توكاماك

المكنسة الكهربائية تمتص الغبار حتى لو كان أكثر عند الفوهة. وكذلك الحال في التوكاماك: جسيمات البلازما تنجذب نحو المركز، رغم أن كثافتها أعلى عند الحافة. تُعرف هذه الظاهرة باسم "قرصة الجسيمات" (particle pinch)، وهي تتعارض مع القاعدة المعتادة التي تقول إن كل شيء يميل من المكان الكثيف إلى المكان الأقل كثافة.

ملاح بخريطة ورقية يرسم المسار قبل الإبحار. إذا تغير المحيط، انزاح التيار، اشتدت الرياح، تبقى الخريطة كما هي. ستسير السفينة في طريق قديم، وسيضطر الطاقم إلى تصحيح المسار يدويًا. هكذا عمل التحكم في شكل البلازما في التوكاماك لسنوات طويلة: الخطوط الافتراضية التي تربط أخطاء الشكل بالتيارات في الملفات كانت تُحسب مسبقًا لعدة حالات مرجعية ولا تتغير أثناء التفريغ.

المصباح العادي يضيء بشكل متواصل، بينما المنارة (lighthouse) تومض بومضات قصيرة. علماء في لندن جعلوا ألماسة صغيرة تعمل كمنارة، لكن ليس للضوء، بل للموجات الراديوية. للقيام بذلك، أضافوا القليل من النيتروجين إلى الكريستال، ثم أضاءوه بليزر أخضر الليزر.

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.

مفاعل الاندماج النووي هو فرن فائق الحرارة حيث تصل حرارة البلازما إلى ملايين الدرجات. تصنع جدران هذا الفرن من التنجستن، لأنه معدن يصهر بصعوبة كأي معدن آخر. لكن حتى التنجستن لا يتحمل بدون حماية: الجسيمات السريعة من البلازما تقصف السطح وتقتلع الذرات. هذه الذرات المقتلعة تدخل البلازما وتبردها، مثل ملعقة حليب بارد في شاي ساخن.

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.

المرآة المغناطيسية هي أنبوب مفتوح من كلا الطرفين، حيث يُرتَّب المجال المغناطيسي بحيث يحبس البلازما الساخنة — وهي غاز مؤين يتكون من جسيمات مشحونة. عند الطرفين، يتكاثف المجال مشكلًا «سدادات»: الجسيمات المتجهة نحو المخرج تنعكس عن هذه المناطق وتعود أدراجها.

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 الماء المغلي الماء يمكن رؤية نموذج أولي للخدعة الكمومية: إذا حوّلنا جزءاً من السائل إلى فقاعات بخار طويلة العمر، فإن الكتلة الرئيسية تبرد. هذا بالضبط ما يحدث عند توجيه ضربة حادة لنظام من الإلكترونات المتفاعلة: تظهر الدوبلونات — أزواج من الجسيمات تمتص الطاقة الزائدة ولا تتفكك لمدة طويلة بشكل مذهل.

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.

الكون مليء بعدائين خفيين - جسيمات تسير بسرعة تقارب سرعة الضوء. تُرصَد في الرياح الشمسية، وبالقرب من النجوم النيوترونية، وحتى في الفراغ بين المجرات. لكن ما الذي يسرعها في أماكن لا توجد فيها موجات صدمية ولا اتصالات مغناطيسية؟ ربما يكمن الجواب في نفس الكون ذاته - في نبض البلازما المتكرر.

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.

في قدرٍ فيه حساءٌ يغلي، تحمل التيارات المتدفقة الحرارة إلى الجدران فيبرد الحساء. وفي التوكاماك — القارورة المغناطيسية الضخمة للبلازما — يحدث الشيء نفسه: دوامات الاضطراب تنقل الطاقة إلى الخارج، مما يعيق إشعال تفاعل الاندماج. لكن في بعض الأحيان يبدو أن البلازما تجد بنفسها طريقة لتهدأ.

الماء في الكوب يبرد خلال دقائق. الغاز في الغرفة يملؤها بالتساوي خلال ثوانٍ. لكن إذا حبست الذرات في أنبوب بسمك شعاع ليزر وأثرتها جيدًا، فإنها ستستغرق عدة ثوانٍ «لتبرد» نحو التوازن — وهي مدة طويلة جدًا بمقاييس الذرات. أخذ المجربون سحابة من ذرات الروبيديوم وبرّدوها إلى حالة تكاثف بوز-أينشتاين — حيث تندمج جميع الذرات في موجة كمومية واحدة.

البلازما الكونية ليست غازًا هادئًا، بل هي حساء يغلي من الجسيمات المشحونة، تخترقها الحقول المغناطيسية. تتصرف هذه الحقول مثل الأشرطة المطاطية المشدودة: أحيانًا تتمزق ثم تعيد الاتصال فورًا، ولكن بطريقة مختلفة. هذه العملية، التي تسمى إعادة الاتصال المغناطيسي، تحرر طاقة هائلة.

