طاقة الاندماج النووي: سباق أميركي صيني على «صناعة الشمس» (1 من 5)

«توليد الطاقة الكهربائية بالاندماج النووي يصبح جاهزاً عندما يحتاج إليه المجتمع». هذا القول البليغ  لعالم الفيزياء السوفياتي ليف أرتسيموفيتش، يعيد تصويب السؤال ليصبح، بدل هل يمكن، هل حان الوقت لإطلاق طاقة الاندماج النووي النظيفة والآمنة. والتي تفوق طاقة الانشطار النووي بأربعة أضعاف، وطاقة النفط بأربعة ملايين ضعف. وثبت من الناحية العلمية أن حوالي 5 غرامات من الوقود توفر الطاقة التي يستهلكها مواطن أميركي لمدة 60 عاماً.

بانتظار الإجابة على السؤال من قبل الدول والمختبرات والعلماء والشركات، يفتح موقع «طاقة الشرق» على مدى حلقات متتالية ملف “عصر طاقة الاندماج النووي”. الذي ترتسم معالمه على ثلاثة مسارات متشابكة ومتكاملة وهي:

– الجغرافية السياسية للطاقة ومتطلبات مواجهة التغير المناخي. بما يحمله ذلك من تنافس وتعاون بين القوى الكبرى وتحديداً بين الصين وأميركا.

–  الدخول القوي والمتصاعد للقطاع الخاص مجال الاستثمار المكثف في صناعة الاندماج النووي.

–  الإنجازات التكنولوجية المذهلة المتعلقة بأنواع المفاعلات والمواد المستخدمة في بنائها وكذلك في أنواع الوقود ومعايير الأمن والسلامة الخ..

كان مادة للتندر والسخرية

نبدأ بالإشارة إلى أن الاندماج النووي كمصدر للطاقة الكهربائية، كان حتى الأمس القريب مادة للسخرية والتندر. لأن القائمين عليه ظلوا منذ سبعينات القرن الماضي، يرددون سنوياً انه يحتاج إلى حوالي 30 عاماً. ولكن يبدو ان الأمر قد تغير حالياً. وأن تحقيقه بات فعلاً يحتاج إلى بين 10 و 15 سنة. في ضوء «المستوى الحالي من الالتزام الدولي الذي يقربنا أكثر من أي وقت مضى من طاقة الاندماج»، كما يقول  رافائيل ماريانو غروسي المدير العام للوكالة الدولية للطاقة الذرية. وكذلك في ضوء إعلان الرئيس جو بايدن صراحة أن «إدارته تسعى لتحقيق هذا الهدف بحلول العام 2032».

ديسمبر 2022: إنجازان تاريخيان أميركي وصيني بتحقيق الاندماج بدرجة حرارة تفوق حرارة الشمس بخمس مرات

ويمكن الاستدلال على جدية التوجه من خلال سلسلة من التطورات أبرزها ما يلي:

• النتائج التكنولوجية المبهرة، التي يتوالى تحقيقها، وكان آخرها الإنجازين التاريخيين الأميركي والصيني في شهر ديسمبر 2022، بإنتاج كمية من طاقة الاندماج تعادل 3 أضعاف الكمية المستخدمة لتحقيقه. وتحقيق اندماج متواصل لمدة 17.5 دقيقة بدرجة 70 مليون درجة مئوية. أي أكثر بخمس مرات من حرارة لب الشمس.
• طفرة في عدد الدول الدول التي دخلت السباق، وفي عدد ونوعية المفاعلات البحثية. فقد بلغ عدد المفاعلات العاملة تبعاً للوكالة الدولية للطاقة الذرية في نهاية العام 2021 اكثر من 113 مفاعلاً موزعة على 50 دولة.

• فورة في الاستثمارات الخاصة التي قفزت في العام 2021 بنسبة 129 في المئة لتصل إلى حوالي 2.6 مليار دولار، توزعت على 30 شركة من بينها أكثر من 20 شركة أميركية، وليرتفع إجمالي الاستثمارات الخاصة في الاندماج النووي إلى أكثر من 5 مليارات دولار. ويشارك فيها كبريات شركات النفط وصناديق التحوط والتقاعد وشركات مثل غوغل وأمازون، ورجال الاعمال مثل بيل غيتس وجيف بيزوس، وبمشاركة عربية أيضاً من خلال شركة عبد اللطيف جميل السعودية.
• ويبقى التطور الأكثر دلالة هو تحول الاندماج النووي إلى ميدان رئيسي للصراع والتنافس بين الدول الكبرى وتحديداً بين الصين وأميركا، لأنه في حال تحققه قد يغير طبيعة نظام الطاقة العالمي، بما يعنيه ذلك من تبعات على الجغرافية السياسية.

