مفاعل اندماجي

عندما تصطدم نبضة ليزر قوية بوسط غازي، فإنها تؤين الذرات — أي تنتزع الإلكترونات — وتسرعها إلى سرعات نسبية قريبة من سرعة الضوء. هذه الإلكترونات عالية الطاقة، أثناء مرورها عبر البلازما، تصدر إشعاعًا سينيًا، أشبه بأثر مضيء لجسيم سريع. في العمل الجديد، جعل الفيزيائيون نبضة ليزر واحدة تُنشئ أثرين من هذا القبيل تباعًا، لا أثرًا واحدًا.

داخل التوهج الشمسي، تتمزق الخطوط المغناطيسية مثل حبال مطاطية مشدودة، وتتشابك من جديد، محررةً في دقائق طاقة تكفي البشرية لملايين السنين. في المختبر، طالما عرف العلماء كيفية إحداث هذه العملية، إعادة الاتصال المغناطيسي، لكنهم لم يعرفوا كيفية إيقافها. الآن، أصبح لدى الفيزيائيين مفتاح.

مصادر الطاقة النظائرية المشعة التي تعمل باضمحلال ألفا للبلوتونيوم-238، ظلت لأكثر من ستين عامًا تغذي أجهزة تنظيم ضربات القلب والمركبات الفضائية. ومع ذلك، فإن المواد الخام لها شحيحة للغاية: الإنتاج العالمي للبلوتونيوم-238 يبلغ بضعة كيلوغرامات فقط في السنة، وهو ما يكفي بالكاد لتغطية احتياجات المهام الرئيسية.

البلازما بالموجات الدقيقة في تدفق دوامي هي بمثابة خلاط عالي الحرارة: يدور الغاز في المفاعل، وتقوم الموجات الدقيقة بتسخينه إلى آلاف الدرجات، مما يؤدي إلى تفكيك جزيئات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) إلى مكوناتها. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لهذا المفاعل لفهم كيفية تأثير الضغط على عملية التفكيك.

للنظر أعمق في بنية الكون، يقوم الفيزيائيون بتسريع الإلكترونات وتصادمها مع بعضها البعض. يمتلك الإلكترون العادي زخمًا زاويًا ذاتيًا يسمى السبين، ويمكن تخيله كمحور دوران لقمة دوارة صغيرة. في الحزمة العادية، تكون هذه المحاور موجهة بشكل عشوائي. للتجارب الدقيقة، نحتاج إلى جسيمات ذات سبينات مرتبة — وتسمى هذه الحالة استقطابًا.

في مجرة السيجار البعيدة، هناك منارة غير عادية. إنها لا تضيء بالمعنى المألوف — بل تولد أشعتها في سحابة ملتهبة حول ثقب أسود يبتلع مادة نجم مجاور. تُسمى هذه الأجسام مصادر الأشعة السينية فائقة السطوع. لمعانها في الأشعة السينية قوي لدرجة أنه يطغى على مجرات بأكملها. هذه السحابة — الهالة — تشبه مرجلًا يغلي. فيه تتخبط جسيمات البلازما بسرعات هائلة، وتتصادم وتتسارع.

مفاعل الاندماج النووي من نوع ستيلاراتور يشبه شرنقة مغناطيسية ملتوية ببراعة. مهمته هي احتجاز البلازما شديدة الحرارة لكي تندمج نوى الهيدروجين وتنتج الطاقة. لكن الشكل ثلاثي الأبعاد للشرنقة يخلق فجوات: بعض الجسيمات تهرب إلى الخارج، خاصة الأسرع منها، وهي التي تحمل الحرارة الأساسية.

السباق نحو طاقة الاندماج النووي يشبه محاولة حبس البرق في قارورة. لعقود، يسعى الفيزيائيون لإعادة إنتاج العمليات التي تغذي الشمس على الأرض. الصعوبة الرئيسية هي جعل النوى الخفيفة تندمج، متغلبةً على التنافر الكولومبي المتبادل، وفي الوقت نفسه الحصول على طاقة أكثر مما يُستهلَك في تسخين البلازما واحتجازها.

