همجوشی هسته‌ای؛ انرژی نامحدود و پاک

شناسه خبر: 190115 سرویس: توسعه ، فناوری ، گوناگون يكشنبه ۲۴ شهريور ۱۳۹۸, ۳۶ : ۱۳ : ۰۰
همجوشی هسته‌ای؛ انرژی نامحدود و پاک
بسیاری از دانشمندان همجوشی هسته‌ای را به‌عنوان انرژی نامحدود و پاک قلمداد می‌کنند. اما بشر برای تولید این نوع انرژی با چالش‌های بزرگی مواجه است.
۵۵آنلاین :

بسیاری از دانشمندان همجوشی هسته‌ای را به‌عنوان انرژی نامحدود و پاک قلمداد می‌کنند. اما بشر برای تولید این نوع انرژی با چالش‌های بزرگی مواجه است.

زمانی‌که دانشمندان در اوایل قرن بیستم، هسته‌ی اتم را شکافتند، تصور می‌کردند که توانسته‌اند نحوه‌ی شکل‌گیری عالم از ذرات کوچک را بشناسند. آنچه که آن‌ها نمی‌دانستند این بود که به مکانیزمی دست یافته‌اند که می‌تواند در تولید انرژی و همچنین ساخت بمب کاربرد داشته باشد. ارنست رادرفورد، از اولین کسانی بود که آزمایش‌های مربوط به شناخت ساختار اتم را انجام داد. به‌گفته‌ی او، این تصور اشتباه است که می‌توان با تغییر ساختار اتم به انرژی دست پیدا کرد. امروزه‌ ثابت شده است که می‌توان با تغییر ساختار اتم از آن انرژی گرفت؛ بنابراین رادرفورد در اشتباه بود.

برای نمونه بمب اتمی ابزاری است که با تغییر دادن هسته‌ی اورانیوم یا پلوتونیوم، منجر به تولید انرژی می‌شود. در حالت کلی می‌توان به دو روش شکافت و همجوشی،‌ انرژی هسته‌ای تولید کرد. شکافت هسته‌ای (Nuclear Fission) روشی است که منجر به تولید زباله‌های هسته‌ای خواهد شد، در حالی‌که همجوشی هسته‌ای (Nuclear Fusion) روشی پاک‌تر و ایمن‌تر برای تولید انرژی هسته‌ای محسوب می‌شود. 

شاید در ابتدا عجیب به نظر برسد، اما هر کاری که هم‌اکنون انجام می‌دهید، مانند تنفس،‌ راه رفتن یا فکر کردن و هر پدیده‌ای که در اطراف خود می‌بینید، به‌طور غیر مستقیم با فرایند جوش هسته‌ای رخ‌داده‌شده در خورشید، ارتباط دارد. اگر می‌توانستید به درون هسته‌ی خورشید سفر کنید، خواهید دید که در آنجا اتم‌های هیدروژن با یکدیگر ترکیب و منجر به تولید هلیوم می‌شوند. بنابراین جوش هسته‌ای، واکنشی است که در آن دو یا چند اتم با یکدیگر ترکیب می‌شوند و عنصر جدیدی را ایجاد می‌کنند.

اختلاف میان جرم اتم‌های اولیه و اتم‌های جدید تولیدشده، معادل با انرژی است که می‌تواند تولید یا جذب شود. تفاوت عمده‌ای میان هسته‌ی خورشید و یک نیروگاه وجود دارد، بنابراین چطور می‌توان انرژی ناشی از جوش هسته‌ای را در زمین ایجاد کرد؟ پژوهش‌ها نشان داده که روش بهتر، استفاده از ایزوتوپ‌های سنگین‌تر هیدروژن است. این ایزوتوپ‌ها به دلیل سنگین‌تر بودن، ناپایدار‌تر هستند و فرایند جوش هسته‌ای را می‌توان با انرژی کم‌تری انجام داد.

اتم معمولی هیدروژن دارای یک پروتون و یک الکترون است و نوترونی در خود ندارد. این در حالی است که ایزوتوپ‌های تریتیوم و دوتریوم به ترتیب دارای دو و یک نوترون هستند. بنابراین می‌توان با ترکیب یک اتم از دوتریوم و یک اتم از تریتیوم، اتمی پایدار از هلیوم ساخت. در واکنش‌های شیمیایی، اگر مجموع جرم فرآورده‌ها سنگین‌تر از واکنش‌‌دهند‌ه‌ها باشد، فرایند، گرماده محسوب می‌شود. در فرایند هجوشی هسته‌های هیدروژن نیز این حالت وجود دارد. بنابراین با توجه به پایدار‌تر بودن اتم‌های هلیوم، فرایند انرژی‌زا یا گرماده است.

همجوشی هسته ای/ nuclear fusion

انرژی آزادشده در نتیجه‌ی فرایند همجوشی معادل با انرژی ذخیره‌شده در چندین تن سوخت فسیلی محسوب می‌شود. در دهه‌های اخیر تلاش بر این بوده است تا به‌جای نیرو‌گا‌ه‌های مبتنی بر فرایند شکافت هسته‌ای، از نیروگاه‌هایی استفاده شود که انرژی آن‌ها در نتیجه‌ی فرایند همجوشی هسته‌ای تولید می‌شود. همان‌طور که اشاره شد، مبنای ایجاد فرایند همجوشی هسته‌ای در آزمایشگاه، استفاده از ایزوتوپ‌های هیدروژن است. از نظر تئوری این امر ساده به نظر می‌رسد، اما تاکنون کسی نتوانسته است با استفاده از این فرایند، انرژی در مقیاس صنعتی تولید کند؛ دلیل این امر، مشکل بودن کنترل انرژی تولیدشده است.

برای ایجاد فرایند جوش هسته‌ای، باید دو اتم هیدروژن را به‌اندازه‌ی کافی به یکدیگر نزدیک کرد. هسته‌ی اتم دارای بار خالص مثبت است، در نتیجه دو هسته یکدیگر را دفع می‌کنند و نزدیک کردن آن‌ها به‌یکدیگر کار مشکلی خواهد بود. هرچه دو هسته بیشتر به هم نزدیک شوند، انرژی بیشتری برای نگه داشتن آن‌ها نیاز است. در ستاره‌هایی مثل خورشید، نیرویی که دو اتم را کنار یکدیگر نگه می‌دارد، همان گرانش است.