يبدو أن الأمر بات أقرب مما هو متوقع في ظل تقاطع الحاجة المجتمعية مع متطلبات محاربة التغير المناخي، مع الصراع الجيوسياسي العالمي، مع محرك الربح لدى شركات القطاع الخاص.

إقرأ: طاقة الاندماج النووي: فورة استثمارات خاصة تعجل «موسم الحصاد» 

أولا: ما هو الاندماج النووي

يمكن اختصار المفهوم الأساسي للاندماج بأنه اتحاد نواتين ذريتين خفيفتين مثل الهيدروجين لتكوين نواة واحدة أثقل. وينتج عن هذه العملية كمية هائلة من الطاقة. تترافق مع إطلاق مواد جديدة مثل الهيليوم والنيوترونات شديدة الحرارة. وتحدث تفاعلات الاندماج عندما تصبح المواد الملتهبة في حالة تُسمى البلازما، وهي مادة ذات خصائص فريدة تختلف عن الحالة الغازية والسائلة والصلبة.

ولتوضيح الصورة نشير إلى ان الاندماج يتطلب وجود ثلاثة عوامل هي: القرب الذي يهيئ للنوى (جمع نواة) فرصة التصادم، والثاني الضغط للحفاظ على تقارب النوى في حيز ضيق لمدة كافية (تقاس بالنانو ثانية). والثالث هو الحرارة الشديدة لتهيئة فرصة الاندماج وتجاوز التنافر الكهربائي الطبيعي (حاجز كولوم). وليبقى التحدي الكبير هو تحقيق الاشتعال الذاتي المستمر ومنع تبريد البلازما.

محاكاة الاندماج في الشمس

وتتوافر هذه العوامل الثلاثة في الشمس والنجوم عامة. بفضل الجاذبية الهائلة التي تسحب الغاز البارد وتؤمن الضغط اللازم وكذلك الحرارة الكافية التي تقدر بحوالي 10 ـ 15 مليون درجة مئوية. وذلك بهدف الابقاء على الذرات متقاربة وبالتالي انصهار الهيدروجين وإطلاق كتل ضخمة من البلازما المكونة من الهيدروجين والهيليوم، في عملية متكررة لا نهائية. ويقدر العلماء أنه يتم في لب الشمس دمج حوالي 620 مليون طن متري من الهيدروجين كل ثانية.

يستخدم خليط من نوى (جمع نواة) الديوتيريوم والتريتيوم (من نظائر الهيدروجين) كوقود. وينتج عن تصادمها ذرات هيليوم ونيوترونات. (الصورة من وكالة الطاقة الدولية)

هذا في الشمس، أما في الأرض فسعى العلماء منذ ثلاثينات القرن الماضي إلى خلق ظروف مشابهة لحدوث الاندماج. مع ملاحظة ان الجاذبية الهائلة للنجوم تحقق عاملين من ثلاثة، هما القرب والضغط. ما يجعل الاندماج يحدث عند درجة حرارة تتراوح بين 10 و 15 مليون درجة مئوية. وبدون توفر هذه الجاذبية على الأرض يصبح لزاماً التعويض بعاملين؛ الأول زيادة درجة الحرارة لتتجاوز 100 مليون درجة مئوية لإجبار الديوتيريوم والتريتيوم على الإندماج. والثاني زيادة الضغط لاحتواء البلازما والحفاظ على تفاعل الاندماج لمدة طويلة لتحقيق كسب صاف بين الطاقة المنتجة والطاقة المستخدمة لتسخين البلازما.

