هل يمكن لمفاعل توكاماك الفائق الموصلية أن يحل مشكلة التلوث البيئي باستخدام طاقة الاندماج؟

إن تقنية التوكاماك، وهي تقنية فائقة التوصيل، تعمل على تسريع تسويق طاقة الاندماج النووي. ولكن هل يمكن أن تكون هذه التقنية هي الحل لمشاكل التلوث التي نعاني منها؟

لقد تعرضت عملية توليد الطاقة من الوقود الأحفوري لانتقادات شديدة بسبب انبعاثها المفرط لثاني أكسيد الكربون، والذي تسبب في ظاهرة الاحتباس الحراري وتسارع ظاهرة الاحتباس الحراري العالمي. وكحل لهذه المشكلة، يجري البحث بنشاط عن مصادر الطاقة المتجددة التي لا تلوث البيئة. ومن بين هذه المصادر طاقة الاندماج النووي. يحدث الاندماج النووي عندما تتحد نواتان ذريتان أو أكثر لتكوين نواة جديدة. وتطلق هذه العملية كمية كبيرة من الطاقة بسبب فقدان الكتلة، وهو ما يسمى "طاقة الاندماج".
تعد الشمس مثالًا رئيسيًا للمصدر الذي يستخدم هذه العملية لإنتاج كميات هائلة من الطاقة. تستخدم الشمس درجات حرارة عالية وضغوطًا عالية لتوليد الطاقة عن طريق دمج نوى الهيدروجين معًا. هذه الطاقة هائلة جدًا لدرجة أنها تكفي لتشغيل عملية التمثيل الضوئي في النباتات والحفاظ على دفء العديد من الكائنات الحية على الأرض. لقد ألهمت هذه الأعجوبة الطبيعية البشر، وعملنا جاهدين لتكرار مصدر الطاقة نفسه على الأرض.
يتطلب استخدام طاقة الاندماج النووي ظروفًا شديدة الحرارة والضغط. ولتحقيق هذه الشروط، هناك حاجة إلى سفن وتقنيات متخصصة. من السهل أن نفكر في الأمر على أنه وعاء لـ "شمس اصطناعية". لذلك قام العلماء بتطوير نوع جديد من السفن يسمى توكاماك.
يبدو التوكاماك للوهلة الأولى وكأنه دونات، ولكن في الداخل تخضع ذرات الهيدروجين لتفاعل اندماج نووي لإنشاء شمس اصطناعية. كيف يتم الحفاظ على ظروف درجات الحرارة العالية للغاية والضغط العالي للغاية التي تخلقها مخفية في شكلها الدائري. يحتوي التوكاماك على أسلاك حلزونية الشكل تحيط بشكل الدونات، وعندما يتم تطبيق الكهرباء على تلك الأسلاك، يتشكل مجال مغناطيسي داخل الحلزون - شكل التوكاماك - مما يرفع درجة الحرارة والضغط داخل التوكاماك ويحبس الشمس الاصطناعية داخل المجال المغناطيسي. ومع ذلك، ليس من الممكن إنشاء درجات حرارة وضغوط عالية للغاية باستخدام أسلاك عادية، مثل سلك النحاس البسيط، لأن مقاومة السلك نفسه والحرارة التي يولدها تجعل من المستحيل على التوكاماك أن يعمل إذا كان يتدفق منه كمية زائدة من الكهرباء. للتعويض عن ذلك، نحتاج إلى استخدام أسلاك مصنوعة من مادة خاصة ليس لها مقاومة وبالتالي لا تولد حرارة. هذا هو مفتاح التوكاماك.
هل توجد مواد ليس لها مقاومة؟ نعم، إنهم موجودون. بالطبع، فقط في ظل ظروف خاصة، ولكن هناك مواد ليس لها مقاومة: "الموصلات الفائقة". الموصل الفائق هو مادة تنخفض مقاومتها إلى الصفر في مرحلة ما عند درجة حرارة منخفضة جدًا، مثل درجات الحرارة المبردة. من أجل استخدام أسلاك فائقة التوصيل، يقوم توكاماك بتدفق الهيليوم السائل، الذي تبلغ درجة حرارته 269 درجة مئوية تحت الصفر، حول الأسلاك. الغرض من هذا الهيليوم السائل هو الحفاظ على درجة حرارة الموصل الفائق عند درجات الحرارة المبردة.
فلماذا تكون مقاومة الموصل الفائق صفرًا عند درجات الحرارة المبردة؟ والسبب هو أنه عندما تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من نقطة معينة، تقترن الإلكترونات وتظهر سلوكًا غير مرئي في درجة حرارة الغرفة. وتسمى هذه النقطة "درجة الحرارة الحرجة" وتسمى الأزواج "أزواج كوبر". كهربائيًا، عندما يمر إلكترون سالب الشحنة عبر شبكة من الإلكترونات موجبة الشحنة، يؤدي الجذب الكهروستاتيكي إلى ميل الشبكة قليلًا في اتجاه مسار الإلكترون. سيتأثر الإلكترون الذي يليه بالشحنة الموجبة أكثر من الإلكترون الذي يمر قبله. في هذه العملية، يشكل إلكترونين زوجًا.
عندما يشكل إلكترونين زوج كوبر ويتصرفان كجسيم واحد، فإنهما يصبحان "موجهين". في السابق، كانت الإلكترونات الفردية "متماثلة" وليست "اتجاهية" لأنها تتحرك جميعًا في اتجاهات مختلفة، ولكن بعد تكوين زوج كوبر، أصبحت جميع أزواج كوبر لديها خاصية الرغبة في التدفق في اتجاه واحد، لذا تتصرف جميع الإلكترونات كما لو كانت لقد كانوا كتلة واحدة. سوف تستمر أزواج كوبر الموجهة نفسها في التدفق حتى لو واجهت أي عوائق، مما يعني التخلص من المقاومة الكهربائية تمامًا. لهذا السبب، عند درجات حرارة أقل من درجة الحرارة الحرجة، يتم التخلص من المقاومة، مما يسمح بتدفق كهرباء أقوى.
لقد رأينا حتى الآن كيف تشكل الموصلات الفائقة عنصرًا أساسيًا في طاقة الاندماج النووي. وفي غضون بضعة عقود من الزمن، عندما يتم تطوير الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة الحرجة الأعلى وتصبح تكنولوجيا الموصلات الفائقة أكثر تقدماً، فسوف يتم تسويق طاقة الاندماج النووي تجارياً، وسوف يتمكن الناس في مختلف أنحاء العالم من الاستمتاع بفوائد الطاقة النظيفة والمتجددة من دون تلويث البيئة. وتلعب العديد من المشاريع البحثية الجارية أيضًا دورًا مهمًا في تحقيق هذه الرؤية. وسوف تمهد هذه التطورات التكنولوجية الطريق لبيئة أفضل وطاقة مستدامة للأجيال القادمة.