في الحلقة التي يبلغ طولها 21 كيلومترًا في بروتفينو قرب موسكو، كان يُخطط يومًا لتسريع البروتونات. اليوم، يمكن لهذا النفق نفسه أن يستضيف آلة مختلفة تمامًا — مصادم ميوني. الميون هو قريب ثقيل للإلكترون، وهنا تكمن قوته. الإلكترون عند منعطف الحلقة يُصدر إشعاعًا كالكشاف الضوئي، فاقدًا طاقته الثمينة. أما الميون فيُصدر إشعاعًا أضعف بمليار مرة.

داخل مفاعل الاندماج النووي تحتدم بلازما — غاز مسخّن إلى ملايين الدرجات. لا نوافذ مباشرة هناك، والكاميرات والمستشعرات تتعطل بسرعة. لا يرى المهندسون سوى شظايا معلومات: بضعة مستشعرات في نقاط مختلفة. يشبه هذا محاولة فهم سيمفونية من صوت ثلاثة ميكروفونات في قاعة ضخمة.

اصطدام نجمين نيوترونيين هو بمثابة معمل كوني تُصاغ فيه أثقل عناصر الجدول الدوري خلال ثوانٍ. في عام 2017، التقطت الكواشف موجات ثقالية من هذا الاندماج، ورصدت التلسكوبات وميضًا — كيلونوفا (kilonova). يتغذى توهجها على اضمحلال الأنوية غير المستقرة التي وُلدت في عملية الالتقاط السريع للنيوترونات (r-process). لكن لهذا المعمل الكوني مساعدين صامتين لم يُنتبه إليهم من قبل.

في قدر يغلي الماء: فقاعات تتلاطم، والحرارة تتبدد بسرعة في الهواء. في مركز مفاعل الاندماج النووي ARC، تتصرف البلازما بشكل مشابه، لكن بدلاً من الفقاعات هناك دوامات مضطربة، وبدلاً من الهواء هناك مجال مغناطيسي يجب أن يحتفظ بالحرارة. الدوامات تضر: فهي تنقل الحرارة إلى الخارج وتبرد البلازما.

أنوية الذرات مغطاة بأغلفة رقيقة من الإلكترونات — في مثل هذه الأغلفة لا يمكن التحامها. لكن استبدل الغلاف الخفيف بآخر ثقيل: الميون، وهو جسيم من النموذج المعياري، يضغط السحابة الإلكترونية بحوالي 200 مرة.

نواة الذرة تشبه نابضًا طبيعيًا ذا قوة هائلة. عندما تعيد البروتونات والنيوترونات داخلها ترتيب نفسها، تنتقل النواة إلى حالة خاصة طويلة الأمد تُسمى أيزومر نووي. فيه تُختزن الطاقة كما لو أن النابض مضغوط إلى أقصى حد. ولإعداد هذه الآلية، تُضرب النواة بنبضة فائقة القصر من ليزر الأشعة السينية، مع ضبط الضربة بدقة لتكون في رنين.

مجفف شعر قوي لا ينفخ هواءً دافئًا بل بلازما متوهجة بشدة — تسمى هذه المنشآت الأنفاق الهوائية البلازمية (plasma wind tunnels). تُستخدم لاختبار كيفية دخول المركبات الفضائية إلى الغلاف الجوي على الأرض. داخل النفق، يُسخَّن الغاز إلى آلاف الدرجات، وجزء من الطاقة لا يخرج مع تدفق الغاز ولا إلى الجدران، بل يطير ببساطة على شكل ضوء — كما يحدث من المصباح الكهربائي.

قبل تجميع أحجية ضخمة، يجب ختم القطع — وإلا فلن تكتمل الصورة. في الحواسيب الكمومية القائمة على الاندماج، تلعب كتل صغيرة من الضوء دور هذه القطع — وهي الحالات الموردية الفوتونية. تُصطدم هذه الكتل وتُقاس لتنمو نسيج الحوسبة تدريجياً. لكن مصنع هذه الأحاجي الضوئية يعمل بشكل متقطع: ولادة كل قطعة حدث احتمالي، ويكون الإنتاج التالف أكثر من القطع الصالحة.

