مرفق أبحاث طاقة الليزر عالي القدرة

مرفق أبحاث طاقة الليزر عالي القدرة ( HiPER ) هو جهاز تجريبي مقترح للاندماج بالقصور الذاتي (ICF) يعمل بالليزر، ويخضع حاليًا للتصميم الأولي تمهيدًا لإمكانية بنائه في الاتحاد الأوروبي .   ويبدو أن هذا الجهد لم يبدأ بعد.

صُمم جهاز HiPER لدراسة نهج "الإشعال السريع" لتوليد الاندماج النووي ، والذي يستخدم ليزرات أصغر بكثير من تلك المستخدمة في تصميمات الاندماج بالقصور الذاتي التقليدية، ومع ذلك ينتج طاقة اندماجية بنفس القدرة تقريبًا. يوفر هذا النهج " مكسب اندماج " إجماليًا أعلى بكثير من أجهزة مثل مرفق الإشعال الوطني (NIF)، مع خفض تكاليف الإنشاء بنحو عشرة أضعاف. وقد فتح هذا المجال أمام بناء جهاز صغير سريعا بحيث  يصل إلى مرحلة الإشعال قبل مرفق الإشعال الوطني. وقد صُمم كل من HiPER وتصميم جهاز  FIREX الياباني لاستكشاف هذا النهج.

هذا على الرغم من أن  أظهرت الأبحاث التي أُجريت على تقنية الإشعال السريع في أجهزة أصغر حجمًا، مثل ليزر أوميغا في الولايات المتحدة، أزهرت عددًا من المشكلات المتعلقة بهذا التصميم . وبدأ نهج بديل آخر، وهو الإشعال بالصدمة ، في السيطرة على التطوير المستقبلي بدءًا من عام 2012 تقريبًا  ؛ إلا  أن تقنيتي HiPER و FIREX لم تشهدا أي تطوير إضافي منذ ذلك الحين.

لا ينبغي الخلط بين جهاز HiPER وجهاز ICF السابق في اليابان يُعرف باسم "HIPER"، والذي لم يعد يعمل منذ فترة.

 الخلفية 
تستخدم أجهزة الاندماج بالقصور الذاتي (ICF)  هي أجهزة تستخدم "محركات" لتسخين الطبقات الخارجية لـ"هدف" بسرعة لضغطه. الهدف عبارة عن حبيبة كروية صغيرة ت (قطرة) حتوي على بضعة ملليغرامات من وقود الاندماج التي تكون في العادة مزيجًا من الديوتيريوم والتريتيوم ، أي  "DT". تـٌسخن  حرارة الليزر سطح الحبيبة محولةً إياه إلى بلازما ، فينفجر سطحها .  بذلك يندفع الجزء المتبقي من الهدف (قلب القطرة) إلى الداخل بفعل قانون نيوتن الثالث ، فينهار بشدة هائلة إلى نقطة صغيرة ذات كثافة عالية جدًا. كما يُولّد الانفجار السريع موجة صدمية تنتقل نحو مركز الوقود المضغوط. وعندما تصل هذه الموجة إلى مركز الوقود وتلتقي بالصدمة القادمة من الجانب الآخر للهدف، تعمل الطاقة في المركز على تسخين وضغط الحجم الصغير المحيط بها بشكل أكبر. فإذا أمكن رفع درجة حرارة وكثافة ذلك اللب  الصغير  بدرجة كافية، فستحدث تفاعلات الاندماج التي تنتج الهيليوم . يُعرف هذا النهج الآن باسم "اشتعال البقعة الساخنة" لتمييزه عن الأساليب الحديثة الأخرى."How NIF works ", Lawrence Livermore National Laboratory. Retrieved 2 October 2007.

