ميغما

ميغما ، أو ميغما ترون أو ميغما سيل ، هو مفاعل اندماج نووي مقترح ذو حزم متصادمة، صممه بوغدان ماغليتش عام 1969. ^{[ 1 ]} يستخدم ميغما حزمًا متقاطعة ذاتيًا من الأيونات من مسرعات جسيمات صغيرة لإجبار الأيونات على الاندماج. أُطلق على أنظمة مماثلة تستخدم مجموعات أكبر من الجسيمات، تصل إلى حجم الغبار المجهري، اسم " ماكرونات ". كان ميغما مجالًا لبعض الأبحاث في سبعينيات وأوائل ثمانينيات القرن الماضي، لكن نقص التمويل حال دون تطويره بشكل أكبر.

يحدث الاندماج النووي عندما تقترب الذرات من بعضها البعض، فتجذب القوة النووية القوية أنويتها معًا. ويعاكس هذه العملية كون جميع الأنوية مشحونة بشحنة موجبة، مما يؤدي إلى تنافرها بفعل القوة الكهروستاتيكية . ولكي يحدث الاندماج، يجب أن تمتلك الأنوية طاقة كافية للتغلب على حاجز كولوم . ينخفض ​​هذا الحاجز بالنسبة للذرات ذات الشحنة الموجبة الأقل، أي تلك التي تحتوي على أقل عدد من البروتونات ، بينما تزداد القوة النووية القوية مع زيادة عدد النيوكليونات، أي العدد الإجمالي للبروتونات والنيوترونات. وهذا يعني أن مزيج الديوتيريوم والتريتيوم يمتلك أدنى حاجز كولوم ، عند حوالي 100 كيلو إلكترون فولت (انظر متطلبات الاندماج ). 

عند تسخين الوقود إلى طاقات عالية، تنفصل الإلكترونات عن النوى، التي تبقى على شكل أيونات في بلازما شبيهة بالغاز . تتوزع أي جسيمات في الغاز على نطاق واسع من الطاقات ضمن طيف يُعرف بتوزيع ماكسويل-بولتزمان . عند أي درجة حرارة معينة، تكون غالبية الجسيمات عند طاقات منخفضة، مع وجود "ذيل طويل" يحتوي على أعداد أقل من الجسيمات عند طاقات أعلى بكثير. لذا، في حين أن 100 كيلو إلكترون فولت تمثل درجة حرارة تزيد عن مليار درجة، فإنه لإنتاج أحداث الاندماج، لا يلزم تسخين الوقود إلى هذه الدرجة ككل. حتى عند درجة حرارة أقل بكثير، قد يكون معدل الاندماج بين جسيمات الذيل الطويل مرتفعًا بما يكفي لتوفير طاقة مفيدة طالما تم حصرها لفترة زمنية معينة تتيح لها فرصة الالتقاء. كما أن زيادة الكثافة تزيد من المعدل، حيث أن الطاقة الناتجة عن التفاعلات ستسخن الوقود المحيط وقد تحفز الاندماج فيه أيضًا. يُعرف الجمع بين درجة الحرارة والكثافة ووقت الحصر بمعيار لوسون .

ظهر نهجان رئيسيان لمعالجة مشكلة طاقة الاندماج النووي . في نهج الحصر بالقصور الذاتي، يُضغط الوقود بسرعة فائقة إلى كثافات عالية للغاية، مما يزيد من درجة حرارته الداخلية. لا يُبذل أي جهد للحفاظ على هذه الظروف لفترة زمنية محددة، إذ ينفجر الوقود للخارج بمجرد زوال الضغط. مدة الحصر في حدود النانوثانية، لذا يجب أن تكون درجات الحرارة والكثافة مرتفعة للغاية حتى يحدث اندماج نووي في كمية ملحوظة من الوقود. وقد نجح هذا النهج في إنتاج تفاعلات الاندماج، ولكن حتى الآن، تتطلب الأجهزة التي توفر الضغط، والتي عادةً ما تكون ليزرات ، طاقة أكبر مما تنتجه التفاعلات.