انرژی همجوشی معادل با انرژی ذخیره‌شده در چندین تن سوخت فسیلی است

تاکنون دو روش شناخته‌شده برای ایجاد فرایند همجوشی هسته‌ای ارائه شده است. در روش اول که تحت عنوان محصور‌سازی مغناطیسی (Magnetic Confinement) شناخته می‌شود، اتم‌های دوتریوم و تریتیوم به اندازه دمای هسته‌ی خورشید یعنی حدود ۱۰۰ میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد داغ می‌شوند. سپس آن‌ها را با استفاده از میدانی مغناطیسی بسیار قوی در مسیری حلقوی به‌نام چنبره‌، گیر می‌اندازند. به دستگاهی که این کار را انجام می‌دهد، توکامک (Tokamak) گفته می‌شود. در حال حاضر بزرگ‌ترین توکاماک در آزمایشگاه JET، در جنوب آکسفورد در انگلستان قرار دارد. روش دوم محصورسازی لختی (Inertial Confinement) شناخته می‌شود که در این روش اتم‌ها درون لایه‌هایی به‌صورت کپسول قرار می‌گیرند.

در ابتدا با استفاده از لیزر‌ به لایه‌ی بیرونی حرارت منتقل می‌شود، سپس لایه‌ی حرارت دیده‌شده به سمت بیرون پرتاب و باعث می‌شود که اتم‌های درون آن فشرده شود و فرایند همجوشی رخ دهد. در حقیقت موج ضربه‌ای ایجادشده در درون کپسول باعث فشرده شدن اتم‌ها به یکدیگر و رخ دادن همجوشی می‌شود. نمونه‌ای از محصورسازی لختی در آزمایشگاه ملی برکلی در کالیفرنیا انجام شد. در این روش به‌طور هم‌زمان از ۱۲۹ لیزر برای حرارت‌دهی به کپسول حاوی هیدروژن استفاده شد. علاقه‌مندی مهندسان و دانشمندان به استفاده از فرایند همجوشی هسته‌ای به‌جای فرایند شکافت هسته‌ای، آینده هیجان‌انگیزی را در حوزه‌ی تأمین انرژی رقم خواهد زد، زیرا بشر در تلاش است تا خورشیدی مصنوعی را در زمین ایجاد کند.

شکافت هسته‌ای

شکافت هسته‌ای هنگامی اتفاق می‌افتد که نوترون با هسته‌ی برخی از اتم‌های سنگین برخورد می‌کند. این فرایند باعث می‌شود که هسته‌ی اصلی به دو یا چند عنصر نامساوی تقسیم شود؛ بیشتر انرژی شکافت به انرژی جنبشی تبدیل می‌گردد. در این فرایند یک اتم سنگین مانند اورانیوم به دو اتم سبک‌تر تبدیل می‌شود. وقتی هسته‌ای با عدد اتمی زیاد شکافته شود، براساس فرمول اینشتین، مقداری از جرم آن به شکل انرژی، آزاد می‌گردد.

شکافت هسته ای و همجوشی هسته ای

همجوشی هسته‌ای فرایند ترکیب دو هسته‌ی سبک‌تر به یک هسته‌ی پایدار و سنگین‌تر است؛ در این حالت مقدار زیادی انرژی نیز آزاد می‌شود. این موضوع به این دلیل است که جرم هسته‌ی تولیدی کمتر از جرم دو هسته‌ای است که باهم ترکیب شده‌اند؛ به این معنا که بخشی از جرم به انرژی تبدیل شده است. انرژی تولیدشده‌ی ناشی از همجوشی بسیار زیاد است به‌نحوی که آن را در قالب پلاسما کنترل می‌کنند. در فرایند هم‌جوشی هسته‌ای، هسته‌های سبک مانند هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم با یکدیگر جوش داده می‌شوند و هسته‌های سنگین‌تر و مقداری انرژی تولید می‌شود.

دوتریوم یا هیدروژن سنگین همان عنصر هیدروژن است که علاوه بر پروتون یک نوترون نیز درون هسته‌ی آن وجود دارد. حال اگر یک نوترون به دوتریوم اضافه کنیم، تریتیوم حاصل می‌شود. بسیاری اوقات، مردم فکر می‌کنند همجوشی هسته‌ای شبیه به شکافت هسته‌ای است و این دو تفاوت کمی با یکدیگر دارند. شکافت هسته‌ای همان چیزی است که هم‌اکنون در نیروگاه‌های هسته‌ای مرسوم، از آن استفاده می‌کنیم، ولی همجوشی هسته‌ای پدیده‌ای کاملا متفاوت است. شکافت هسته‌ای به‌معنی تبدیل اتم‌های بزرگی مثل اورانیوم ۲۳۵ به اتم‌های کوچک‌تر است. این واکنش انرژی زیادی آزاد می‌کند، ولی نقاط ضعف بسیاری هم دارد.

همجوشی هسته‌ای، واکنشی کاملا برعکس شکافت هسته‌ای است

اورانیوم عنصری نادر و پایان‌پذیر است و در ضمن نیروگاه‌های هسته‌ای، گران‌قیمت و خطرناک هستند. فجایعی مثل نیروگاه چرنوبیل و فوکوشیما به ما نشان داده‌اند که نباید به نیروگاه‌های هسته‌ای اطمینان کنیم. همجوشی هسته‌ای، واکنشی کاملا برعکس شکافت هسته‌ای است. به‌جای شکافتن اتم‌های بزرگ به اتم‌های کوچک، اتم‌های کوچک به یکدیگر جوش داده می‌شوند تا اتم‌های بزرگ به‌وجود آیند. این واکنش انرژی خیلی زیادی آزاد می‌کند، چرا که طبق نظریه‌ی نسبیت خاص اینیشتین، قسمتی از ماده‌ی این واکنش به انرژی تبدیل می‌شود.