تُطلق تفاعلات الاندماج جسيمات عالية الطاقة، يصطدم بعضها (وخاصة جسيمات ألفا ) بالوقود عالي الكثافة المحيط بها، مما يُبطئ حركتها. يؤدي ذلك إلى تسخين الوقود المحيط، وقد يتسبب في اندماجه أيضًا. في ظل الظروف  المناسبة للوقود المضغوط - كثافة ودرجة حرارة عاليتين بما يكفي - يمكن أن تؤدي عملية التسخين هذه إلى تفاعل متسلسل ، ينتشر فيه الاحتراق من المركز إلى الخارج. تُعرف هذه الحالة باسم "الاشتعال"، والتي قد تؤدي إلى اندماج جزء كبير من الوقود في الهدف، وإطلاق كميات هائلة من الطاقة.Per F. Peterson, Inertial Fusion Energy: A Tutorial on the Technology and Economics , University of California, Berkeley, 1998. Retrieved 7 May 2008.

حتى الآن، استخدمت معظم تجارب الاندماج بالقصور الذاتي أشعة الليزر لتسخين الأهداف. تُظهر الحسابات أنه يجب توصيل الطاقة بسرعة لضغط اللب قبل تفككه، بالإضافة إلى توليد موجة صدمية مناسبة. كما يجب تركيز الطاقة بشكل متساوٍ للغاية على السطح الخارجي للهدف لضغط الوقود وتكوين لب كروي  متناظر. على الرغم من اقتراح بادئات تفاعل أخرى، ولا سيما استخدام الأيونات الثقيلة المُولَّدة في مُسرِّعات الجسيمات بدلا من الليزر ، إلا أن الليزر هو حاليًا الجهاز الوحيد الذي يمتلك الميزات المناسبة .Per F. Peterson, Drivers for Inertial Fusion Energy , University of California, Berkeley, 1998. Retrieved 8 May 2008.

 الوصف 
في حالة هايبر HiPER، فإن نظام الليزر "المحرك" مشابه للأنظمة الموجودة مثل NIF، ولكنه أصغر حجماً وأقل قوة بكثير.

يتألف نظام التشغيل من عدد من "خطوط الحزم الليزر " التي تحتوي على مضخمات ليزر من زجاج النيوديميوم في أحد طرفي المبنى. قبل الإطلاق مباشرةً، يُضخ الزجاج  إلى حالة طاقة عالية باستخدام سلسلة من أنابيب الزينون الومضية ، مما يُحدث انعكاسًا في توزيع ذرات النيوديميوم (Nd) في الزجاج. هذا يُهيئها للتضخيم عبر الانبعاث المحفز عند تغذية خطوط الحزم بكمية صغيرة من ضوء الليزر، المُولّد خارجيًا في ألياف بصرية . لا يُعد الزجاج فعالًا بشكل خاص في نقل الطاقة إلى الحزمة، لذلك وأيضا للحصول على أكبر قدر ممكن من الطاقة، تنعكس الحزمة عبر الزجاج Nd أربع مرات في تجويف عاكس، مكتسبة في كل انعكاس  طاقة أكبر.  عند اكتمال هذه العملية، تقوم " خلية بوكلز " بقطع  الضوء عن التجويف.  إحدى المشكلات التي تواجه مشروع HiPER هي توقف إنتاج زجاج النيوديميوم تجاريًا، لذا يلزم دراسة عدد من الخيارات  الأخرى لضمان توفير ما يُقدر بـ 1300 قرص.

من هناك، يُوجَّه ضوء الليزر إلى مرشح خاص  طويل جدًا لتنقية النبضة الناتجة. يعمل هذا المرشح أساسًا كتلسكوب يُركِّز الشعاع في بقعة على مسافة معينة، حيث تقوم فتحة صغيرة موجودة عند نقطة التركيز بقطع أي ضوء "شارد" ناتج عن عدم تجانس شعاع الليزر. وحين يتسع الشعاع  تعيده عدسة ثانية إلى شعاع مستقيم. إن استخدام المرشحات المكانية الخاصة هو ما يُؤدي إلى خطوط الشعاع الطويلة التي تُرى في أجهزة ليزر الاندماج بالقصور الذاتي (ICF). في حالة جهاز HiPER، تشغل المرشحات حوالي 50% من الطول الإجمالي. يبلغ عرض الشعاع عند مخرج نظام التشغيل حوالي 40 سم × 40 سم.