فورة استثمارات خاصة في 2021، بقيمة 2.6 مليار دولار بمشاركة غيتس وبيزوس والسعودي فادي جميل

تم على مدى العقود الماضية تطوير واختبار العديد من الطرق لاحتواء البلازما بدرجة حرارة مرتفعة من بينها طريقتان رئيسيتان تتركز عليهما الجهود الدولية حالياً هما الحبس المغناطيسي وتستأثر بالجزء الأكبر من المفاعلات العاملة في العالم (77 من اصل 113 مفاعلا) وطريقة الحبس بالقصور الذاتي (الليزر) وهي الأقل إنتشاراً (7 مفاعلات من أصل 113).

ثانياً: طاقة آمنة ورخيصة لملايين السنوات

يتوقع أن تلبي تقنية الاندماج في حال ثبوت جدواها التجارية، احتياجات البشرية من الطاقة الرخيصة والآمنة لملايين السنين. خاصة وان المواد المستخدمة كوقود للاندماج هي الأكثر توفراً والأقل تكلفة. فالديوتيريوم يمكن استخراجه بتكلفة زهيدة من مياه البحر. وهناك حوالي 30 غراماً منه في كل متر مكعب من الماء. وبذلك فإن كل غالون من المياه يعادل حوالي 2500 غالون من البنزين. أما التريتيوم فينتج بشكل طبيعي ولكن بكميات ضئيلة من الأشعة الكونية. كما يمكن تصنيعه من الليثيوم الموجود في القشرة الأرضية (حوالي 30 جزءاً في المليون)،  ويبقى المصدر الأهم والأرخص هو إنتاجه في مفاعلات الانشطار النووي التقليدية.

وقود الاندماج (الديوتيريوم) يستخرج من مياه البحر بتركيز 30 غرام لكل متر مكعب

وتمتاز الطاقة الاندماجية بأنها صديقة للبيئة فلا ينبعث منها ثاني أكسيد الكربون أو أي نوع من غازات الاحتباس الحراري، ولا تنتج نفايات نووية قوية الإشعاع وطويلة العمر. كما تمتاز بالأمان مقارنة بمفاعلات الانشطار التقليدية. لأن انصهار القلب هو مستحيل عملياً. والسبب أنه في حال حدوث أي خلل في عملية التفاعل كتسرب البلازما إلى جدران المفاعل مثلاً، فسيؤدي ذلك إلى فشل عملية التفاعل وتوقفها فوراً .

إقرأ: طاقة الاندماج النووي: أنواع المفاعلات وطرق الاندماج 

لقد بات ثابتاً من الناحية التقنية ان قوة الاندماج توفر مصدراً ثابتاً ومستداما ورخيصاً ونظيفاً للطاقة. إذ أن «الاشتعال الاندماجي هو جوهرة تاج العلوم والتكنولوجيا»، كما نقل عن البروفيسور بنغ شيانجو من الأكاديمية الصينية للفيزياء الهندسية.

ثالثاً: التطورات التكنولوجية والعملية

لتقليل الشرح في المسائل التقنية نشير إلى وجود توافق دولي على خريطة طريق للوصول إلى محطات الاندماج النووي لتوليد الكهرباء. وهي تمر بمرحلتين: الأولى المفاعلات البحثية، والثانية، المفاعلات الإيضاحية “ديمو” DEMO. وهذه الطريق تتضمن مسارين متكاملين ومتنافسين في آن. الأول دولي من خلال مشاريع مشتركة وتعاون. وأبرز المشاريع في هذا المجال هو المفاعل الدولي ITER الذي تستضيفه فرنسا وتشارك فيه 35 دولة. تضم الاتحاد الأوروبي وأميركا والصين وروسيا. وكان مقررا بدء تجارب التشغيل في العام 2018. ولكن تم تأجيل الموعد إلى العام 2025. قبل أن يتم تأجيلها مجددا مطلع العام الحالي. ويهدف المفاعل الذي يبلغ وزنه 23 ألف طن إلى إثبات الجدوى التجارية لتفاعلات الاندماج، ما يسمح بانطلاق مرحلة المفاعلات الإيضاحية.

أما المسار الثاني فهو وطني من خلال مشاريع بحثية تقوم على التنافس والصراع وربما بقدر كبير من السرية في بعض الحالات.