واقعیت این است که خارج از نیروگاه‌های همجوشی و در طبیعت، ما هر روز اثر این واکنش را احساس می‌کنیم؛ همجوشی هسته‌ای همان چیزی است که در مرکز خورشید رخ می‌دهد. خورشید یک رآکتور عظیم همجوشی هسته‌ای است که هیدروژن را به عناصر سنگین تبدیل می‌کند و نور و گرمای حاصل از واکنش را برای ما که روی زمین هستیم، ارسال می‌کند. همجوشی هسته‌ای یک منبع انرژی عالی و بی‌نقص است. یک نیروگاه همجوشی می‌تواند به‌اندازه‌ی سه تا چهار برابر نیروگاه شکافت هسته‌ای مشابه، برق تولید کند.

انرژی همجوشی هسته‌ای اصلا آلاینده نیست و ماده‌ی خام خوراک رآکتورهای همجوشی هسته‌ای عناصر وافری چون هیدروژن هستند؛ هیدروژن فراوان‌ترین عنصر جهان ما است. این نیروگاه‌ها تقریبا هیچ پسماند رادیواکتیوی از خود باقی نمی‌گذارند و بنابراین آلایندگی آن‌ها صفر است. پسماند هیدروژن، یکی دیگر از عناصر فراوان دنیا یعنی هلیوم است. اگر در نیروگاه‌های همجوشی هسته‌ای مشکلی ایجاد شود، انفجار و فاجعه‌های پس از آن به‌وجود نمی‌آید، آن‌ها فقط از کار می‌افتند. دانیل کلری در مقایسه با نیروگاه‌های همجوشی هسته‌ای و نیروگاه‌های سوخت فسیلی می‌گوید:

یک نیروگاه یک گیگاواتی زغالی در هر روز به ۱۰ هزار تن زغال‌سنگ احتیاج دارد. در عوض، مقدار لیتیومی که در باتری یک لپ‌تاپ معمولی وجود دارد و مقدار دوتریومی که در ۴۵ لیتر آب موجود است، می‌تواند از طریق فرایند همجوشی آن‌قدر انرژی تولید کند که برای مصرف ۳۰ سال کل بریتانیا کافی باشد.

همجوشی هسته ای/ nuclear fusion

طنز تلخ درباره‌ی همجوشی هسته‌ای است که همیشه گفته‌ایم فناوری استحصال اقتصادی و گسترده‌ی آن، تا ۳۰ سال دیگر محقق می‌شود و دهه‌ها است آن را تکرار می‌کنیم. چیزی که باعث می‌شود رسیدن به فناوری همجوشی مشکل باشد، عدم علاقه‌ی هسته‌ی اتم‌ها به جوش خوردن با یکدیگر است. هسته‌ی اتم هیدروژن دارای یک پروتون است و بنابراین بار الکتریکی مثبت دارد و وقتی می‌خواهید یک هسته‌ی اتم هیدروژن دیگر را به آن جوش بدهید، به‌دلیل اینکه هر دو دارای بار مثبت هستند، در برابر جوش خوردن مقاومت می‌کنند. تنها راه این است که به زور این کار را انجام دهید و آن‌قدر دمای اتم‌ها را بالا ببرید که به پلاسما تبدیل شوند.

اگر پلاسمایی خیلی داغ داشته  باشید، بعضی از هسته‌ها چنان محکم به یکدیگر برخورد می‌کنند که به یکدیگر جوش می‌خورند. برای انجام این فرایند، به دما و فشار خیلی زیادی احتیاج است. مشکل این است که ما روی زمین باید شرایط قسمت مرکزی خورشید را بازسازی کنیم؛ خورشیدی که جرمش ۳۳۰ هزار برابر زمین است و دمای مرکز آن به ۱۷ میلیون درجه‌ی سانتیگراد می‌رسد. نکته‌ی بد این‌جا است که چون روی زمین به‌اندازه‌ی خورشید سوخت هیدروژن در اختیار نداریم، باید دما را به ۱۰۰ میلیون درجه‌ی سانتیگراد برسانیم.

مشکل دوم این است که ماده در شکل پلاسما رفتارهای عجیبی از خود نشان می‌دهد؛ پلاسما شکل چهارم ماده است و نه مایع است، نه جامد و نه گاز. وقتی پلاسما را در دما و فشار خیلی زیاد قرار می‌دهید، به‌شدت ناپایدار می‌شود. برای کنترل شرایط ناپایدار آن نیز از تجهیزات معمولی نمی‌توان استفاده کرد چرا که در دمای ۱۰۰ میلیون درجه، هر ماده‌ی جامدی را نه مذاب، بلکه بخار می‌کند. به نوعی ما باید روی زمین یک ستاره بسازیم و آن‌قدر این کار چالش‌برانگیز است که بشر برای رسیدن به آن، باید پیچیده‌‌ترین و بزرگ‌ترین فناوری‌های تاریخ را درست کند. مزیت همجوشی هسته‌ای نسبت به شکافت هسته‌ای عبارت است از:

  • منابع سوخت آن بسیار فراوان است، به‌عنوان مثال دوتریوم حدود ۰/۰۱۵۳ درصد اتمی از هیدروژن‌های آب اقیانوس‌ها را تشکیل می‌دهد. تریتیوم نیز در فرایند جذب نوترون توسط لیتیوم قابل تولید است.
  • به‌ازای هر نوکلئون از ماده‌ی سوخت، انرژی تولیدی نسبت به روش شکافت بیشتر است.
  • معضل پسماندهای هسته‌ای را ندارد.
  • در هنگام وقوع حوادث احتمالی، راکتور همجوشی از کنترل خارج نمی‌شود.

خورشید و ستار‌ه‌ها

همجوشی هسته ای/ nuclear fusion

دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده است و در آن انرژی تولید می‌کند، سال‌ها پیش کشف کرده‌اند. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته‌های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم؛ اما مشکلی سر راه این نظریه است. بالاترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر ۱۵ ضرب در ۱۰ به توان ۶ است. در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به ۲۰ ضرب در ده به توان ۶ می‌رسد. به‌ همین دلیل تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک اتم هلیوم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می‌شود، بلکه احتمالا چرخه‌ی کربن در آن‌ها به کمک آمده است و کوره‌ی آن‌ها را روشن نگه می‌دارد.