إحدى المشكلات التي وُوجهت في التجارب السابقة، ولا سيما ليزر شيفا ، هي أن ضوء الأشعة تحت الحمراء الذي توفره ليزرات Nd:glass (عند طول موجة  ~1054 نانومتر  يتفاعل الإلكترون  بقوة مع الإلكترونات المحيطة بالهدف، مما يؤدي إلى فقدان كمية كبيرة من الطاقة التي كانت ستسخّن الهدف . ويتم معالجة هذه المشكلة عادةً باستخدام مُضاعِف التردد الضوئي ، الذي يُمكنه مضاعفة أو رفع  تردد الضوء ثلاث مرات، إلى اللون الأخضر أو فوق البنفسجي على التوالي. تتفاعل هذه الترددات الأعلى بشكل أقل قوة مع الإلكترونات، مما يُوفر طاقة أكبر للهدف. سيستخدم نظام HiPER مُضاعفة التردد ثلاث مرات في وحدات التشغيل.

عند اكتمال عملية التضخيم، يدخل ضوء الليزر إلى حجرة التجارب الواقعة في أحد طرفي المبنى. هناك، ينعكس الضوء عن سلسلة من المرايا القابلة للتشكيل التي تساعد في تصحيح العيوب المتبقية في جبهة الموجة، ثم يُوجّه إلى حجرة الهدف من جميع الزوايا. ولأن المسافات الإجمالية من نهايات خطوط الشعاع إلى نقاط مختلفة على حجرة الهدف تختلف، تُضاف تأخيرات على المسارات الفردية لضمان وصولها جميعًا إلى مركز الحجرة في الوقت نفسه، في غضون حوالي 10 ثوانٍ. البيكوثانية (ps). الهدف، وهو عبارة عن كريات وقود اندماجي تبلغ حوالي 1 يبلغ قطرها مليمترًا في حالة جهاز HiPER، وتقع في مركز الحجرة.

يختلف جهاز HiPER عن معظم أجهزة الاندماج بالقصور الذاتي (ICF) في أنه يتضمن أيضًا مجموعة ثانية من الليزر لتسخين الوقود المضغوط مباشرةً. يجب أن تكون نبضة التسخين قصيرة جدًا، حوالي 10 إلى 20 ثانية. يبلغ طول النبضة بضعة بيكو ثانية، لكن هذا الوقت قصير جدًا لكي تعمل المضخمات بكفاءة. لحل هذه المشكلة، يستخدم جهاز HiPER تقنية تُعرف باسم تضخيم النبضات المُعدَّلة التردد (CPA). تبدأ تقنية CPA بنبضة قصيرة من مصدر ليزر ذي نطاق ترددي واسع (متعدد الترددات)، على عكس المُشغِّل الذي يستخدم مصدرًا أحادي اللون (أحادي التردد). يُقسَّم الضوء الناتج عن هذه النبضة الأولية إلى ألوان مختلفة باستخدام زوج من محززات الحيود وتأخيرات بصرية. يؤدي هذا إلى "تمديد" النبضة إلى سلسلة يبلغ طولها عدة نانو ثانية. ثم تُرسَل النبضة إلى المضخمات كالمعتاد. عند خروجها من خطوط الحزمة، يُعاد تجميعها في مجموعة مماثلة من المحززات لإنتاج نبضة واحدة قصيرة جدًا، ولكن نظرًا لأن النبضة الآن ذات طاقة عالية جدًا، يجب أن تكون المحززات كبيرة (حوالي 1). م) وتوضع في فراغ. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون طاقة الحزم الفردية أقل بشكل عام؛ يستخدم جانب الضغط في النظام 40 خطًا شعاعيًا يبلغ طول كل منها حوالي 5 كيلوجول لكل منها لتوليد ما مجموعه 200 كيلوجول، بينما يتطلب جانب الإشعال 24 خط شعاعي بأقل من 3 كيلوجول لتوليد ما مجموعه 70 كيلوجول. يُعدّ العدد الدقيق وقوة خطوط الحزمة موضوع بحث حاليًا.  سيُستخدم مضاعفة التردد أيضًا في أجهزة التسخين، ولكن لم يُحسم بعد ما إذا كان سيتم استخدام المضاعفة أو التثليث؛ إذ يُوجّه الأخير طاقة أكبر إلى الهدف، ولكنه أقل كفاءة في تحويل الضوء. اعتبارًا من عام 2007، يعتمد التصميم الأساسي على المضاعفة في نطاق اللون الأخضر.

