حول أبحاث الاندماج الليزري باستخدام فلوريد الأرجون

نشر علماء مختبر الأبحاث البحرية، بالتعاون مع وزارة الطاقة الأمريكية، نتائج أبحاثهمفلوريد الأرجون (ArF)بحث حول الاندماج الليزري في المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في خريف العام الماضي.

أشارت الورقة العلمية المعنونة "كسب اندماجي عالٍ باستخدام طاقة ليزر دون الميغا جول باستخدام ليزر فلوريد الأرجون المُشغَّل مباشرةً" إلى أن ليزر فلوريد الأرجون يُعدّ تقنية واعدة لتحقيق عمليات الانضغاط بالقصور الذاتي ذات الكسب العالي اللازمة لإنتاج الطاقة. يتضمن الاندماج الليزري انضغاط كبسولات صغيرة للوصول إلى الكثافات ودرجات الحرارة العالية (100 مليون درجة مئوية) المطلوبة لبدء تفاعل الاندماج.

يمكن استخدام طاقة الاندماج كمصدر للطاقة إذا كان الكسب أكبر بكثير من الطاقة المطلوبة لتشغيل الليزر، وقد أظهرت عمليات المحاكاة التي أجراها مختبر الأبحاث البحرية أن ضوء الأشعة فوق البنفسجية العميقة لـ ArF يمكن أن يحقق كسبًا عاليًا عند طاقات ليزر أقل بكثير مما كان يُعتقد سابقًا أنه ممكن.قال أوبنشاين: "تتيح ليزرات ArF تطوير وبناء محطات طاقة اندماجية أصغر حجماً وأقل تكلفة. وهذا من شأنه أن يسرع من نشر هذا المصدر الواعد للطاقة، والذي يمتلك كمية كافية من المواد الخام للوقود تكفي لآلاف السنين".

تكتسب نتائج مختبر الأبحاث البحرية (NRL) أهمية خاصة لأن مرفق الإشعال الوطني (NIF) التابع لمختبر لورانس ليفرمور الوطني أعلن في 8 أغسطس/آب أنه أجرى تجربة اندماج ليزري أنتجت طاقة اندماجية تقارب طاقة أشعة الليزر المستخدمة في إحداث الانفجارات. وقد أنتجت نتائج مرفق الإشعال الوطني 1.3 ميغا جول من طاقة الاندماج، أي ما يعادل رطلاً من المتفجرات شديدة الانفجار، مما يثبت الجدوى العلمية والتكنولوجية الأساسية للاندماج الليزري.

قال أوبنشاين: "نتائج مرفق الإشعال الوطني (NIF) مبهرة وتؤكد ضرورة التوجه نحو تكنولوجيا الليزر التي ستُسرّع من وتيرة التطورات المستقبلية. توفر تكنولوجيا ليزر الأرجون الفلورية (ArF) من شركة nRL مسارًا لتحقيق مكاسب وإنتاجية أعلى في الاندماج النووي. هذه الخصائص ضرورية لبرنامج إدارة المخزون النووي التابع للإدارة الوطنية للأمن النووي (NNSA)، كما أن المكاسب العالية مطلوبة لتوليد طاقة الاندماج النووي."

تُركّز مصفوفة عدسات ليزر نايك 44 شعاع ليزر من فلوريد الكريبتون (KrF) على أهداف تُمثّل جزءًا صغيرًا من كبسولة الانضغاط. تظهر هذه الأهداف، التي يبلغ حجمها ملليمترات، في العدسة المركزية. تُشبه ليزرات KrF ليزرات ArF، ولكن بطول موجي أطول قليلًا (248 نانومتر). تُساهم تجربة نايك في تطوير الفيزياء الأساسية لتسريع هدف بشكل منتظم إلى السرعات العالية اللازمة للانضغاط الاندماجي. المصدر: مختبر الأبحاث البحرية

ويشير أوبنشاين إلى أن ليزرات ArF عالية الطاقة ستتطلب استثمارًا كبيرًا لتحقيق الأداء والطاقة وتردد التكرار والدقة والموثوقية الفرعية التي تبلغ قيمتها مليارات الدولارات المطلوبة للاندماج لمحطات الطاقة التجارية.

قال أوبنشاين: "لقد أظهر عملنا حتى الآن أنه لا توجد عوائق أساسية تمنع أنظمة طاقة الاندماج بالقصور الذاتي ذات الدفع المباشر ArF من تلبية هذه المتطلبات".

وقال: "هذه المزايا قد تسهل تطوير وحدات محطات طاقة اندماجية صغيرة الحجم وأقل تكلفة تعمل بطاقات ليزرية تقل عن 1 ميغا جول". "سيؤدي هذا إلى تغيير جذري في النظرة السائدة بأن طاقة الاندماج الليزري باهظة الثمن وأن محطات الطاقة ضخمة للغاية".

قال الدكتور ماكس كاراسيك، رئيس قسم فيزياء الأهداف التي تعمل بالليزر في مختبر الأبحاث البحرية: "يُعد مختبر الأبحاث البحرية رائدًا عالميًا في تطوير تكنولوجيا ليزر فلوريد الأرجون عالي الطاقة، بالإضافة إلى ذلك، نجري تجارب لتعزيز الأساس الفيزيائي للاندماج الليزري وعمليات محاكاة حاسوبية لتحديد التكوين الأمثل لانفجار ليزر فلوريد الأرجون عالي الكسب."

يدعم برنامج "الاختراقات لتمكين طاقة الاندماج النووي الحراري" (BETHE) التابع لوكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة للطاقة (ARPA-E) بوزارة الطاقة الأمريكية إمكانات ليزر ArF في مجال طاقة الاندماج. ويدعم هذا البرنامج التطوير السريع لمصادر طاقة الاندماج القابلة للتطبيق تجاريًا.

يقود فرع بلازما الليزر التابع لقسم فيزياء البلازما هذا الجهد البحثي وقد وضع خطة من ثلاث مراحل لتطوير ليزرات فلوريد الأرجون لتحقيق الأداء المطلوب لعمليات الانفجار ذات كسب الطاقة العالي.

ستُستكمل المرحلة الأولى من المشروع العلوم والتكنولوجيا الأساسية لتقنية ArF الجارية حاليًا في مختبر الأبحاث البحرية (NRL). وفي المرحلة الثانية، سيتم بناء واختبار خط شعاع ليزر ArF عالي الطاقة على نطاق كامل. أما في المرحلة الثالثة، فسيتم إنشاء منشأة انضغاط باستخدام ما بين 20 و30 خط شعاع من هذا النوع، وسيتم استخدامها لإثبات كسب الطاقة العالي (>100) المطلوب لتطبيقات الدفاع والطاقة.