منظور از چرخه‌ی کربن آن چرخه‌ای نیست که روی زمین اتفاق می‌افتد، بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم C۱۲ ترکیب می‌شود (همجوشی) و یک اتم N۱۳ را به‌همراه یک واحد پرتو گاما آزاد می‌کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتم C۱۳، یک پوزیترون و یک نوترینو تبدیل می‌شود. سپس این C۱۳ دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می‌شود و N۱۴ و یک واحد گاما حاصل می‌شود. دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی، اتم O۱۵ و یک واحد گاما تولید می‌شود. سپس در اثر واپاشی N۱۵ ،O۱۵، یک پوزیترون و یک نوترینو به‌وجود می‌آید.

برخورد هسته‌های چهار اتم هیدروژن و تبدیل آن‌ها به یک اتم هلیوم، واکنش کلی همجوشی در خورشید است

سرانجام با ترکیب N۱۵ با یک هیدروژن معمولی، C۱۲ همراه یک اتم هلیوم به‌دست می‌آید. یک تعریف ساده و پایه‌ای از همجوشی عبارت است از فرو رفتن هسته‌های چند اتم سبک‌تر و تشکیل یک هسته‌ی سنگین‌تر؛ مثلا واکنش کلی همجوشی که در خورشید رخ می‌دهد عبارت است از برخورد هسته‌های چهار اتم هیدروژن و تبدیل آن‌ها به یک اتم هلیوم. تا اینجا ساده به نظر می‌رسد، ولی مشکلی اساسی سر راه است می‌دانید هسته از ذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون و نوترون جزء جداناشدنی آن هستند.

نوترون بدون بار و پروتون با بار مثبت که سایر بارهای مثبت را به‌شدت از خود می‌راند. اگر پروتون‌ها (هسته‌های هیدروژن) یکدیگر را دفع می‌کنند، چگونه می‌توان آن‌ها را در همجوشی شرکت داد؟ همان‌طور که حدس زدید راه‌حل اساسی آن است که به این پروتون‌ها آن قدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آن‌ها بیشتر از نیروی دافعه کولنی آن‌ها شود و پروتون‌ها بتوانند به‌اندازه‌ی کافی به هم نزدیک شوند. حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟ گرما راه‌حل خوبی است. در اثر افزایش دما جنب‌و‌جوش یا انرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر می‌شود، به‌طوری که تعداد برخوردها و شدت آن‌ها بیشتر می‌شود. به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ 

یک سماور پر از آب را تصور کنید؛ وقتی سماور را روشن می‌کنید با این کار به آب درون سماور گرما می‌دهید (انرژی منتقل می‌کنید). در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته‌رفته بالاتر می‌رود و جنب‌و‌جوش مولکول‌های آب زیاد می‌شود. در این حالت بین مولکول‌های آب برخوردهایی پدید می‌آید. هر مولکول که از شعله (یا هر چیز دیگری) مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب‌و‌جوش می‌کند تا بالاخره (به‌علت محدود بودن محیط سماور و آب) انرژی خود را به دیگری بدهد. مولکول بعدی نیز به‌نوبه‌ی خود همین عمل را انجام می‌دهد. در نتیجه رفته‌رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می‌شود و دمای آب بالا می‌رود.

دوتریوم و تریتیوم

آیا وقتی بدنه‌ی سماور را لمس می‌کنیم هیچ گرمایی حس نمی‌کنیم؟ بله حس می‌کنیم. دلیلش برخورد مولکول‌های پرانرژی آب با بدنه‌ی سماور و انتقال انرژی خود به آن است؛ هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور. امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید. بله اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیون‌ها درجه کلوین برسانیم آیا این اتم‌ها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتم‌ها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره می‌دهد و آن را نابود می‌کند؟ بنابراین نیاز به محصورسازی داریم، یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود؛ شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.

درست است که دمای ۱۵ میلیون درجه دمای بسیار بالایی است و تصور به‌وجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک است، ولی معمولا در زندگی روزمره اطرافمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آن‌ها غافل هستیم. مثلا وقتی در اثر اتصالی سیم‌های برق داخل جعبه‌تقسیم می‌سوزد و شما صدای جرقه‌ی آن‌را می‌شنوید و پس از بررسی متوجه می‌شوید که کاملا ذوب شده است فقط به‌دلیل دمای وحشتناکی بوده که آن داخل به‌وجود آمده است. این دما به‌حدود چهل هزار درجه‌ی کلوین می‌رسد؛ البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی‌سواری را دارد.

همچنین می‌توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوس‌های الکتریکی را از درون لوله‌های موئین عبور بدهیم. به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده است حدود چند میلیون درجه می‌رسد (که باز هم برای همجوشی کم است). یکی از بهترین راه‌ها استفاده از لیزر است و می‌دانید که لیزرهایی با توان‌های بسیار بالا ساخته شده‌اند، مثلا نوعی از لیزر به‌نام لیزر نوا (NOVA) می‌تواند در مدت کوتاهی انرژی معادل ۱۰ به توان پنج ژول تولید کند.