 اشتعال سريع و HiPER 
في أجهزة الاندماج بالقصور الذاتي التقليدية، يُستخدم ليزر التشغيل لضغط الهدف إلى كثافات عالية جدًا. وتؤدي الموجة الصدمية الناتجة عن هذه العملية إلى زيادة تسخين الوقود المضغوط عند اصطدامه بمركز القطرة. وإذا كان الضغط متناظرًا بدرجة كافية، فإن ارتفاع درجة الحرارة قد يخلق ظروفًا قريبة من معيار لوسون ، مما يؤدي إلى الاشتعال.

لقد ازدادت كمية طاقة الليزر اللازمة لضغط الأهداف بشكل فعال إلى ظروف الاشتعال بسرعة كبيرة مقارنة بالتقديرات المبكرة. في "الأيام الأولى" لأبحاث الاندماج بالقصور الذاتي في سبعينيات القرن الماضي، كان يُعتقد أن ما لا يقل عن 1  كيلوجول ستكون  كافية،   وقد بُني عدد من الليزرات التجريبية للوصول إلى مستويات الطاقة هذه. وعندما تحقق ذلك، ظهرت سلسلة من المشاكل، تتعلق عادةً بتجانس الانهيار، والتي كانت تؤدي إلى خلل كبير في تناظر الانفجار الداخلي، ونتج عنها درجات حرارة أقل بكثير في النواة مما كان متوقعًا في الأصل. ثم خلال ثمانينيات القرن الماضي  ارتفعت الطاقة المقدرة اللازمة للوصول إلى الاشتعال إلى نطاق الميغاجول (المليون جول) ، مما جعل الاندماج بالقصور الذاتي غير عملي لإنتاج طاقة الاندماج. على سبيل المثال، يستخدم المرفق الوطني للإشعال (NIF) حوالي 420 ميغا جول من الطاقة الكهربائية  لتشغيل ليزرات القيادة، ومن المتوقع في أفضل الأحوال أن ينتج حوالي 20 ميغاجول من  طاقة الاندماج . بدون مكاسب كبيرة في الإنتاج، لن يكون مثل هذا الجهاز مصدرًا عمليًا للطاقة.

يحاول العلماء نهج  أسلوب إشعال سريع لتجنب هذه المشاكل. فبدلاً من استخدام الموجة الصدمية لخلق الظروف اللازمة للاندماج فوق نقطة الإشعال، يقوم هذا الأسلوب بتسخين الوقود مباشرةً. وهذا أكثر كفاءة بكثير من الموجة الصدمية، التي تصبح أقل أهمية. في جهاز HiPER، يكون الضغط الذي يوفره المحرك "جيدًا"، ولكنه ليس قريبًا من الضغط الذي توفره أجهزة أكبر مثل NIF؛ إذ يبلغ ضغط محرك HiPER حوالي 200 كيلوجول وينتج كثافات تبلغ حوالي 300 جرام/ سم³ . هذا يعادل ثلث كثافة الإلكترونات في مرفق الإشعال الوطني (NIF)، وتقريبًا هي نفس الكثافة التي ينتجها ليزر نوفا (NOVA) الأقدم - الذي كان في  ثمانينيات القرن الماضي. للمقارنة، تبلغ كثافة الرصاص حوالي 11 جرام/سم³  ، لذا لا يزال هذا يمثل قدرًا كبيرًا من الضغط، لا سيما عند الأخذ في الاعتبار أن الجزء الداخلي من الهدف يحتوي على وقود ديوتيريوم-تريتيوم صغير الكثافة يبلغ حوالي 0.1 جرام/سم3.

