مكونات الجهد العالي لأبحاث الاندماج النووي ITER وما بعدها

مكونات الجهد العالي لأبحاث الاندماج النووي ITER وما بعدها

الملخص

يعتمد البحث في مجال الاندماج النووي، بدءًا من مفاعلات التوكاماك وصولًا إلى المفاعلات المدمجة، على أنظمة طاقة عالية الجهد تخزن وتوصل كميات هائلة من الطاقة في نبضات قصيرة. تشرح هذه المقالة أدوار المكثفات والثنائيات والمقاومات في مسارات طاقة الاندماج، والضغط الذي تتعرض له، وكيف تدعم مكونات أنظمة الطاقة عالية الجهد التجارب بدءًا من الأجهزة واسعة النطاق مثل مفاعل ITER وصولًا إلى مفاعلات التوكاماك الجامعية.

1. سياق التطبيق: تزويد البلازما بالطاقة

يمثل السعي وراء طاقة الاندماج النووي التجارية أحد أضخم التحديات العلمية وأكثرها إلهامًا في عصرنا. ويكمن جوهر هذا السعي في الحاجة إلى محاكاة العمليات التي تُغذي الشمس ضمن بيئة أرضية مُحكمة، وهو مسعى يتطلب معالجة المادة في ظل أقصى الظروف من حيث درجة الحرارة والضغط وقوة المجال المغناطيسي. ويرتبط نجاح هذا الطموح ارتباطًا وثيقًا بتطوير ودمج أنظمة فرعية عالية التخصص والأداء، وتشكل مكونات الجهد العالي الركيزة الأساسية لإمدادات الطاقة التي تُتيح حدوث تفاعلات الاندماج.

في جهاز الاندماج النووي واسع النطاق، يُعدّ التكوين الأولي والتحكم الدقيق اللاحق بالبلازما عالية الحرارة، وهي حالة من المادة فائقة التسخين يحدث فيها الاندماج النووي، عمليةً لإدارة كميات هائلة من الطاقة خلال فترات زمنية قصيرة جدًا. هذه العملية ليست تدريجية، بل تتطلب حقنًا سريعًا للطاقة لتسخين الغاز إلى ملايين الدرجات وتحفيز تيارات كهربائية هائلة داخله. وتُعتبر المكثفات عالية الكثافة الطاقية عناصر حيوية في هذا النظام التكنولوجي، حيث تخزن الطاقة التي تُطلقها أنظمة الطاقة النبضية في البلازما.

2. المتطلبات الفنية

2.1 تخزين الطاقة النبضية. يجب على بنك المكثفات تخزين طاقة كل نبضة تسخين بالبلازما وإطلاقها بسرعة؛ وتتناسب الطاقة المخزنة مع مربع جهد الشحن:

2.2 التكرار ودورة الحياة. تُطلق الأجهزة التجريبية نبضات متكررة، لذا يجب أن تتحمل المكثفات ملايين دورات الشحن والتفريغ، وليس نبضة واحدة فقط:

2.3 مسارات التردد العالي والترددات اللاسلكية. تقوم أنظمة التسخين بترددات الراديو بتشغيل الهوائيات بتردد عالٍ، لذلك يجب أن تحمل المكثفات في شبكة المطابقة تيار ترددات الراديو بفقد منخفض:

2.4 تقسيم الجهد وقياسه. يحتاج كل ناقل جهد عالٍ في التجربة إلى مقسم لقياس الجهد وحمايته، ويجب أن يظل المقسم دقيقًا طوال فترة التجربة:

الشكل 1 - تحديد مجموعة مكونات HVC لكل مسار طاقة اندماجي.

3. نقاط ضعف المهندسين (ملاحظات ميدانية)

4. مقارنة المكونات: خيارات مسار طاقة الاندماج

5. الاختيار وحل HVC

6. دراسة حالة هندسية

كانت مجموعة من طلاب جامعة توكاماك تعيد بناء مصدر طاقة المجال الحلقي الخاص بها، والذي يستخدم بنك مكثفات مشحونًا إلى 20 كيلو فولت ويتم تفريغه من خلال مجموعات من الثايرستورات لتوليد تيار البلازما. وكان البنك القديم يستخدم مواد صناعية من الدرجة الصناعية. مكثفات الفيلم فقدت هذه المكثفات سعتها مع تكرار دورات التشغيل؛ وخلال حملة نموذجية، ضعفت نبضة التيار، وتدهور شكل البلازما، واستبدل الفريق المجموعة بأكملها كل حملتين. وشملت تكلفة تغيير المكثفات أسابيع من توقف الجهاز بين التجارب.

