نوفاترون كانت واحدة من 30 مبادرة اندماج خاصة لحضور ورشة عمل افتتاحية حول دمج القطاع الخاص، الذي عقد في الفترة من 27 إلى 29 مايو في كاداراش، فرنسا، في مقر منظمة ايتر.
اريك اودنقدم أندريه جوردان، المؤسس المشارك ورئيس مجلس إدارة شركة نوفاترون، النهج الفريد الذي تتبعه الشركة في مجال الاندماج والتقدم الذي أحرزته حتى الآن.
وكما هي الحال مع أي تقنية جديدة تقريباً، فإن كل شركة لديها أفكارها الخاصة حول كيفية تطويرها حتى تصبح قابلة للتطبيق تجارياً. ولكن جميعها تبدأ بإنشاء البلازما، وهي الحالة الرابعة للمادة.
في حين أن معظم المادة على الأرض موجودة في إحدى الحالات الثلاث الأخرى للمادة (الصلبة والسائلة والغازية)، فإن معظم المادة في الكون موجودة في حالة البلازما، والتي تتكون من جسيمات مشحونة (أيونات وإلكترونات).
يوجد الهيدروجين في الشمس في حالة البلازما، حيث يتم توليد معظم الطاقة في النظام الشمسي. يتسبب الضغط في الشمس في اندماج ذرات الهيدروجين، مما يؤدي إلى تكوين الهيليوم وإطلاق كمية هائلة من الطاقة في هذه العملية.
آلات المرآة المغناطيسية
نوفاترون هو شكل حديث من أشكال آلة المرآة المغناطيسية، وهي الهندسة المعمارية التي تم عرضها لأول مرة في عام 1955 في ما يُعرف الآن بمختبر لورانس ليفرمور الوطني. المفهوم الأساسي هو ترتيب مغناطيسين كبيرين بطريقة تعكس الجسيمات المشحونة ذهابًا وإيابًا بين مناطق المجالات المغناطيسية القوية.
إن المرآة المغناطيسية هي طريقة بسيطة للاندماج، مع بعض المزايا الواضحة، وفقًا لأودن. فهي حل منخفض التكلفة مع سهولة التزود بالوقود وعدم الحاجة إلى معدات خاصة للتخلص من الحرارة الزائدة الناتجة عن تدفق النيوترونات، وتوفر تشغيلًا مستمرًا في حالة ثابتة وبيتا عالية جدًا، وهي نسبة ضغط البلازما إلى الضغط المغناطيسي. تحقق الآلات ذات بيتا العالية إنتاجًا أعلى مع قوى مغناطيسية أقل، مما يجعلها أكثر جدوى اقتصاديًا من تلك ذات الطرق ذات بيتا المنخفضة – كل الأشياء الأخرى متشابهة.
إن أكبر التحديات التي تواجه آلات المرايا التقليدية هي عدم الاستقرار وضعف زمن الاحتجاز. إن زمن الاحتجاز ــ المدة التي تستطيع فيها الآلة الاحتفاظ بوقود البلازما في مكانه ــ هو أحد الشروط الثلاثة اللازمة لبدء تفاعل الاندماج واستدامته، والشرطان الآخران هما الكثافة والحرارة. ووفقاً لأودين، توصل المجتمع العلمي على مر السنين إلى حلول لتحسين الاستقرار وزمن الاحتجاز في آلات المرايا.
الحل الأول يعتمد على أفكار من يان جادربيرج، المؤسس المشارك والمدير التقني لشركة نوفاترون. وجد جادربيرج طرقًا لتقليل المشكلات المتعلقة بعدم استقرار البلازما التي كانت تقف في طريق جعل طاقة الاندماج حقيقة واقعة.
الحل الذي تسعى شركة نوفاترون إلى بنائه هو مرآة مترادفة متماثلة المحور تجمع بين مفهومين أساسيين للاندماج – المرايا المغناطيسية والنتوءات ثنائية المخروط. تتمتع المرآة المغناطيسية الكلاسيكية بحقل مغناطيسي يشير في الاتجاه الطبيعي لمستوى التناظر وتوفر احتواءً جيدًا ولكنها غير مستقرة. من ناحية أخرى، تنتج النتوءات ثنائية المخروطية مجالًا مغناطيسيًا مماسًا لمستوى التناظر ومستقرًا ولكن باحتواء ضعيف.
إن مفهوم نوفاترون الفريد هو فئة جديدة من الاحتجاز المغناطيسي، مع وجود مجال مغناطيسي طبيعي في مستوى التناظر مثل المرآة الكلاسيكية، ولكن مع إضافة زوج من القمم ثنائية المخروط.