يبدأ الإشعال بفترة قصيرة جدًا (~10 بيكو ثانية) وبطاقة فائقة القوة (~70 كيلوجول، 4 نبضات ليزرية PW) موجهة عبر ثقب في البلازما عند النواة. يتفاعل ضوء هذه النبضة مع الوقود البارد المحيط، مما يُولد وابلًا من أشعة الليزر عالية الطاقة تبلغ 3.5 مليون إلكترون فولط  تُدفع نحو الوقود. تُسخّن هذه الإلكترونات بقعةً على أحد جانبي النواة الكثيفة، وإذا كان هذا التسخين موضعيًا بدرجة كافية، فمن المتوقع أن يدفع  تلك المنطقة إلى ما هو أعلى بكثير من طاقات الاشتعال.

تتجاوز الكفاءة الإجمالية لهذا النهج كفاءة النهج التقليدي بأضعاف كثيرة. ففي حالة مرفق الإشعال الوطني (NIF)، يُولّد الليزر حوالي 4 ميغا جول من طاقة الأشعة تحت الحمراء لإحداث اشتعال يطلق حوالي 20 ميغا جول من الطاقة. وهذا يُعادل "كسب اندماج" - نسبة طاقة الليزر الداخلة إلى طاقة الاندماج الخارجة - يبلغ حوالي 5. إذا استخدمنا الافتراضات الأساسية لتصميم HiPER الحالي، فإن الليزرين (المُشغِّل والمُسخِّن) يُنتجان حوالي 270 كيلوجول إجمالاً، ومع ذلك تولد من 25 - 30  ميغاجول فيصبح  نسبة مكسب الطاقة  حوالي 100.  مع الأخذ في الاعتبار مختلف أنواع الضياع ، يُتوقع أن يكون المكسب الفعلي حوالي 72. لا يتفوق هذا الجهاز على NIF بفارق كبير فحسب، بل إن تكلفة تصنيع الليزرات الأصغر حجمًا تكون أقل بكثير. فمن حيث نسبة الطاقة الناتجة إلى التكلفة، يُتوقع أن يكون HiPER أقل تكلفة بحوالي عشرة أضعاف من الأجهزة التقليدية مثل NIF.

يُعدّ الضغط مشكلة مفهومة إلى حدٍّ كبير، ويركّز مشروع HiPER بشكل أساسي على استكشاف الفيزياء الدقيقة لعملية التسخين السريع. لا يزال من غير الواضح مدى سرعة توقف الإلكترونات في حمولة الوقود؛ فبينما يُعرف هذا الأمر بالنسبة للمادة تحت الضغوط العادية، إلا أنه غير معروف في ظروف الكثافة الفائقة للوقود المضغوط. ولكي يعمل المشروع بكفاءة  يجب أن تتوقف الإلكترونات في أقصر مسافة ممكنة، لإطلاق طاقتها في بقعة صغيرة - وبالتالي يرفع درجة الحرارة (الطاقة لكل وحدة حجم) إلى أقصى حدّ ممكن.