في نهج الحصر المغناطيسي ، الأكثر دراسة ، يُحصر البلازما المشحونة كهربائيًا باستخدام مجالات مغناطيسية. يُسخّن الوقود ببطء حتى يبدأ جزء منه في ذيل توزيع درجة الحرارة بالخضوع لعملية الاندماج. عند درجات الحرارة والكثافات الممكنة باستخدام المغناطيس، تكون عملية الاندماج بطيئة نسبيًا، لذا يتطلب هذا النهج فترات حصر طويلة تصل إلى عشرات الثواني، أو حتى دقائق. وقد ثبتت صعوبة حصر الغاز عند ملايين الدرجات لهذا النطاق الزمني، على الرغم من أن الأجهزة التجريبية الحديثة تقترب من الظروف اللازمة لإنتاج طاقة صافية.

لقد تجنبت طريقة الحزمة المتصادمة مشكلة تسخين كتلة الوقود إلى درجات الحرارة هذه عن طريق تسريع الأيونات مباشرة في مسرع الجسيمات .

أبسط طريقة لإنشاء نظام كهذا هي استخدام مُسرّعين وتوجيههما نحو بعضهما. مع ذلك، فإن احتمال تصادم أيونين ضئيل للغاية؛ إذ ستطير معظم الأيونات متجاوزةً بعضها، ما يؤدي إلى فقدان الطاقة المُستثمرة فيها. ولجعل هذا النظام عمليًا من حيث الطاقة، يجب إعادة تدوير الجسيمات لزيادة فرص تصادمها. إحدى طرق تحقيق ذلك هي استخدام حلقة تخزين ، لكن الأيونات التي تقترب من التفاعل تتشتت بزوايا حادة تجعلها تخرج من الحلقة. وقد أظهرت حسابات رياضية بسيطة أن هذا النهج غير مُجدٍ؛ إذ إن معدل الفقد الناتج عن هذه التصادمات الوشيكة سيكون دائمًا أعلى بكثير من الطاقة المُكتسبة من تفاعلات الاندماج. ^{[ 2 ]}

عدّل ماغليتش مفهومه بناءً على مفهوم جديد لتخزين الجسيمات شارك في ابتكاره، يُعرف باسم "بريسترون". في مفهوم حلقة التخزين التقليدية، تُطلق الجسيمات إلى داخل الحلقة "من طرفها" بطاقة محددة بحيث تتبع مسار الحلقة. على النقيض من ذلك، في البريسترون، تكون منطقة التخزين عبارة عن مرآة مغناطيسية . في معظم ترتيبات المرايا المغناطيسية، تكون طاقة الجسيمات المتوسطة منخفضة نسبيًا، وتكون مدارات الأيونات والإلكترونات صغيرة نسبيًا حول خطوط القوة المغناطيسية، أصغر بكثير في نصف القطر من قطر المرآة ككل. في البريسترون، تمتلك الأيونات طاقات أعلى بكثير، وبالتالي مدارات أكبر بكثير، تشغل جزءًا كبيرًا من قطر المرآة، حوالي ثلث إلى نصف قطرها . في هذا الترتيب، تميل الأيونات إلى التحرك نحو مركز حجم المرآة، بدلًا من الانعكاس ذهابًا وإيابًا بين الطرفين كما هو الحال في إعداد المرآة الكلاسيكي. ^{[ 3 ]}

