انقلاب همجوشی هستهای: آیا انرژی پاک و فراوان در افق نزدیک است؟
آیا به دنبال راهی برای تولید انرژی پاک، فراوان و پایدار هستید؟ همجوشی هستهای، واکنشی که در دل خورشید میدرخشد، ممکن است پاسخ این سوال باشد. پیشرفتهای اخیر در این زمینه نویدبخش آیندهای روشن هستند، اما چالشهای فنی هنوز هم زیادند. در این مقاله به بررسی جدیدترین دستاوردها و چالشهای پیش روی همجوشی هستهای میپردازیم.
رکوردشکنی راکتورهای همجوشی: وندلشتاین 7-X و JET
اخیراً دانشمندان با استفاده از راکتور همجوشی پیشرفته وندلشتاین 7-X (Wendelstein 7-X) در آلمان، پلاسمایی از گاز هیدروژن را با دمایی بسیار بالاتر از سطح خورشید، به مدت 43 ثانیه به طور مغناطیسی مهار کردند. این رکورد، چندین برابر زمانهای قبلی است. مهندس هستهای دانشگاه کمبریج، تونی رولستون (Tony Roulstone)، که در این آزمایشها شرکت نداشت، پیشبینی میکند که به تولید انرژی همجوشی در مقیاس تجاری تنها 15 تا 20 سال زمان باقی مانده است. به گفته وی، استفاده از آهنرباهای ابررسانا نقش مهمی در این پیشرفت ایفا میکند.
اما این رکورد به سرعت توسط محققان بریتانیایی به چالش کشیده شد. آنها اعلام کردند که راکتور همجوشی توروس مشترک اروپایی (Joint European Torus – JET) در نزدیکی آکسفورد انگلستان، پیش از بازنشستگی خود در دسامبر 2023، در آزمایشهای نهایی خود موفق به مهار پلاسما به مدت 60 ثانیه شده است. این نتایج تاکنون منتشر نشدهاند، اما قرار است به زودی در یک مجله علمی به چاپ برسند.
طبق بیانیه مطبوعاتی موسسه ماکس پلانک فیزیک پلاسما در آلمان، دادههای منتشر نشده، راکتورهای وندلشتاین و JET را به عنوان “رهبران مشترک” در تلاش علمی برای راهاندازی مداوم یک راکتور همجوشی در دماهای بسیار بالا معرفی میکنند. با این حال، این بیانیه به حجم پلاسمای سه برابر بزرگتر در راکتور JET نسبت به وندلشتاین اشاره میکند که به JET برتری میدهد. این رقابت دوستانه، نشاندهنده رقابت دیرینه بین دستگاههای استلاراتور (stellarator) مانند وندلشتاین 7-X و دستگاههای توکامک (tokamak) مانند JET است. هر دو از روشهای مختلفی برای دستیابی به نوعی امیدوارکننده از همجوشی هستهای به نام “محدودسازی مغناطیسی” استفاده میکنند که هدف آن، ایجاد واکنش همجوشی در پلاسمایی از ایزوتوپهای سنگین هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم است.
روشهای مختلف همجوشی هستهای: محدودسازی مغناطیسی در مقابل محدودسازی اینرسی
نتایج اخیر پس از موفقیتآمیز بودن جرقهزنی همجوشی در سال 2022 در تأسیسات اشتعال ملی (National Ignition Facility – NIF) در نزدیکی سان فرانسیسکو حاصل شده است. NIF از روشی کاملاً متفاوت به نام “محدودسازی اینرسی” استفاده میکند. در این روش، محققان از لیزرهای غولپیکر برای تابش به یک گلوله کوچک دوتریوم و تریتیوم استفاده میکنند و واکنش همجوشی را آغاز میکنند. تکرار این آزمایشها حتی انرژی بیشتری تولید کردهاند.
وزارت انرژی ایالات متحده، ساخت NIF را در اواخر دهه 1990 با هدف توسعه محدودسازی اینرسی به عنوان جایگزینی برای آزمایش بمبهای ترمونوکلئری آغاز کرد. تحقیقات برای زرادخانه هستهای آمریکا هنوز بخش اعظم کار این تأسیسات را تشکیل میدهد. اما این جرقهزنی، نقطه عطفی مهم در مسیر همجوشی هستهای کنترلشده بود.