الأرجوحة لا تتأرجح إلا إذا دفعتَها في اللحظة المناسبة. وما أن تخرج عن الإيقاع حتى تذهب جهودك سدى. وهكذا تقريبًا يتفاعل الضوء مع النواة الذرية: عادةً ما يُمتص الفوتون فقط عندما تتطابق طاقته تمامًا مع الفرق بين مستويين نوويين. لكن ماذا لو لم تكن طاقة الفوتون مناسبة؟ وجد مؤلفو الدراسة الجديدة طريقًا ملتويًا. لقد درسوا ذرة البلاتين-193.

الاندماج النووي الحراري — اندماج بروتون مع نواة البورون-11 — يبشر بمصدر طاقة شبه مثالي: بدون تدفق النيوترونات الخطرة، فقط تدفق جسيمات مشحونة يمكن تحويله مباشرة إلى تيار كهربائي. لكن هنا تبرز المشكلة الأساسية لحاجز كولوم.

مصيدة مغناطيسية على شكل كعكة محلاة تحصر بلازما من البورون والهيدروجين. في داخلها ترتفع درجة الحرارة إلى ما يزيد عن مئة مليون درجة — أشد حرارة من مركز الشمس. عند هذه الحرارة تتصادم النوى وتندمج، محررةً الطاقة.

قطعة معدنية تُسخَّن من أحد طرفيها تولّد تيارًا كهربائيًا ضعيفًا — وهذا معروف منذ ما يقرب من مائتي عام. لكن ماذا لو استخدمنا بدل المعدن البسيط «شطيرة» متعددة الطبقات: موصل فائق، وعازل رقيق، وطبقة مسطّحة من الإلكترونات؟ عبر هذا الانتقال، تتسرّب الإلكترونات عبر النفق الكمومي، مثلما يتسرّب الماء عبر جدار مسامي، وفي الوقت نفسه تنقل الحرارة.

المفاعل النووي التقليدي يشبه المرجل حيث يحترق الوقود بالتساوي في كامل حجمه. هنا الصورة مختلفة: على طول قضيب أسطواني من كربيد اليورانيوم تزحف ببطء موجة انشطار — منطقة ضيقة تنشطر فيها الذرات وتطلق حرارة. أمام الموجة، الوقود لم يمس بعد؛ خلفها، استُنفد بالفعل. هكذا ينتقل النار على فتيل الشمعة، تاركًا الشمع خلفه. الحيلة الأساسية تكمن في طيف النيوترونات.

البلازما الساخنة في التوكاماك تشبه حيوانًا صعب المراس: يجب احتجازها، لكن دون السماح لها بالسخونة الزائدة. في مفاعل ASDEX Upgrade تم العثور على نمط حيث تحل دوامات البلازما هذه المشكلة بنفسها. أظهرت النمذجة العشوائية أن التذبذبات عند حافة البلازما تقذف كتلًا إلى الخارج — مثل فقاعات من قدر يغلي.

في كل مرة يندمج فيها الديوتيريوم والتريتيوم داخل مفاعل الاندماج النووي، ينطلق نيوترون سريع. يمكن لهذا النيوترون أن يحول بعض المواد إلى أخرى، على سبيل المثال، إنتاج نظائر ثمينة للطب. اليوم، هذه النيوترونات باهظة الثمن بشكل خيالي، لأن عدد المنشآت التجريبية قليل وهي تعمل نادرًا.

في أعماق نجم ضخم، تتصادم نواتا كربون وتلتحمان لتكوّنا نواة مغنيسيوم واحدة. تعتمد على هذه العملية سرعة احتراق النجم لوقوده والعناصر الكيميائية التي يتسنّى له إنتاجها. لكن الحساب الدقيق لهذا الاندماج على الورق كان صعبًا للغاية: فالنوى ليست كرات بلياردو، بل أنظمة كمومية يمكنها إعادة ترتيب نفسها بطرق متعددة.