“لقد قمنا بإنشاء مجال مغناطيسي محدب عند النظر إليه من الداخل، ومقعر عند النظر إليه من الخارج”، كما قال أودن. “وهذا يؤدي إلى احتواء جيد للغاية – وهو مستقر بطبيعته”.
وفقًا لـ Oden، فإن جميع المغناطيسات دائرية، لذا من السهل إنتاجها ومن السهل تثبيتها ميكانيكيًا. كما يحقق Novatron بيتا عالية جدًا ولديه العديد من الطرق المختلفة لزيادة الأداء، مما يجعل الحبس أطول ويزيد من حجم البلازما. علاوة على ذلك، يجعل تصميم ATM من السهل نسبيًا الحفاظ على احتراق البلازما دون الحاجة إلى تطبيق أجهزة التسخين المعقدة المطلوبة للطرق الأخرى.
قوة المحاكاة الحاسوبية
كما هو الحال مع جميع مشاريع الاندماج، فإن مشروع نوفاترون لديه خريطة طريق تتكون من عدة مراحل، تبدأ بالمحاكاة التي تسمح للباحثين بالتحقق من صحة وضبط الفيزياء والهندسة الأساسية لنهجهم، وتنتهي بمفاعل الاندماج التجاري بعد عقد من الزمان أو نحو ذلك.
لمحاكاة بنيتها المعمارية، تعتمد شركة Novatron على متخصصين في المحاكاة الحاسوبية والنمذجة الفيزيائية – بما في ذلك ريكارد هولمبيرج، فيزيائي حاسوبي ومهندس برمجيات في شركة نوفاترون. منصة المحاكاة التي تستخدمها الشركة في أغلب الأوقات هي واركس، والذي تم كتابته وصيانته بواسطة فريق من الباحثين، معظمهم من مختبر لورانس بيركلي الوطني، ومختبر SLAC الوطني للتسريع، ومختبر لورانس ليفرمور الوطني.
صرح ريكارد هولمبرج لمجلة Computer Weekly قائلاً: “لقد أجرينا بعض التحسينات والتعديلات على قاعدة WarpX لجعلها أكثر ملاءمة لاحتياجاتنا”.
يعمل برنامج المحاكاة على مجموعة واسعة جدًا من الأجهزة – من وحدة معالجة رسومية واحدة على محطة عمل إلى مجموعات كبيرة. يعمل على كل من وحدات معالجة الرسوميات AMD وNVIDIA، ويمكنه استخدام OpenMP وMPI للتوازي مع وحدة المعالجة المركزية. تقوم Novatron بتشغيل المزيد من عمليات المحاكاة على أجهزتها الخاصة، لكنها تستخدم أحيانًا موارد سحابية صغيرة. قال هولمبرج: “نحن نتطلع إلى التوسع إلى مجموعات كبيرة”.
لقد أجرت الشركة عمليات تحقق حاسوبية مكثفة ومحاكاة لاختبارات الإجهاد والتي أظهرت أن نوفاترون مستقر – على النقيض تمامًا من نهج المرآة الكلاسيكي غير المستقر بشكل سيئ السمعة.
وأضاف أودن قائلاً: “أشارت حساباتنا أيضًا إلى أننا سنحقق تحسنًا في وقت احتجاز الطاقة بعامل 100 مقارنة بآلات المرآة المغناطيسية التقليدية”.
سلسلة من الآلات التجريبية
وقال أودن: “نحن الآن بصدد تشغيل أول مفاعل تجريبي لدينا، والذي يسمى نوفاترون 1، في ستوكهولم في المعهد الملكي للتكنولوجيا في مختبر LVM. سيكون هذا عبارة عن خلية أساسية حيث نظهر بلازما مستقرة. نخطط لمفاعل تجريبي ثان، نوفاترون 2، حيث سننشئ أول مرآة مترادفة محورية وإضافة وظيفة تعزيز الأداء. نتوقع تحقيق ظروف الاندماج بحلول عام 2027”.
وكما هي الحال مع جميع شركات الاندماج الأخرى، قبل توصيل الطاقة إلى الشبكة، سيتم إنتاج آلة نموذجية لإظهار الجدوى التجارية. وستكون هذه الآلة هي مفاعل نوفاترون 3، وهو مفاعل تجريبي سيتم الانتهاء منه في ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين، على افتراض أن الشركة ملتزمة بخريطة الطريق الحالية.
وأخيرا، سوف يكون مفاعل نواترون 4 مفاعلا متكاملا لتوليد الطاقة التجارية. وإذا سارت الأمور على ما يرام، فسوف يتحقق ذلك في ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين. وتأمل الشركة أن يصبح تصميمه الفريد النهج المفضل لتوفير مصدر تجاري قابل للتطبيق للطاقة النظيفة والآمنة واللامحدودة تقريبا على نطاق عالمي.