شرکت تری‌آلفا قصد دارد که در آینده، پروتون‌ها را با بورون ۱۱ همجوشی دهد

اما باز هم در کنار هر مزیت معایبی هست، مثلا این لیزر انرژی زیادی مصرف می‌کند که حتی با صرف‌نظر از آن مشکل دیگری هست که می‌گوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده شود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصورسازی پایین آمده است) باید چگالی بالاتر برود؛ که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالاتر می‌رود. وقتی می‌خواهید همجوشی هسته‌ای انجام دهید، بهتر است هسته‌ی کدام اتم‌ها را انتخاب کنید؟

تا به حال معمولا دو ایزوتوپ هیدروژن، یعنی دوتریوم و تریتیوم انتخاب می‌شدند. کار کردن با این اتم‌ها ساده‌تر است چرا که در دمای نسبتا کم ۱۰۰ میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد دچار همجوشی می‌شوند؛ به‌کارگیری این اتم‌ها نیز خالی از مشکل نیست. مسئله‌ی اول این است که تریتیوم، ایزوتوپی نسبتا نادر است. دوم اینکه واکنش دوتریوم-تریتیوم در کنار تولید پسماند ایزوتوپی از هلیوم، یک نوترون هم باقی می‌‌گذارد. این به خودی خود مشکل‌زا است، چراکه وقتی تعداد زیادی نوترون آزاد را به سمت چیزی پرتاب می‌کنید، در نهایت پرتوزا می‌شود، در نهایت شما نیاز خواهید داشت که مرتب قسمت‌هایی از رآکتور را به‌دلیل پرتوزا شدن تعویض کنید. بیندرباور، انتقادهای زیادی را به استفاده از دوتریوم و تریتیوم وارد می‌کند او می‌گوید:

اصلا فرض کنیم که پروژه‌ی ITER با موفقیت به اتمام برسد. حتی آن زمان هم باید سال‌های زیادی را صرف یافتن موادی برای ساخت قسمت‌های مختلف رآکتور بکنیم که بتواند در آن اوضاع جهنمی بمباران شدید نوترونی، ۶ تا ۹ ماه دوام آورد.

همجوشی هسته ای/ nuclear fusion

مهندسان هم‌اکنون نیز در حال کار کردن روی راه‌حل‌هایی هستند. گرداب فلز مایع در رآکتور جنرال فیوژن ترکیبی از سرب و لیتیوم است که می‌تواند نوترون‌های آزاد را جذب کند. هرچند این کار جایزه هم دارد، یعنی اینکه وقتی نوترون‌ها به لیتیوم برخورد می‌کنند، تریتیوم به‌وجود می‌آید. رآکتور شرکت هلیون انرژی، دوتریوم و هلیوم ۳ را همجوشی می‌دهد که این باعث می‌شود نوترون‌های آزاد کمتری تولید شود. با این حال مشکل این است که این همجوشی به دمای بیشتری احتیاج دارد و هلیوم ۳ هم خیلی نادر است. شرکت تری‌آلفا قصد دارد که در آینده، پروتون‌ها (همان هسته‌ی هیدروژن) را با بورون ۱۱ همجوشی دهد. این واکنش هیچ نوترونی تولید نمی‌کند و هر دو عنصر در طبیعت فراوان هستند. بیندرباور در ادامه می‌گوید:

ما همیشه می‌گوییم که اگر کسی می‌خواهد نیروگاه ما را بخرد، می‌توانیم به‌صورت مادام‌العمر سوخت آن را مجانی تأمین کنیم.

اما مشکل بزرگ این واکنش آنجا است که همجوشی پروتون-بورون ۱۱ به دمای وحشتناک بالای ۳ میلیارد درجه‌ی سانتیگراد احتیاج دارد؛ به‌همین دلیل است که هیچ‌کس به جز تری‌آلفا دوست ندارد سراغ این ایده برود؛ کسی نمی‌داند در این دما پلاسما چگونه رفتار می‌کند. تقریبا همه به ایده‌ی تری‌آلفا بدبین هستند و چالش‌های مهندسی همجوشی دوتریوم و تریتیوم را ترجیح می‌دهند. دنیس وایت، که مدیر مرکز همجوشی و علوم پلاسما در MIT است، می‌گوید:

همین الان ایجاد فرایند همجوشی، حتی با دوتریوم و تریتیوم کار بسیار مشکلی است. هر عنصر دیگری را که می‌خواهیم انتخاب کنیم، باید ببینیم همجوشی دادن آن چند برابر سخت‌تر از دوتریوم و تریتیوم است.

لابرژ نیز همینطور فکر می‌کند؛ او می‌گوید:

انگار قبل از اینکه یاد گرفته باشیم راه برویم، بخواهیم بدویم. یا حتی قبل از اینکه بتوانیم راه‌برویم، بخواهیم پرواز کنیم. می‌توان گفت همین الان شرکت جنرال فیوژن خیلی بلند‌پرواز است که می‌خواهد همجوشی انجام بدهد، ولی تری‌آلفا دیگر واقعا به‌طرز دیوانه‌واری بلند‌پرواز است.

توکامک‌ها و استلراتورها

توکامک ها/ Tokamak

ماشین عظیم یک میلیارد یورویی که آلمانی‌ها برای ۲۰ سال روی آن کار می‌کردند، چند سال پیش به کار افتاد. این ماشین نوعی رآکتور همجوشی هسته‌ای به‌نام استلراتور است؛ ماشینی که آلمانی‌ها اسمش را وندلشتان هفت-ایکس (Wendelstein 7-X) گذاشته‌اند. در آغاز، دانشمندان به مدت دو ماه این ماشین را با گاز هلیوم پر می‌کنند. هلیوم یک گاز بی‌اثر است و پژوهشگران با استفاده از آن می‌خواهند مطمئن شوند که می‌توانند به‌طور مؤثر، این گاز را کنترل کنند و دمای آن را بالا ببرند. در پایان ماه ژانویه‌ی سال بعد، آزمایش‌ها با گاز هیدروژن آغاز می‌شود.

در نتیجه دانشمندان می‌توانند با همجوشی ایزوتوپ‌های هیدروژن، به منبعی قابل اعتماد برای به دست آوردن انرژی پاک و بی‌انتها دست یابند. این ماشین یک میلیارد یورویی در حقیقت حلقه‌ای به قطر ۱۶ متر دارد که تجهیزات مختلف عجیب‌و‌غریبی به بدنه‌ی آن نصب شده و سیم‌های زیادی از آن آویزان است. همچنین تکنسین‌های زیادی مرتب در حال کار کردن با قسمت‌های مختلف آن هستند.