تامي ما (Tammy Ma)، فیزیکدان پلاسما از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (Lawrence Livermore National Laboratory) که NIF را اداره میکند، میگوید: “موفقیت در جرقهزنی همجوشی در سال 2022، اولین باری بود که انسانها توانستند یک واکنش همجوشی احتراقی خودپایدار کنترلشده را در آزمایشگاه نشان دهند. ”
با این حال، روش محدودسازی اینرسی که توسط NIF – بزرگترین و قدرتمندترین سیستم لیزری جهان – استفاده میشود، ممکن است برای تولید برق مناسب نباشد (اگرچه برای شبیهسازی بمبهای ترمونوکلئری بینظیر به نظر میرسد). در حالی که جرقهزنی در گلوله سوخت، انرژی بیشتری نسبت به انرژی مصرفی 192 لیزر غولپیکر NIF آزاد کرد، اما شارژ لیزرها بیش از 12 ساعت طول کشید و تقریباً 100 برابر انرژی آزاد شده توسط گلوله سوخت را مصرف کرد. در مقابل، محاسبات نشان میدهد که یک نیروگاه همجوشی باید هر ثانیه حدود 10 گلوله سوخت را به طور مداوم به مدت 24 ساعت در روز برای ارائه خدمات در مقیاس شبکه، جرقهزنی کند. این یک چالش مهندسی عظیم است، اما چندین شرکت نوپا در زمینه انرژی همجوشی اینرسی مانند مارول فیوژن (Marvel Fusion) در آلمان آن را پذیرفتهاند. شرکتهای نوپایی مانند اکزیمر انرژی (Xcimer Energy) در ایالات متحده نیز، از سیستم مشابهی برای جرقهزنی تنها یک گلوله سوخت هر دو ثانیه پیشنهاد میدهند.
شرکتهای خصوصی و آینده همجوشی هستهای
شرکتهای خصوصی نیز به رقابت همجوشی پیوستهاند. یکی از پیشرفتهترین پروژهها متعلق به شرکت کانادایی جنرال فیوژن (General Fusion) است که در نزدیکی ونکوور در بریتیش کلمبیا مستقر است. مگان ویلسون (Megan Wilson)، مدیر استراتژی ارشد این شرکت، امیدوار است که راکتور همجوشی غیرمتعارف این شرکت که از فناوری ترکیبی به نام همجوشی هدف مغناطیسی (Magnetized Target Fusion – MTF) استفاده میکند، تا اوایل تا اواسط دهه 2030 اولین راکتوری باشد که انرژی الکتریکی را به شبکه برق منتقل میکند. وی میگوید: “MTF معادل همجوشی یک موتور دیزل است: عملی، بادوام و مقرون به صرفه.”
جورج تینان (George Tynan)، مهندس هستهای دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو، میگوید که سرمایهگذاری بخش خصوصی در این حوزه در حال افزایش است و میتواند تغییرات بزرگی ایجاد کند.
تینان همچنین به سیستمهای همجوشی کامنولث (Commonwealth Fusion Systems)، یک شرکت وابسته به انستیتوی فناوری ماساچوست (MIT) اشاره میکند که قصد دارد نیروگاهی به نام ARC در ویرجینیا بسازد. این راکتور توکامک فشرده، قصد دارد تا اوایل دهه 2030 تا 400 مگاوات برق تولید کند که برای تأمین انرژی حدود 150000 خانه کافی است.
رولستون معتقد است که آهنرباهای الکترومغناطیسی ابررسانا که به طور فزایندهای در راکتورهای محدودسازی مغناطیسی استفاده میشوند، فناوری کلیدی خواهند بود. این آهنرباها با هلیوم مایع تا چند درجه بالاتر از صفر مطلق سرد میشوند تا مقاومت الکتریکی نداشته باشند. میدانهای مغناطیسی که در این حالت ایجاد میکنند، بسیار قویتر از میدانهای ایجاد شده توسط آهنرباهای معمولی هستند و به محققان کنترل بیشتری بر پلاسمای هیدروژن فوق داغ میدهند. در مقابل، رولستون از رویکرد لیزری NIF به دلیل پیچیدگی آن ابراز نگرانی میکند.
چشمانداز آینده: چالشها و فرصتها
تینان نیز در مورد همجوشی محدودسازی اینرسی محتاط است، اگرچه جرقهزنی همجوشی در NIF را یک پیشرفت علمی میداند. وی فیزیک قابل قبول را در هر دو روش مغناطیسی و لیزری میبیند، اما هشدار میدهد که هر دو ایده هنوز سالها آزمایش و بررسی نیاز دارند تا بتوان از آنها برای تولید برق استفاده کرد. او میگوید که هر دو رویکرد هنوز چالشهای مهندسی قابل توجهی دارند و احتمال موفقیت هر دو وجود دارد، اما راه درازی در پیش است.
