزء الثاني من تجربة DEMO/PROTO، إذ لم يعد يظهر في الوثائق الرسمية.

• مفاعل الاختبار الهندسي للاندماج الصيني
• عملية كولكس
• ITER
• نموذج أولي
• توكاماك كروي لإنتاج الطاقة