ماشین وندلشتاین ۷ ایکس آلمانی‌ها، حلقه‌ای به قطر ۱۶ متر دارد

درون این ماشین که بیشتر به ماشین‌های موجود در فیلم‌های علمی-تخیلی شبیه است، ۵۰ آهنربای الکتریکی هرکدام به وزن ۶ تن قرار دارد. هرچند اساس کار استلاریتورها با توکامک‌ها یکسان است، ولی تا به حال توجه کمی به آن‌ها می‌شد. توکامک‌ها خیلی بهتر می‌توانند گاز را به دام بیندازند و دمای آن را بالا ببرند. با این حال استلراتور ویژگی‌هایی دارد که می‌تواند باعث شود به هنگام استفاده‌‌ به‌صورت اقتصادی، ماشین‌ بهتری نسبت به توکامک‌ باشد. استلراتورها به‌هنگام کارکرد خیلی با ثبات‌تر هستند و برخلاف توکامک‌ها، هر از گاه دچار فروپاشی نمی‌شوند.

با این حال ساخت استلراتورها مشکل‌تر است و ممکن است برخلاف انتظار، هزینه و تأخیر در ساخت آن‌ها بیشتر از ساخت توکامک‌ها شود. وندلشتاین 7-X می‌تواند یک نقطه‌ی عطف باشد. این ماشین که در مؤسسه‌ی تحقیقات فیزیک پلاسمای مکس‌پلانک آلمان قرار دارد، اولین مثال بزرگ از استلراتورهایی است که توسط ابرکامپیوترها طراحی شده‌اند. اگر این ماشین بتواند مثل توکامکی در همین اندازه عملکرد داشته باشد، پژوهشگران این حوزه می‌توانند مسیر جدیدی در همجوشی هسته‌ای ترسیم کنند. دیوید اندرسون، از دانشگاه ویسکانسین مدیسون می‌گوید:

کسانی که روی توکامک‌ها کار می‌کنند، خیلی دوست دارند ببینند نتیجه چه می‌شود و هیجان‌زده هستند.

وندلشتاین 7-X نخستین استلراتور بزرگ جهان است و با استفاده از پیچیده‌ترین مدل‌های مهندسی ساخته شده است و می‌تواند بازه‌های دمایی خیلی زیاد و نیروهای شدید را تحمل کند. اگر درباره‌ی انرژی همجوشی هسته‌ای مطالعه کرده باشید، حتما در مورد توکامک‌ها هم خوانده‌اید. این ماشین‌ها برای این ساخته شده‌اند که بتوانند گاز یونیزه‌شده به‌نام پلاسما را در میدان‌های مغناطیسی به دام بیندازند و آن را به دمای بسیار زیاد برسانند. بدین ترتیب هسته‌های هیدروژن به‌هم جوش می‌خورند. 

راکتور گرما هسته ای

راکتور گرماهسته‌ای آزمایشی بین‌المللی (ITER) یا آیتر، بزرگ‌ترین طرح یک رآکتور همجوشی هسته‌ای است که تاکنون طراحی شده است.

توکامک‌ها، ستون فقرات پیشبرد پژوهش‌های هسته‌ای هستند و ساخت آن‌ها نسبتا آسان است، با این حال از زمانی‌که به‌وجود آمده‌اند، پیشرفت خیلی زیادی نکرده‌اند. یکی از راه‌های رایج‌تر برای ایجاد همجوشی، کنترل پلاسما به‌صورت مغناطیسی است. پلاسما حساسیت زیادی نسبت به میدان مغناطیسی دارد، بنابراین میدان مغناطیسی باعث می‌شود بتوانیم بدون برقراری تماس فیزیکی با این ماده‌ی داغ، آن را کنترل کنیم. این همان کاری است که در ماشین توکامک  انجام می‌شود.

 توکامک‌ها خیلی بهتر می‌توانند گاز را به‌دام بیندازند و دمای آن را بالا ببرند

توکامک ماشینی فلزی و توخالی است که دور آن سیم‌پیچ‌هایی برای ایجاد یک آهنربای الکتریکی قدرتمند پیچیده شده است. این سیم‌پیچ‌ها میدان مغناطیسی ایجاد می‌کنند و در نتیجه پلاسمای درون دستگاه فشرده می‌شود. توکامک نخستین بار در دهه‌ی ۱۹۵۰ در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شد و از آن زمان نقش مهمی در پژوهش‌های همجوشی هسته‌ای داشته است. در دهه‌ی ۱۹۸۰، توکامک‌های بزرگی در آمریکا، ژاپن و انگلستان ساخته شدند که صدها میلیون دلار هزینه داشتند.

اکنون در شهر کوچکی خارج از مارسی فرانسه، توکامکی بزرگ در حال ساخته شدن است (شکل بالا) که وقتی کامل شود، ۳۰ متر ارتفاع و ۲۳ هزار تن وزن خواهد داشت؛ با راه‌اندازی‌اش هزاران نفر در رابطه با آن مشغول به کار خواهند شد. در این توکامک، ۸۴۰ متر مکعب پلاسما قرار خواهد گرفت و آهنرباهای الکتریکی آن به ۱۰۰ هزار کیلومتر سیم از جنس نیوبیوم-قلع احتیاج خواهند داشت. هزینه‌ی آن نیز توسط کنسرسیومی بین‌المللی از کشورهای آمریکا، روسیه، اتحادیه اروپا، چین، ژاپن، کره‌ی جنوبی و هند تأمین می‌شود.

بسیاری اوقات نیز بودجه‌ی تعیین‌شده‌ی اولیه، کفاف پروژه را نمی‌دهد و برنامه با کمبود بودجه مواجه می‌شود. برای مثال پروژه‌‌ای که تأسیسات ملی احتراق و علوم فوتونی آن را اجرا کرد، هفت سال بعد از موعد مقرر و با بودجه‌ی پنج میلیارد دلار به پایان رسید؛ دقیقا دو برابر بودجه‌ای که اول کار برایش در نظر گرفته شده بود. پروژه‌ی آیتر نیز همین وضعیت را دارد و در حالی که قرار بود سال ۲۰۱۶ به پایان برسد، بهره‌برداری کامل از آن به سال ۲۰۲۷ موکول شد؛ البته باز هم ممکن است به تعویق بیافتد. بودجه‌ی اولیه‌ی آن ۵ میلیارد دلار بود و اکنون به ۲۰ میلیارد دلار رسیده است. این را مقایسه کنید با آزمایشگاه بزرگ LHC در سرن که کارش با ۴.۷۵ میلیارد دلار به پایان رسید. بیندرباور می‌گوید:

دانشگاه‌ها نمی‌توانند به برنامه‌ریزی‌ پروژه‌های همجوشی پایبند باشند و در زمان مقرر و با بودجه‌ی تعیین‌شده، پروژه را تکمیل کنند.

