المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي
نظرة عامة على المفاعل

انظر أيضا: اندماج نووي
عندما يندمج الديوتيريوم والتريتيوم ، تتحد نواتان معًا لتشكيل نواة هيليوم (جسيم ألفا) ونيوترون عالي الطاقة.
ديوتيريوم + تريتيوم -> هيليوم 4 + نيوترون
يصاحب هذا التفاعل الذي ينتج هيليوم-4 انطلاق طاقة قدرها 17.59 ميغا إلكترون فولت. وهذه طاقة كبيرة للغاية ، و من مثل هذا التفاعل تـُنتج الشمس والنجوم طاقتها.
في حين أن جميع النظائر المستقرة تقريبًا أخف في الجدول الدوري من الحديد -56 والنيكل -62 ، اللتين تتمتعان بأعلى طاقة ارتباط لكل نيوكليون ، سوف تندمج مع بعض النظائر الأخرى وتطلق الطاقة ، فإن الديوتيريوم والتريتيوم هما الأكثر جاذبية لتوليد الطاقة. لأنها تتطلب أقل طاقة تنشيط (وبالتالي أدنى درجة حرارة) للقيام بذلك ، بينما تنتج من بين أكبر قدر من الطاقة لكل وحدة وزن.
جميع النجوم في البداية والمتوسطة العمر تشع كميات هائلة من الطاقة الناتجة عن عمليات الاندماج وعل الأخص أندماج الهيروجين. وكذلك عملية اندماج الديوتيريوم والتريتيوم تطلق ما يقرب من ثلاثة أضعاف الطاقة التي يطلقها انشطار اليورانيوم -235 ، وملايين المرات من الطاقة أكثر من تفاعل كيميائي مثل احتراق الفحم. الهدف من محطة توليد الطاقة الاندماجية هو تسخير هذه الطاقة لإنتاج الكهرباء.
طاقات التنشيط (في معظم أنظمة الاندماج هي درجة الحرارة المطلوبة لبدء التفاعل) لتفاعلات الاندماج بشكل عام عالية لأن البروتونات في كل نواة تميل إلى التنافر بقوة عن بعضها البعض ، حيث أن لكل منها نفس الشحنة الموجبة. تتمثل إحدى الوسائل التجريبية لتقدير معدلات التفاعل في أن النوى يجب أن تكون قادرة على الوصول إلى مسافة 100 فيمتومتر (1 × 10−13 متر) من بعضها البعض ، حيث من المرجح بشكل متزايد أن تخضع النوى لنفق كمي بعد الحاجز الكهروستاتيكي ونقطة التحول حيث تكون النوى قوية. القوة النووية والقوة الكهروستاتيكية متوازنتان بشكل متساوٍ ، مما يسمح لهما بالاندماج. في مفاعل ITER المستقبلي ، ستصبح مسافة الاقتراب هذه ممكنة بسبب درجات الحرارة المرتفعة والحبس المغناطيسي. يستخدم ITER معدات التبريد مثل مضخات حتى تقترب درجة حرارة المغناطيسات من 0 الصفر المطلق بذلك تقل احتياجاتها من الكهرباء. تعطي درجات الحرارة المرتفعة في البلازما طاقة كافية للتغلب على تنافرها الكهروستاتيكي (انظر توزيع ماكسويل بولتزمان). بالنسبة للديوتيريوم والتريتيوم ، تحدث معدلات التفاعل المثلى عند درجات حرارة أعلى من 100 مليون درجة مئوية. وفي ITER سيتم تسخين البلازما إلى 150 مليون درجة مئوية (حوالي عشرة أضعاف درجة الحرارة في قلب الشمس) [122] عن طريق التسخين الأومي (تشغيل تيار عبر البلازما). يتم تطبيق تسخين إضافي باستخدام حقن الحزمة المحايدة (التي تعبر خطوط المجال المغناطيسي بدون انحراف صافي ولن تسبب اضطرابًا كهرومغناطيسيًا كبيرًا) وتردد الراديو (RF) أو تسخين الميكروويف.
في مثل هذه درجات الحرارة المرتفعة ، تمتلك الجسيمات طاقة حركية كبيرة ، وبالتالي سرعة. إذا كانت الجسيمات غير محصورة ، فسوف تهرب بسرعة ، وتأخذ الطاقة معها ، وتبريد البلازما إلى النقطة التي لا يتم فيها إنتاج الطاقة الصافية. يحتاج المفاعل الناجح إلى احتواء الجسيمات ويضغطها في حجم صغير بما يكفي لفترة طويلة بما يكفي لالتحام جزء كبير من البلازما واندماجها ببعض . في ITER والعديد من مفاعلات الحبس المغناطيسي الأخرى ، يتم تقييد وحبس البلازما ، وهي غاز من الجسيمات المشحونة (الديوتيريوم والتريتيوم) باستخدام المجالات المغناطيسية. الجسيم المشحون الذي يتحرك عبر مجال مغناطيسي يواجه قوة عمودية على اتجاه الحركة ، مما يؤدي إلى تسارعه ، وبالتالي يحصره في التحرك في دائرة حول خطوط التدفق المغناطيسي. سيستخدم ITER أربعة أنواع من المغناطيسات لاحتواء البلازما: مغناطيس ذو ملف لولبي مركزي ، ومغناطيس بولويد حول حواف التوكاماك ، و 18 ملفًا حلقيًا على شكل D ، وملفات تصحيح المدار، ومنع سقوط البلازما على جدار غرفة المفاعل وفقدانها.
