يعتقد فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أنهم ربما تمكنوا من خفض أحد العوائق الرئيسية أمام تحقيق الاندماج النووي على نطاق واسع، مما يقربنا خطوة واحدة من جعل شكل وفير من الطاقة حقيقة واقعة.
ومن خلال تسخير نفس العمليات التي تزود النجوم بالطاقة، سنتمكن من الوصول إلى مصدر طاقة نظيف وآمن وغير محدود عمليا. لقد بنى العلماء مفاعلات لمحاولة ترويض الاندماج النووي، ومن بين أكثر هذه المفاعلات استكشافًا هو توكاماك. التوكاماك، وهو في الأساس أنبوب على شكل كعكة دائرية يستخدم مغناطيسات قوية لحصر البلازما اللازمة لتشغيل تفاعلات الاندماج النووي، أظهر إمكانات كبيرة. ولكن لكي يدركوا ذلك بشكل كامل، يجب على العلماء أولاً أن يستكشفوا المخاطر المحتملة التي تحملها هذه الطاقة، بما في ذلك كيفية إبطاء تفاعل الاندماج بمجرد حدوثه.
وهنا يأتي دور البحث الجديد: باستخدام مزيج من الفيزياء والتعلم الآلي، تنبأ الباحثون بكيفية تصرف البلازما داخل مفاعل توكاماك في ظل مجموعة من الشروط الأولية – وهو أمر حير الباحثين منذ فترة طويلة (من الصعب النظر داخل مفاعل الاندماج في منتصف التشغيل، بعد كل شيء). ونشرت الورقة يوم الاثنين في مجلة Nature Communications.
قال ألين وانج، المؤلف الرئيسي للدراسة وطالب دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، لأخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “لكي يصبح الاندماج مصدرًا مفيدًا للطاقة، يجب أن يكون موثوقًا به”. “لكي نكون جديرين بالثقة، علينا أن نصبح جيدين في إدارة البلازما الخاصة بنا.”
مع القوة العظمى تأتي مخاطر كبيرة
عندما يعمل مفاعل توكاماك بكامل طاقته، يمكن لتيار البلازما الموجود بداخله أن يدور بسرعات تصل إلى حوالي 62 ميلاً (100 كيلومتر) في الثانية وعند درجات حرارة تصل إلى 180 مليون درجة فهرنهايت (100 مليون درجة مئوية). وهذا أكثر سخونة من قلب الشمس.
إذا كان لا بد من إغلاق المفاعل لأي سبب من الأسباب، يبدأ المشغلون عملية “لتقليل” تيار البلازما، وإلغاء تنشيطه ببطء. لكن هذه العملية صعبة، ويمكن أن تسبب البلازما “خدوشًا وندبات في الجزء الداخلي من التوكاماك، وهو ضرر طفيف لا يزال يتطلب وقتًا وموارد كبيرة لإصلاحه”، كما أوضح الباحثون.
وأوضح وانغ: “يمكن أن تؤدي عمليات إنهاء البلازما غير المنضبطة، حتى أثناء التخفيض، إلى توليد تدفقات حرارية شديدة تلحق الضرر بالجدران الداخلية”. “في كثير من الأحيان، خاصة مع البلازما عالية الأداء، يمكن أن يؤدي التراجع في الواقع إلى دفع البلازما أقرب إلى بعض حدود عدم الاستقرار. لذا، فهو توازن دقيق.
والواقع أن أي خطأ في تشغيل مفاعلات الاندماج النووي قد يكون مكلفاً. في عالم مثالي، سيكون الباحثون قادرين على إجراء اختبارات في عمل التوكاماك، ولكن نظرًا لأن الاندماج لا يزال غير فعال، فإن تشغيل أحد هذه المفاعلات مكلف بشكل لا يصدق، ولن تقوم معظم المرافق بتشغيله إلا عدة مرات في السنة.
التطلع إلى حكمة الفيزياء
بالنسبة لنموذجهم، وجد الفريق طريقة ذكية مبهجة للتغلب على القيود في جمع البيانات، فقد عادوا ببساطة إلى القواعد الأساسية للفيزياء. قاموا بربط الشبكة العصبية لنموذجهم بنموذج آخر يصف ديناميكيات البلازما، ثم قاموا بتدريب النموذج على بيانات من TCV، وهو جهاز اندماج تجريبي صغير في سويسرا. وتضمنت مجموعة البيانات معلومات حول الاختلافات في درجة حرارة بداية البلازما ومستويات الطاقة، وكذلك أثناء وفي نهاية كل تشغيل تجريبي.
ومن هناك، استخدم الفريق خوارزمية لتوليد “مسارات” توضح لمشغلي المفاعل كيف من المحتمل أن تتصرف البلازما مع تقدم التفاعل. وعندما طبقوا الخوارزمية على عمليات تشغيل TCV الفعلية، وجدوا أن اتباع تعليمات “المسار” الخاصة بالنموذج كان قادرًا تمامًا على توجيه المشغلين لتنزيل الجهاز بأمان.
قال وانغ: “لقد فعلنا ذلك عدة مرات”. “ولقد فعلنا الأشياء بشكل أفضل بكثير في جميع المجالات. لذلك، كانت لدينا ثقة إحصائية بأننا جعلنا الأمور أفضل.”
وأضاف: “نحن نحاول معالجة المسائل العلمية لجعل الاندماج مفيدًا بشكل روتيني”. “ما فعلناه هنا هو بداية رحلة لا تزال طويلة. ولكن أعتقد أننا حققنا بعض التقدم الجيد.”