بالإضافة إلى ذلك، ونظرًا لتوزيع المجالات، حيث يكون المجال أقوى في الجزء الخارجي من الحجم، فإن مدارات الأيونات ستدور حول المنطقة الداخلية. وهذا ما يُسبب تحرك مركز دوران المسار الدائري. على سبيل المثال، إذا تم إطلاق الجسيم في البداية إلى منطقة التخزين بحيث يدور حول النصف السفلي من منطقة المرآة، فسيتحرك ببطء بحيث يكون مداره على جانب واحد، ثم في الأعلى، ثم على الجانب الآخر، ثم في الأسفل مرة أخرى. إذا تتبعنا مسار أيون واحد بمرور الوقت، فإنه يُشكل نمطًا مشابهًا لنمط الرسم الحلزوني ، مما يُنشئ سلسلة من الدوائر التي تملأ الحجم. ^{[ 4 ]}

يكمن مفتاح استخدام هذا المفهوم في نظام ميغما في إطلاق الأيونات إلى الحجرة بالطاقة المناسبة بحيث تمر مساراتها عبر المركز الهندسي للمرآة. بعد فترة وجيزة، يدور هذا المدار مبتعدًا عن نقطة الدخول الأولية. وعند إطلاق أيون آخر، فإنه يشغل المدار الأصلي. بمرور الوقت، تمتلئ الحجرة بالأيونات التي تدور ضمن ما يُشبه عددًا لا نهائيًا من حلقات التخزين المتقاطعة جميعها في المركز. ولأنها تلتقي في المركز، فإن الأيونات الموجودة على جانبي الحجرة تتحرك في اتجاهين متعاكسين عند التقائها، لذا يُنتج مُسرِّع واحد تأثيرًا مشابهًا لتأثير مُسرِّعين في التصميم التقليدي. ^{[ 4 ]}

تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لهذا النهج في أن التشتت الأمامي للأيونات في التفاعلات "المفقودة" سيؤدي ببساطة إلى نقلها إلى مدار مختلف، لكن حركتها الطبيعية في مجال المرآة ستعيدها بسرعة إلى المركز. فقط الأيونات التي تشتتت بزاوية كبيرة خارج المحور هي التي ستفلت. ونتيجة لذلك، كان من المتوقع أن يستغرق أي أيون معين حوالي 10⁸ ^دورة عبر منطقة التفاعل قبل أن يتشتت خارج النظام. ^{[ 5 ]} تم اختيار مصطلح "ميغما"، المشتق من الكلمة اليونانية التي تعني "مزيج"، لتمييز هذه الكتلة من الأيونات المدارية عن البلازما في الأجهزة التقليدية. ^{[ 2 ]}

تم بناء سلسلة من أربعة مفاعلات ميغما؛ ميغما الأصلي (ميغما 1 لاحقًا) عام 1973، وميغما 2 عام 1975، وميغما 3 عام 1976، وصولًا إلى ميغما 4 عام 1982. ^{[ 6 ]} كانت هذه الأجهزة صغيرة نسبيًا، إذ لم يتجاوز طولها بضعة أمتار على طول خط شعاع المُسرِّع، مع حجرة هدف قرصية الشكل يبلغ قطرها حوالي مترين (6 أقدام و7 بوصات) وسُمكها مترًا واحدًا (3 أقدام و3 بوصات) . استخدمت أجهزة اختبار ميغما مُسرِّعات طاقة تتراوح بين 1 ميغا إلكترون فولت ^{[ 7 ]} و2 ميغا إلكترون فولت. ^{[ 2 ]}      

استهدفت تصاميم ميغما استخدام وقود غير نيوتروني ، ولا سيما تفاعل الديوتيريوم-الهيليوم-3، الذي يتطلب درجات حرارة أعلى بكثير للاشتعال مقارنةً بتفاعل الديوتيريوم-التريتيوم التقليدي. تمكن ميغما 2 من الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة، حوالي 15  مليار  درجة، في عام 1975. ^{[ 6 ]} سجل ميغما 4 رقماً قياسياً في زمن الحصر بلغ 25  ثانية في عام 1982، ^{[ 6 ]} بالإضافة إلى الرقم القياسي لناتج الاندماج الثلاثي (الكثافة × الطاقة - زمن الحصر × متوسط ​​الطاقة) البالغ 4 × ^10¹⁴  كيلو إلكترون  فولت ثانية  سم⁻³ ^، وهو رقم قياسي لم يقترب منه أي توكاماك تقليدي حتى حقق جيت 3 × ^10¹⁴  كيلو إلكترون  فولت ثانية  سم⁻³ في عام ^{1987. [ 6 ]}