هناك حاجة أيضًا إلى وعاء أو غرفة الحبس القوي وذلك لحماية المغناطيس والمعدات الأخرى من درجات الحرارة المرتفعة والفوتونات والجزيئات النشطة ، وللحفاظ على شبه الفراغ في غرفة التفاعل لتكاثر البلازما. يتعرض وعاء الاحتواء لوابل من الجسيمات النشطة للغاية ، حيث تقصفه الإلكترونات ، والأيونات ، والفوتونات ، وجزيئات ألفا ، والنيوترونات باستمرار ، مما يؤدي إلى تدهور بنيتها. إذاّ يجب تصميم المواد لتحمل هذه البيئة وبحيث تكون محطة الطاقة اقتصادية. سيتم إجراء اختبارات هذه المواد في كل من ITER وفي IFMIF (مرفق إشعاع مواد الانصهار الدولي).
في مثل هذه درجات الحرارة المرتفعة ، تمتلك الجسيمات طاقة حركية كبيرة ، وبالتالي سرعة. إذا كانت الجسيمات غير محصورة ، فسوف تهرب بسرعة ، وتأخذ الطاقة معها ، وتبريد البلازما إلى النقطة التي لا يتم فيها إنتاج الطاقة الصافية. سيحتاج المفاعل الناجح إلى احتواء الجسيمات في حجم صغير بما يكفي لفترة طويلة بما يكفي لانصهار جزء كبير من البلازما.
في المفاعلات ITER والعديد من مفاعلات الحبس المغناطيسي الأخرى ، فإن البلازما ، وهي غاز من الجسيمات المشحونة ، محصورة باستخدام الحقول المغناطيسية. جسيم مشحون يتحرك عبر مجال مغناطيسي يواجه قوة عمودية على اتجاه السفر ، مما يؤدي إلى تسارع الجاذبية ، وبالتالي حصره في التحرك في دائرة أو حلزون حول خطوط التدفق المغناطيسي. <المرجع > <! - كاتب فريق العمل ؛ no by-line. ->. "حبس البلازما". مؤرشف من الأصل في 2023-03-11. اطلع عليه بتاريخ 2021-04-01.</ref> سيستخدم ITER أربعة أنواع المغناطيس لاحتواء البلازما: مغناطيس ذو ملف لولبي مركزي ، ومغناطيس بولويد حول حواف التوكاماك ، وملفات مجال حلقي الشكل 18 D ، وملفات التصحيح.
هناك حاجة أيضًا إلى وعاء حبس صلب ، لحماية المغناطيس والمعدات الأخرى من درجات الحرارة العالية والفوتونات والجزيئات النشطة ، وللحفاظ على شبه فراغ لتكتل البلازما. تعرض وعاء الاحتواء إلى وابل من الجسيمات النشطة للغاية ، حيث تقصفها الإلكترونات والأيونات والفوتونات وجسيمات ألفا والنيوترونات باستمرار وتدهور الهيكل. يجب تصميم المواد لتحمل هذه البيئة بحيث تكون محطة الطاقة اقتصادية. سيتم إجراء اختبارات على هذه المواد في كل من ITER وفي IFMIF (مرفق إشعاع مواد الانصهار الدولي).
بمجرد بدء الاندماج ، سوف تشع النيوترونات عالية الطاقة من المناطق التفاعلية للبلازما ، وتعبر خطوط المجال المغناطيسي بسهولة بسبب حياد الشحنة (انظر تدفق النيوترونات). نظرًا لأن النيوترونات هي التي تتلقى غالبية الطاقة ، فإنها ستكون المصدر الأساسي لـ ITER لإنتاج الطاقة. من الناحية المثالية ، جزيئات ألفا ستنفق طاقتها في البلازما ، وتزيد من تسخينها.
سيحتوي الجدار الداخلي لوعاء الاحتواء على 440 وحدة بطانية مصممة لإبطاء وامتصاص النيوترونات بطريقة موثوقة وفعالة وبالتالي حماية الهيكل الفولاذي ومغناطيس المجال الحلقي فائق التوصيل. في مراحل لاحقة من ITER مشروع ، سيتم استخدام وحدات البطانيات التجريبية لاختبار توليد التريتيوم للوقود من البطانة الخزفية المحتوية على الليثيوم الموجودة داخل غرفة التفاعل . تتم التفاعلات التالية:
يدرس مستقبلاً إمكانيّة استخدام الليثيوم لإنتاج التريتيوم من أجل توليد الطاقة بالاندماج وذلك في مفاعلات الاندماج بالحصر المغناطيسي. ينتج التريتيوم من تفاعل النيوترونات الموجودة في البلازما مع غطاء المفاعل الحاوي على الليثيوم حسب التفاعل:
كما يستخدم الليثيوم كمصدر لجسيمات ألفا، وذلك من قذف نوى النظير ليثيوم-7 7Li بالبروتونات المسرّعة لتسيير الاندماج بين الديوتيريوم والتريتيوم D-T.