إقرأ:طاقة الاندماج النووي: من يحقق «الضربة الأولى» الصين أم أميركا

يشار هنا إلى فرق رئيسي بين المفاعلات التجريبية أو البحثية غير المصصمة لإنتاج الكهرباء، والمفاعلات الإيضاحية DEMO. التي تتطلب تطوير مواد وتكنولوجيات جديدة لتصميم وتصنيع مكونات مختلفة. من بينها مثلا نقل الطاقة لتوليد الكهرباء. ويلاحظ ان غالبية الدول باستثناء أميركا والصين وإلى حد ما اليابان تتريث في الإنفاق المكثف على المفاعلات الإيضاحية. وذلك بانتظار النتائج المحققة في المفاعل الدولي “أيتر” أو في الدول الأخرى. بما يمكنها من القفز مباشرة إلى مرحلة المفاعلات التجارية. وذلك باستخدام التقنيات والمواد والطرق التي تكون قد تأكدت جدواها.

رابعاً: العامل السياسي والصراع الصيني الأميركي

شكل نظام الطاقة القائم على الطاقة الأحفورية عنصراً أساسياً في رسم الخريطة الجيوسياسية في العالم خلال العقود السبعة الماضية. كما شكلت الهيمنة الأميركية شبه المطلقة على هذه الطاقة من الإنتاج إلى التصنيع مروراً بالنقل وضمان أمن الإمدادات، أحد عناصر تفوقها وسيطرتها. ولكن عصر الجغرافية السياسية للوقود الأحفوري شارف على نهايته، لصالح عصر جديد لا تزال ملامحه تتشكل. والمرجح أن يكون مزيجاً من الطاقة المتجددة بكل أنواعها، والطاقة النووية الانشطارية التقليدية والاندماجية الصاعدة، مع حصة دائمة للوقود الأحفوري.

ومرة ثانية، من يمسك بزمام العصر الجديد للطاقة، يكون قد أمسك بأحد أهم عناصر النظام العالمي الذي يعاد تشكيله حالياً. ومن هنا يمكن فهم الصراع المرير بين أميركا والصين في ميدان الطاقة المتجددة بكل فروعها، ومن بينها الطاقة الاندماجية. وللدلالة على ذلك نستشهد بتقرير للوكالة الدولية للطاقة الذي ذكر بوضوح: «أن تحقيق الصين للاندماج النووي التجاري قبل الولايات المتحدة سيكون له آثار جيوسياسية حاسمة. فمن يتمكن من طرح مفاعل اندماجي تجاري أولاً، سيحظى بقدر كبير من النفوذ». واعتبر التقرير «ان الفوز بسباق المفاعل الاندماجي يعتبر جائزة جيوسياسية ستحدد التحالفات والمنافسة وحتى نتائج الحروب».

وكالة الطاقة الدولية: الفوز بسباق المفاعل الاندماجي جائزة جيوسياسية ستحدد التحالفات والمنافسة وحتى نتائج الحروب

رفع السرية عن عن الأبحاث

وتجلى هذا الصراع “بأبهى” صوره في نهاية العام 2022 فلم تكد أميركا “تفرح” بالإنجاز التاريخي الذي أعلنته في 5 ديسمبر 2022 في مختبر لورانس ليفرمور. والمتعلق بتوليد كمية من الطاقة تعادل 3 أضعاف الطاقة المستخدمة، باستخدام تقنية الليزر لتحقيق الاندماج. حتى ردت الصين بالإعلان في أواخر ديسمبر، ان المفاعل “EAST” الذي تطلق عليه «الشمس الاصطناعية الصينية»، حقق رقماً قياسياً. تمثل بتحقيق الاندماج لمدة 17.5 دقيقة وتسخين البلازما إلى 70 مليون درجة مئوية. أي أكثر بخمس مرات من حرارة لب الشمس.

الملفت، أن الاندماج النووي ظل موضع تعاون وتناغم بين كافة الدول بما فيها الاتحاد السوفياتي عندما لم تكن استخداماته العسكرية والمدنية ضرورية وجدية. ففي العام 1958 تقرر في مؤتمر جنيف الثاني حول الاستخدامات السلمية للطاقة الذرية رفع السرية عن أبحاث الاندماج بمبادرة من الاتحاد السوفيتي وأميركا. وفي العام 1985 تم الاتفاق على التعاون لإنشاء المفاعل الدولي الشهير ITER “إيتر” بناء على اقتراح الزعيم السوفييتي ميخائيل غورباتشوف وموافقة فورية من الرئيس الأميركي رونالد ريغان. ولكن دون أن يعني ذلك مطلقاً إغفال الجانب العسكري من صناعة الاندماج النووي. ومع أن التعاون في مشروع المفاعل الدولي “إيتر” لا يزال قائماً إلا أنه بات خاضعاً لاتجاهات ومعطيات العلاقات السياسية.