داخل مفاعل الاندماج النووي المستقبلي، سوف يطفو مغناطيس بوزن سيارة صغيرة. إنه يمسك البلازما شديدة الحرارة كما تمسك يد خفية سحابة. في السابق، كان يُعتقد أن مثل هذا المغناطيس غير مناسب لوقود الديوتيريوم والتريتيوم: فتدفقات النيوترونات كانت تدمره بسرعة. الآن، ابتكر المهندسون طريقة لحماية المغناطيس واستبدال الجزء التالف.

يضرب الليزر الهدف، وينطلق إلى الحجرة سحابة من البلازما مسرعة إلى مئات الكيلومترات في الثانية. حولها ليس فراغًا: الحجرة مليئة بغاز مخلخل يلعب دور الوسط الكوني. تصطدم البلازما بهذا الغاز مثل زورق سريع يصطدم بمياه راكدة، وتبدأ في دفعه أمامها. ولكن بدلاً من أن يتشتت ببساطة، يجمع التدفق بشكل غير متوقع جزءًا من الغاز في كتلة كثيفة تطير معه.

داخل كل خلية تجري تفاعلات كيميائية باستمرار، وكأنها مطبخ صغير حيث تعمل البروتينات كطهاة تحضّر المواد الضرورية. لكن رؤية كيف يطبخ الطاهي بالضبط تعوقها حشود الجزيئات الأخرى حوله.

ضوء المصباح العادي هو فوضى: فوتونات تتطاير في كل اتجاه دون أي نظام. لكن إذا جعلت العديد من الذرات تصدر الضوء في وقت واحد وبإيقاع متناسق، تحصل على وميض قصير قوي — مثل تصفيق يتحول من تصفيقات فردية إلى هتاف واحد. هذا الإشعاع المتناسق يسمى الإشعاع الفائق (superradiance). ومن الصعب الحصول عليه: يجب أن تكون الذرات قريبة جدًا من بعضها لتشعر بجيرانها.

إن إشعال شمس مصغرة هو حلم قديم للبشرية. عادةً ما يحاول العلماء احتجاز بلازما ملتهبة (غاز من جسيمات مشحونة) عند درجات حرارة تصل إلى مئات الملايين من الدرجات. لكن البلازما تسعى للانفلات من المصائد المغناطيسية، ويكلف احتجازها نفقات هائلة. يقدم بحث جديد مسارًا آخر: عدم تسخين كل الوقود، بل إطلاق شعاع من الجسيمات السريعة نحو هدف.

لكي تندمج نواتان ذريتان، لا بد من التغلب على تنافرهما الكهربائي الشديد، تماماً كمحاولة تقريب قطبين مغناطيسيين متشابهين. في الظروف العادية، لا يساعد على ذلك إلا طاقة هائلة، كما في أنوية النجوم، حيث شرح هانز بيته آلية الاندماج في ثلاثينيات القرن الماضي. لكن العلماء وجدوا حديثاً طريقة لإنشاء "حظيرة" معدنية.

في أعماق النجوم، تندمج النوى الخفيفة منتجة الهيليوم وتيارات من النيوترونات. على الأرض، تُعاد هذه العملية عبر دمج الديوتيريوم والتريتيوم — وهما نظيران خاصان من الهيدروجين، يحتويان على نيوترون واحد ونيوترونين على التوالي.

الذرات، مثل سرب من اليراعات التي تزامن وميضها، قادرة على إصدار الضوء في انسجام تام. هذه الظاهرة، التي تسمى الانبعاث الفائق (superradiance)، تؤدي إلى زيادة غير خطية في شدة الضوء: مئة ذرة تصدر إشعاعًا متماسكًا تعطي توهجًا أكثر سطوعًا بعشرة آلاف مرة من ذرة واحدة. استخدم الفيزيائيون هذا التأثير لإنشاء محرك حراري من نوع جديد جذريًا.