تضمنت عملية إعادة البناء مكثفات HVC ذات سعة منخفضة إلى 75% من سعتها الأصلية، ومجموعة ثنائيات HVD سريعة الاستجابة لمسار الشحن، ومقسم جهد HVR منخفض معامل درجة الحرارة للمراقبة. تم التحقق من صحة المكونات باستخدام مسبار تيار وكاميرا حرارية تحت شكل موجة النبض الفعلي.

كان هناك نتيجتان مهمتان تتجاوزان فترة إعادة البناء. أولاً، تحسّنت قابلية تكرار تيار البلازما من نبضة إلى أخرى من 6% إلى 1%، مما مكّن الطلاب من جمع البيانات بعدد أقل بكثير من اللقطات المهملة، وقصر مدة البرنامج التجريبي. ثانياً، اختفت حالات الفصل الخاطئة بمجرد توقف مقسم الجهد عن الانحراف، وهو ما عزاه الفريق إلى تغير المقاومات القديمة بتغير درجة حرارة قاعة الطاقة؛ وقد أدت شبكة معامل درجة الحرارة المنخفض إلى إزالة فئة كاملة من الإنذارات الوهمية. أصبحت مجموعة مكونات الجهد العالي نفسها الآن هي المعيار لإمدادات النبضات الأخرى للفريق، وقد أجرى التوكاماك ثلاث حملات متتالية دون تغيير أي بنك طاقة.

7. اعتبارات التصميم

• عمر الدورة بالساعات: تتعرض مكونات طاقة الاندماج للإجهاد لكل نبضة، لذا يتم تقييمها حسب دورات النبض؛ وعادة ما يؤدي خفض جهد الشحن إلى 75 بالمائة من التقييم إلى مضاعفة عدد الدورات.
• هامش الجهد: قم بقياس الذروة الفعلية عند كل مكون، بما في ذلك تجاوز التبديل؛ يمكن أن يتجاوز شكل موجة النبضة مستوى التيار المستمر الاسمي بهامش كبير.
• فقدان الترددات اللاسلكية: في أنظمة التدفئة، اختر مكثفات ذات تصنيف RF منخفض ESR؛ فقدان السعة تحت تيار RF يؤدي إلى اختلال ضبط شبكة المطابقة ويرفع الطاقة المنعكسة.
• ثبات الفاصل: يؤدي مقسم ناقل البيانات الذي ينحرف مع درجة الحرارة إلى حدوث تشابكات خاطئة وفقدان وقت التجربة؛ حدد شبكات ذات معامل درجة حرارة منخفض لمسار الاستشعار.
• التكديس والتصنيف: بالنسبة للفولتيات التي تزيد عن وحدة واحدة، قم بتكديس المكثفات والثنائيات مع مقاومات الموازنة بحيث يتم تقسيم الجهد بالتساوي عبر السلسلة.
• تصريف آمن: تحتوي بنوك النبض على طاقة قاتلة؛ توفر مسارًا لتصريف الطاقة يقوم بتفريغ البنك إلى جهد آمن ضمن نافذة الوصول.

8. المراجع

• IEC 60270:2015، تقنيات اختبار الجهد العالي - قياسات التفريغ الجزئي.
• IEC 61010-1:2016، متطلبات السلامة للمعدات الكهربائية المستخدمة في القياس والتحكم والمختبرات.
• ج. ويسون، توكاماكس، الطبعة الرابعة، مطبعة جامعة أكسفورد، 2011.
• 陈景亮等, 高电压试验技术, 中国电力出版社, 2005.
• ورقة بيانات مكثف مقبض الباب ذو طرف لولبي عالي الجهد (HVC HV)، HVC مكثف، 2024.
• ورقة بيانات مقاومة الجهد العالي HVC المسطحة، مكثف HVC، 2024.