 مفاعل EAST أو شمس الصين الاصطناعية                 وزيرة الطاقة الأميركية تعلن إنجاز مختبر لورانس ليفرمور

أوروبا الحائرة

بالنسبة لأوروبا الحائرة في معالجة أزمات الطاقة فيها، فقد بدأت مساراً مستقلاً للحاق بقطار الاندماج النووي. سواء على مستوى الاتحاد الأوروبي من خلال البرنامج الأوروبي للاندماج (EUROfusion). أم على مستوى كل دولة. ويشير تقرير بالغ الأهمية أصدره المعهد الأوروبي للقانون الدولي والعلاقات الدولية في 17 حزيران 2021، إلى «استبعاد استمرار التعاون الدولي بالنظر إلى تفاقم الصراعات السياسية في الساحة العالمية». واعتبر التقرير أن «أوروبا ستعطي الأولوية لبرنامج (EUROfusion)، على حساب المشروع الدولي ITER». وكان مفاجئاً في هذا السياق اعلان بيترو باراباشي الرئيس التنفيذي الجديد للمشروع في يناير 2023، «إن التشغيل التجريبي للمفاعل قد يتأخر عدة أشهر وربما سنوات عن الموعد المعلن في مطلع العام 2025». ويشار هنا إلى  أن «انهيار التعاون العلمي الدولي وتدهور المناخ السياسي، سيكون بمثابة “كابوس” للشركات الخاصة، التي تستثمر بكثافة في صناعة الاندماج. لأنه سيؤدي إلى عودة السرية لأبحاث الاندماج الوطنية»، كما أشار تقرير المعهد الأوروبي.

إقرأ: طاقة الاندماح النووي: «عسكرة» واستخدام مزدوج

ويبدو أن أوروبا التي تحتاج إلى اعتماد “سياسات أقل إيديولوجية” بشأن مصادر الطاقة، تراهن على أن تفاقم التنافس والصراع بين أميركا والصين سيكون في صالحها. لناحية تعزيز التعاون الأوروبي الأميركي في مجال الاندماج النووي.

مزيج الطاقة في 2050

من الخطاً بمكان الظن أن طاقة الاندماج النووي أو غيرها ستكون بديلاً كاملاً عن بقية مصادر الطاقة بما فيها الطاقة الأحفورية طبعاً. في ظل التصاعد الكبير لمعدلات الطلب. ما يستوجب استخدام المصادر المتوفرة وتطوير مصادر جديدة. والمؤكد ان العالم سيكون بحلول العام 2050، أمام مزيج متنوع من مصادر الطاقة. تشمل الطاقة المتجددة (شمسية ورياح وماء، وجوفية)، وكذلك الطاقة النووية بشقيها الانشطاري والاندماجي. وأيضاً الطاقة الشمسية الفضائية. إضافة إلى تطوير مصادر جديدة للوقود مثل الهيدروجين والوقود الحيوي.

مفاعل JET الأوربي نجح بتوليد 59 ميغا غول باستخدام 170 ميكروغرام من الوقود

العامل الحاسم في تقرير أي من المصادر سيكون له الحصة الأكبر،هو نضوج التكنولوجيا والجدوى التجارية أي وجود الأسواق. فهناك تنافس محموم على ذات السوق. فإذا أصبحت طاقة الاندماج رخيصة ومنتشرة في كل مكان، فإن حصة الطاقة الأحفورية ستتقلص. وإذا باتت تقنية احتجاز الكربون مجدية اقتصادياً، فمن البديهي تقلص حصة الهيدروجين الأخضر لصالح الهيدروجين الأزرق المستخرج من الغاز الخ…

يفسر ذلك المهندس الأميركي وأحد مؤلفي تقرير مهم حول خريطة الطريق الأميركية للاندماج النووي صدر عن “الأكاديميات الوطنية للعلوم والهندسة والطب” (NASEM) بقوله: «إذا لم يتم تحقيق الاندماج النووي التجاري بحلول العام 2035، فإن القطار سيفوته وسيبقى خارج مزيج الطاقة العالمي».