لصنع مفاعل ميغما بحجم كافٍ لإنتاج طاقة صافية، يجب زيادة الناتج الثلاثي الذي حققه مفاعل ميغما 4 ما بين 100 و1000 ضعف. ^{[ 6 ]} حاول ماغليتش لفترة من الزمن تأمين تمويل لتصميم لاحق، لكن دون جدوى. ووفقًا لمقال في مجلة "ذا ساينتست" ، فقد انخرط ماغليتش في نقاش حاد مع مختلف وكالات التمويل منذ ثمانينيات القرن الماضي. ^{[ 8 ]}

عندما طُرح تصميم ميغما لأول مرة، تم نمذجته باستخدام تقنيات مسرعات الجسيمات. لم يُولَ اهتمامٌ كافٍ لمعامل بيتا للتصميم، وهو نسبة المجال المغناطيسي إلى ضغط البلازما. في التصاميم التقليدية، كالمرآة التقليدية، يُعدّ معامل بيتا مؤشرًا رئيسيًا للأداء، إذ يُشير إلى قوة المغناطيسات اللازمة لأي كمية معينة من الوقود داخل المفاعل. تتناسب تكلفة المغناطيسات طرديًا مع الطاقة، مما يُعطي تقديرًا تقريبيًا لجدوى المفاعل الاقتصادية. في ميغما، لا توجد بلازما بالمعنى التقليدي، لذا لم يكن من الواضح ما إذا كان هذا الاعتبار ينطبق - طالما تمّت مطابقة المجال مع طاقة الأيونات بحيث تبقى محصورة، فإنّ المتطلبات التقنية تُلبّى. ^{[ 9 ]}

لكن التغذية المستمرة بالأيونات تؤدي إلى مشكلة واضحة، وهي أن حجرة التفاعل ستصبح مشحونة بشحنة موجبة متزايدة. ينتج عن ذلك ضغط خارجي مشابه للضغط الناتج عن البلازما التقليدية وفقًا لقانون الغاز المثالي . في النهاية، سيتغلب هذا الضغط على المجال المغناطيسي، بغض النظر عن طاقة الجسيمات. وللبقاء دون هذا الحد، يجب أن تكون كثافة الجسيمات منخفضة جدًا، حوالي 1/1000 ^من كثافة الجسيمات في تصميم المرآة النموذجي. ^[ 10 ^]

يمكن تعويض هذا التأثير بحقن الإلكترونات بالإضافة إلى الأيونات، بحيث يتم تحييد الحجم الكلي. مع ذلك، يؤدي هذا إلى تأثيرين جديدين يتسببان في فقدان الطاقة من المفاعل. الأول هو أن الإلكترونات ستصطدم عشوائيًا بالأيونات، مما يؤدي إلى تحييدها، أي أنها لم تعد خاضعة للمجال المغناطيسي وتصبح حرة في مغادرة حجرة التفاعل. حتى في حالة عدم حدوث هذا التحييد، فإن الاصطدامات بين الإلكترونات والأيونات ستؤدي إلى إطلاق الإلكترونات للطاقة من خلال كل من إشعاع الكبح وإشعاع السنكروترون . ^{[ 9 ]}