بعد 380 ألف سنة من الانفجار العظيم، برد الكون بدرجة كافية لتتحد الإلكترونات والبروتونات لأول مرة في هيدروجين متعادل. وعلى الرغم من أن هذا الحدث يُسمى إعادة الاتحاد، إلا أنه كان في الواقع اللقاء الأول — فقبل ذلك كانت الحرارة الشديدة تمنع الجسيمات من الالتصاق.

تظهر أحيانًا على الشمس سحب هائلة من البلازما تحاول الاندلاع إلى الفضاء. لكنها غالبًا لا تنجح في ذلك: قفص مغناطيسي غير مرئي يبقيهم قرب السطح. تسمى هذه الاندلاعات الفاشلة "محبوسة". بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لفهم كيفية عمل هذا القفص بالضبط.

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.

عادةً ما يكون قدر الحساء دائريًا، بينما المقلاة مسطحة. شكل الإناء يحدد كيف يغلي الماء. في التوكاماك — وهو جهاز يُحتجز فيه الغاز شديد الحرارة بواسطة مجال مغناطيسي — لا يُختار شكل البلازما اعتباطًا. عادةً ما يشبه المقطع العرضي لحبل البلازما حرف D: الجانب المستقيم مواجه للخارج. يُسمى هذا بالمثلثية الموجبة.

قبل كل إطلاق للتوكاماك — المنشأة التي يُحتجز فيها الغاز شديد الحرارة بواسطة مجال مغناطيسي — يقضي المشغلون ساعات في حساب سلوك البلازما. فالثمن باهظ للخطأ: معلمة واحدة خاطئة قد تفسد التجربة. الآن تأتي الشبكة العصبية للنجدة، إذ تتعلم من عمليات الإطلاق السابقة وتصدر توقعًا أسرع من طرفة عين.

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.

مفاعل الاندماج النووي هو محاولة لحبس شمس صغيرة داخل قفص مغناطيسي. ولكي تمنحنا طاقة أكبر، يجب ضغط البلازما بكثافة أعلى. لكن لدى التوكاماك سياجًا غير مرئي: بمجرد أن تتجاوز الكثافة حدًا معينًا، ترتجف البلازما وتتفكك. هذا الانهيار هو أحد الألغاز الرئيسية في الطريق إلى الطاقة النظيفة.

البلازما في مفاعل الاندماج النووي تشبه سربًا من اليراعات يجب حبسه في وعاء غير مرئي. كان يُعتقد سابقًا أن جدران الوعاء يجب أن تكون ناعمة تمامًا، وإلا ستجد اليراعات شقًا وتطير بعيدًا. العمل الجديد يُظهر أن الوعاء يمكن أن يُلصق من قطع ذات دروز ملحوظة، ومع ذلك يبقى السرب في الداخل.

مفاعل الاندماج النووي يشبه أوركسترا، حيث البلازما هي اللحن والملفات المغناطيسية هي العازفون. إذا عزف أحد الآلات بنشاز، تنهار السيمفونية بأكملها. في توكاماك SPARC قيد الإنشاء (منشأة مدمجة ذات مجال مغناطيسي قوي بشكل قياسي)، حتى أدق خطأ في شكل الملفات يمكن أن يسبب اهتزازات خطيرة في البلازما قد تعطل التفاعل.

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.

خمس ذرات كالسيوم مشحونة تطفو في مصيدة، محتجزة بحقول كهربائية. يزيل التبريد بالليزر طاقتها الزائدة، فتصطف في هرم صغير ذي قاعدة مربعة. لكن هذا الهرم لا يبقى ثابتًا: من وقت لآخر ينقلب، وكأن أحدهم يقذفه في الهواء ويلتقطه مقلوبًا.

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.

اصطفت ستة أيونات باريوم في شكل سداسي مسطح داخل مصيدة باول (Paul trap)، وهي جهاز يحبس الجسيمات المشحونة بحقول كهربائية متغيرة. ولكن بمجرد تغيير طفيف في شكل الجهد الحابس، أعاد الكريستال ترتيب نفسه: انزلق أيون واحد إلى المركز، بينما شكلت الأيونات الخمسة الباقية حلقة حوله.

قطرة حبر في كوب ماء سرعان ما تنتشر، فتلطّخ السائل كله. هكذا هي الإلكترونات في المعدن: تندفع بحرية كجزيئات في غاز. ولكن إذا دخلت إلى هذا الوسط شائبة مغناطيسية — ذرة ذات عزم مغناطيسي خاص بها — يبدأ الغريب. عند درجات حرارة منخفضة جدًا، تبدو الإلكترونات وكأنها تلتصق بالشائبة، فترتّب حولها سحابة. هذه السحابة تحجب العزم المغناطيسي، فترتفع مقاومة المعدن.