هدف همه‌ی این ماشین‌ها آن است که بتوانند بیشتر از اینکه انرژی مصرف کنند، انرژی تولید کنند. بعضی از توکامک‌های بزرگ در دهه‌ی ۱۹۹۰ توانستند به نقطه‌ی سر به سر نزدیک شوند، ولی تا به حال هیچ‌کدام از آن گذر نکرده‌اند. پژوهش‌ها در زمینه‌ی فناوری همجوشی هسته‌ای بسیار آرام پیش می‌روند و خیلی هزینه‌بر هستند. به‌گفته‌ی مایکل لابرژ، بنیانگذار شرکت جنرال فیوژن در کانادا، در پژوهش‌های دانشگاهی، هدف آخر رسیدن به مقاله‌های پژوهشی است.

استلراتور

این درحالی است که مردم دوست دارند هدف نهایی پژوهش‌های همجوشی، دستیابی به انرژی الکتریکی باشد، ولی هدف نخست دانشگاه‌ها، ارائه‌ی مقاله‌‌های متعدد در کنفرانس‌ها و سر درآوردن از جزییات مختلف فرایند همجوشی است. سر در آوردن از جزییات و درک بهتر فرایند همجوشی خیلی خوب است، ولی در دنیای واقعی، مردم به انرژی فراوان و پاک احتیاج دارند. یکی از افراد بسیار تأثیر‌گذار در تأسیس شرکت تری‌آلفا، فیزیک‌دانی به‌نام نورمن روستوکر (Norman Rostoker) است.

روستوکر که در سال ۲۰۱۴ فوت کرد، یک فیزیک‌دان پلاسما بود که در ریاضیات نیز بسیار استاد بود و البته می‌توانست علم خود را خیلی خوب به‌صورت عملی پیاده کندِ بیندرباور یکی از شاگردان او است. حتی در اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰، روستوکر به توکامک‌ها بدبین بود؛ در یک توکامک، ذرات ماده‌ی پلاسما در مدارهایی مارپیچی و باریک به دور خطوط جریان الکتریکی گردش می‌کنند، ولی اغتشاشات الکترومغناطیسی باعث می‌شود که ذرات از مدار دقیق خود خارج و پلاسما ناپایدار شود. در نتیجه‌ی این ناپایداری، پلاسما دمای خود را از دست می‌دهد؛ نگه داشتن ذرات در مدار کار بسیار مشکلی است.

یکی از راه‌هایی که دانشمندان برای مقابله با این عدم پایداری برگزیده‌اند، ساخت توکامک‌های بزرگ و بزرگتر است. اما مسئله این است که هرچه توکامک‌ها بزرگتر می‌شوند، پیچیده‌ و گران‌تر می‌شوند و به انرژی بیشتری احتیاج دارند، به همین دلیل روستوک فکر کرد که شاید راه‌حل بهتری هم وجود داشته باشد. او یکی از این راه‌حل‌ها را در شتاب‌دهنده‌های ذرات دید. شتاب‌دهنده‌هایی مثل برخورد دهنده‌ی بزرگ هادرونی، که در آن ذرات زیراتمی در تونل‌های طولانی و حلقوی با شدت زیاد به‌یکدیگر برخورد می‌کنند؛ در شتاب‌دهنده‌ها ذرات در مدار‌هایی بسیار پایدار گردش می‌کنند. روستوکر و بیندرباور فکر کردند که شاید بتوان چنین مدارهایی را در رآکتورهای همجوشی استفاده کرد. آن‌ها دو سال به این موضوع فکر کردند. بیندرباور می‌گوید:

اگر بتوانیم شتاب‌دهنده‌ها را به دنیای همجوشی هسته‌ای بیاوریم، شاید بتوانیم کاری کنیم که پلاسما رفتار بهتری از خودش نشان دهد. در نهایت می‌توان به یک پلاسمای پایدار دست یافت.

روستوکر در ضمن اعتقاد داشت که پژوهش‌های همجوشی باید به بخش خصوصی واگذار شوند، زیرا با سرعت بیشتری نسبت به مراکز دانشگاهی و دولتی پیش می‌روند. او اعتقاد داشت که انرژی همجوشی هسته‌ای باید به شکل یک محصول قابل خرید و فروش درآید. بیندرباور می‌گوید:

مشکل همجوشی این است که علم آن‌ را پیش می‌برد. به همین دلیل هم پیشرفت کندی دارد و دقیقا با نیازهای جامعه منطبق نیست. در حالی‌که باید به هدف و نتیجه‌ی نهایی فکر کرد.

جذب بودجه کار بسیار مشکلی است و توکامک‌ها همه‌ی پول اختصاص داده‌شده را بالا می‌کشند و این سرمایه‌گذاران خصوصی را می‌ترساند. به‌خصوص اینکه سرمایه‌گذاران در سیلیکون‌ولی عادت کرده‌اند که استارتاپ‌ آن‌ها خیلی زود به سوددهی برسد. جذب نیروی انسانی هم مشکل است؛ ساخت یک رآکتور همجوشی نیاز به همکاری فیزیک‌دان‌ها و مهندسان زیادی دارد، دو گروهی که در طول تاریخ هم خیلی رابطه‌ی خوبی با یکدیگر نداشتند. پژوهشگرانی که در استارتاپ‌هایی مثل تری‌آلفا کار می‌کردند، برخلاف آزمایشگاه‌های دانشگاهی، خود را از بحث‌های نظری خلاص کردند. تا وقتی یک روش کار می‌کرد، دیگر به‌دنبال پژوهش بر اینکه چرا آن روش کار می‌کند، نبودند. آن‌ها خیلی عملگرایانه با مسائل برخورد می‌کردند و در نتیجه سرعت کار بالا رفت. 