كما أن كيفية توجيه ضوء الليزر إلى تلك البقعة موضوعٌ يستحق المزيد من البحث. تعتمد إحدى الطرق على استخدام نبضة قصيرة من ليزر آخر لتسخين البلازما خارج "اللب" الكثيف، مما يؤدي فعليًا إلى إحداث ثقب فيه وكشف الوقود الكثيف الموجود بداخله. سيتم اختبار هذه الطريقة على نظام OMEGA-EP في الولايات المتحدة. وهناك طريقة أخرى  تم اختبارها بنجاح على ليزر GEKKO XII في اليابان، فهي تستخدم مخروطًا ذهبيًا صغيرًا يقطع مساحة صغيرة من غلاف الهدف. وعند التسخين  لا تتكون بلازما في هذه المنطقة، مما يترك ثقبًا يمكن توجيه الليزر إليه وتسليطه على السطح الداخلي للمخروط. يخطط مشروع HiPER حاليًا لاستخدام تقنية المخروط الذهبي، ولكنه سيدرس على الأرجح مخلوط الاحتراق أيضًا.

أبحاث ذات صلة
أنجز مشروع HiPER دراسة أولية في عام ٢٠٠٥  حددت المناهج والإمكانيات الممكنة لإنشائه. حظي التقرير بتقييمات إيجابية من المفوضية الأوروبية في يوليو ٢٠٠٧، وانتقل المشروع إلى مرحلة التصميم التحضيري في أوائل عام ٢٠٠٨، على أن يكون  وضع تصاميم تفصيلية لبدء الإنشاء في عام ٢٠١١ أو ٢٠١٢.

في نفس الوقت  يقترح مشروع HiPER أيضًا بناء أنظمة ليزر أصغر حجمًا ذات معدلات تكرار أعلى. تتسبب مصابيح الوميض عالية الطاقة المستخدمة لضخ زجاج مضخم الليزر في تشوهه، ولا يمكن إعادة تشغيله إلا بعد أن يبرد، وهو ما قد يستغرق يومًا كاملًا. بالإضافة إلى ذلك  فإنّ جزءًا ضئيلاً جدًا من وميض الضوء الأبيض الناتج عن الأنابيب يكون بتردد مناسب لامتصاصه بواسطة زجاج النيوديميوم، وبالتالي يؤدي إلى فقد كبير لطاقة التشغيل حيث لا تتجاوز نسبة الطاقة التي تصل إلى شعاع الليزر إلا بنسبة 1% إلى 1.5% من الطاقة المُغذّاة للأنابيب.Dunne, 2007, p. 104

يكمن الحل الأمثل لتجنب هذه المشاكل في استبدال مصابيح الوميض بمضخات أكثر كفاءة، تعتمد عادةً على ثنائيات الليزر. تتميز هذه المضخات بكفاءة أعلى بكثير في توليد الضوء من الكهرباء، وبالتالي تعمل بدرجة حرارة أقل بكثير. والأهم من ذلك، أن الضوء الذي تولده أحادي اللون تقريبًا، ويمكن ضبطه على ترددات يسهل امتصاصها. هذا يستدعي الحاجة إلى طاقة أقل بكثير لإنتاج أي كمية محددة من ضوء الليزر، مما يقلل بشكل أكبر من كمية الحرارة الضائعة.   تعمل الأجهزة التجريبية الحالية بكفاءة إجمالية تبلغ حوالي 10%، ويُعتقد أن الأجهزة "التي ستتوفر قريبا " ستُحسّن هذه الكفاءة لتصل إلى 20%.Dunne, 2007, p. 130

الوضع الحالي
أثارت الأبحاث الإضافية في مجال الإشعال السريع شكوكًا جدية حول مستقبله. وبحلول عام 2013  خلصت الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة إلى أنه لم يعد اتجاهًا بحثيًا جديرًا بالاهتمام، وقد صرحت قائلة : "يبدو في الوقت الحالي  أن الإشعال السريع نهج أقل جدوى لتقنية الاندماج بالقصور الذاتي مقارنةً بطرق الإشعال الأخرى."

المراجع

تصنيف:الطاقة في الاتحاد الأوروبي
تصنيف:مراكز أبحاث نووية
تصنيف:صفحات بترجمات غير مراجعة