عند كثافة إلكترونية حرجة معينة، ستتجاوز هذه الخسائر كمية الطاقة المُغذّاة للنظام من المُسرّعات. ولمعالجة هذه المشكلة، صُممت الأجهزة للعمل بأعداد إلكترونية منخفضة جدًا، في حدود إلكترون واحد لكل 100 أيون. ^{[ 9 ]} ويؤدي هذا إلى قيد كبير على معايير التشغيل الممكنة للتصميم؛ فإذا كانت أعداد الإلكترونات منخفضة، يجب أن تكون كثافة الوقود منخفضة لتجنب تغلب الشحنة الموجبة على المغناطيسات، ولكن إذا زادت كثافة الإلكترونات للسماح بكثافة وقود أعلى، تبدأ الخسائر في الازدياد بسبب تأثيرات الإلكترونات. ^{[ 9 ]}

لتحسين هذا الرقم، اقتُرح استخدام مُسرِّع ثانٍ لإطلاق الإلكترونات إلى الحجرة أيضًا؛ فإذا التقت الإلكترونات بالأيونات، فإنها ستتعادل، وبالتالي لن تخضع للمجالات المغناطيسية وستغادر الحجرة. يكمن مفتاح نجاح هذه العملية في توجيه الإلكترونات إلى المركز، حيث تتجمع الأيونات الأبطأ التي لم تعد مفيدة. ^{[ 10 ]} كما كان من المقرر جمع الإلكترونات الحرة بواسطة أجهزة داخل حجرة المفاعل. ^{[ 9 ]}

في أواخر التسعينيات، أشارت دراسة شاملة لهذه المسائل إلى أن مفاعل ميغما لم يكن الوحيد الذي يعاني من هذه المشكلة؛ فعند النظر في إشعاع الكبح في الوقود غير المُسخّن، يبدو أنه لا يوجد نظام يعمل بوقود غير نيوتروني قادر على الاقتراب من الاشتعال، وأن أي نظام يستخدم وقودًا غير مُسخّن (بما في ذلك ميغما) يبدو قادرًا على تعويض خسائره. والنهج الوحيد الذي يبدو أنه يمتلك إمكانية نظرية للنجاح هو تفاعل الديوتيريوم-التريتيوم أو ربما تفاعل الديوتريوم-الديوتيريوم في كتلة بلازما مُسخّنة. ^{[ 11 ]}

^{رداً على ذلك، تناول ماغليش في بحثه الرئيسي [ 12 ]} مشكلة معادلة الشحنة الفضائية بواسطة الإلكترونات ، وذلك في مقالته "ميغما المعادلة بمتوسط ​​زمني: حالة فيزيائية هجينة من حزمة/بلازما متصادمة كمصدر طاقة نيوترونية - مراجعة". يشرح ماغليش في هذه المقالة اكتشافه لتذبذب الإلكترونات المستعرض والتحكم فيه بواسطة ألواح متحيزة. ورغم أن هذا وفّر معادلةً للشحنة حتى أعلى كثافة حققها، إلا أن الكثافة كانت محدودةً بعد ذلك بتيار الحقن وكفاءة الاحتجاز، وكلاهما كان منخفضاً. تتناول هذه التقنية، التي نوقشت في "القسم 10: كيف تم تجاوز حد الشحنة الفضائية" من المقالة المذكورة أعلاه، الجانب النظري والتجريبي لطريقة جديدة لمعادلة الشحنة الفضائية. ولعل من المهم عدم تجاهل الإمكانيات التي تحملها هذه التقنية للتقدم المستقبلي في هذا المجال.

نُشرت دراسات أخرى أحدث من قِبل أرفيند جاين ^{[ 13 ]} ودراسة أخرى لنفس المؤلف ^{[ 14 ]} . إضافةً إلى ذلك، توجد شركة حديثة التأسيس تُدعى "21st Century Fusion, Inc." حاصلة على براءتي اختراع أمريكيتين رقم 7,825,601 و7,405,410 ^{[ 15 ]} لنوع جديد من المُسرّعات يتضمن مدارات متقاطعة مع محور ميغما.

• براءة الاختراع رقم 4788024: جهاز وطريقة للحصول على حزمة جسيمات مشحونة ذاتية التصادم تعمل فوق حد الشحنة الفضائية