همجوشی

ممکن است بعضی از مراکز آکادمیک با روش‌های علمگرایانه‌ی آن‌ها مخالف باشند، ولی کسی نمی‌تواند انکار کند که شرکت تری‌آلفا توانسته با بودجه‌ای خیلی کم، یک رآکتور همجوشی آزمایشی درست کند. خوشبختانه تری‌آلفا مشاوران علمی خیلی خوبی دارد که می‌توان به بورتون ریشتر (Burton Richter) برنده‌ی نوبل فیزیک ۱۹۷۶ و رونالد دیویدسون (Ronald Davidson)، مدیر پیشین آزمایشگاه‌های همجوشی در MIT و پرینستون، اشاره کرد. بیندرباور به یاد می‌آورد که در سال ۲۰۰۸ نخستین رآکتور آزمایشی همجوشی را در حضور آن‌ها رونمایی کرد. او می‌گوید:

به یاد دارم که همه‌ی آن‌ها تعجب کردند و با خودشان گفتند که آیا این‌ بچه‌ها توانسته‌اند رآکتور را بسازند؟

رآکتور تری‌آلفا کاملا با توکامک‌هایی که امروز در جبهه‌ی پژوهش‌های همجوشی وجود دارند یا حتی لیزر تأسیسات ملی احتراق و علوم فوتونی متفاوت است. این رآکتور، توپی برای شلیک حلقه‌های پلاسمای داغ دارد. این حلقه‌ها با سرعتی نزدیک به یک میلیون کیلومتر بر ساعت شلیک می‌شوند. این رآکتور یک توپ دیگر نیز دارد که روبه‌روی توپ اول قرار گرفته است؛ این دو، هم‌زمان حلقه‌های پلاسمایی را به‌سوی یکدیگر شلیک می‌کنند. دو حلقه‌ی پلاسما به‌شدت با یکدیگر برخورد می‌کنند و در مرکز محفظه با یکدیگر ترکیب می‌شوند.

شدت این برخورد به‌حدی است که دمای پلاسما به ۱۰ میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد. دو حلقه‌ی پلاسمایی به یک توده‌ی واحد ۷۰ تا ۸۰ سانتی‌متری به شکل توپ راگبی تبدیل می‌شوند که یک سوراخ بزرگ درون آن است. این توده بر سر جای خود چرخش می‌کند اما کار همین‌جا تمام نمی‌شود. پیرامون محفظه‌ی مرکزی، ۶ عدد تفنگ کوچک وجود دارد که اتم‌های هیدروژن را به لبه‌های توده‌ی پلاسمایی شلیک می‌کنند تا پلاسما پایدار و داغ بماند. دو نکته درباره‌ی این توده وجود دارد، یکی اینکه ذرات در مداری عریض‌تر نسبت به مدار موجود در توکامک‌ها گردش می‌کنند و بنابراین در برابر اغتشاشات پایدار‌تر هستند.

توکامک‌ها گاز یونیزه‌شده به‌نام پلاسما را در میدان‌های مغناطیسی به‌دام می‌اندازند

دوم اینکه این توده‌ی پلاسما میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. به‌جای ایجاد میدان مغناطیسی از بیرون، تری‌آلفا از پدیده‌ای به‌نام پیکربندی واژگون میدان (FRC) استفاده می‌کند، یعنی اینکه خود پلاسما میدان مغناطیسی محدودکننده‌ی خود را تولید می‌کند. این ماشین یک هیولای واقعی است که ۲۳ متر طول و ۱۱ متر عرض دارد. تعداد زیادی لوله و کابل به یکدیگر وصل شده‌اند و روی بدنه‌ی آن درجه‌ها و عقربه‌های زیادی وجود دارد. نام آن C-2U است و آن‌قدر پیچیده ‌است که بیشتر شبیه به رآکتورهای فیلم‌های هالیوودی می‌ماند. این ماشین در سالنی بزرگ از ساختمان تری‌آلفا در اورنج کانتی قرار گرفته است و در کنار آن، اتاق کنترلی متشکل از صدها کامپیوتر برای کنترل و پردازش اطلاعات آن وجود دارد.

حدود ۱۰ هزار مهندس نیز به‌طور مداوم سلامت ماشین را کنترل می‌کنند. این ماشین در هر ۵ میلیونیوم ثانیه، داده‌هایی به حجم یک گیگابایت تولید می‌کند. در ماه اوت سال ۲۰۱۵ تری‌آلفا اعلام کرد که این ماشین داده‌های خیلی جالبی تولید کرده است. تا به حال تلاش شرکت بر این بوده است که بتواند پلاسما را به‌مدت طولانی‌تری در حالت پایدار قرار دارد و کمتر بر پایدار نگه داشتن آن در دمای بالاتر تمرکز کرده است. پایدار نگه داشتن به‌مدت زمان طولانی‌تر، کار سخت‌تری محسوب می‌شود. اکنون بیندرباور اعتقاد دارد که به این هدف رسیده‌اند. آن‌ها در ماه ژوئن توانستند به مدت ۵ میلی‌ثانیه پلاسما را پایدار نگه دارند. بیندرباور می‌گوید:

ما کاملا بر این فناوری غالب شده‌ایم و می‌توانیم پلاسما را ۱۰۰ درصد پایدار نگه داریم.

راکتور تری آلفا

                                                                  راکتور تری‌آلفا (Tri Alpha)

استلراتورها در برابر همان چالش‌هایی قرار دارند که دیگر ماشین‌های همجوشی مثل توکامک‌ها با آن‌ها درگیر‌ هستند. آن‌ها باید بتوانند دمای گاز را تا ۱۰۰ میلیون درجه‌ی سانتیگراد، یعنی هفت برابر دمای هسته‌ی خورشید بالا ببرند و آن را نگه دارند. این میزان دما، الکترون‌ها را از اتم‌ها جدا می‌کند و پلاسمایی از الکترون‌ها و یون‌ها برجای می‌گذارد. این باعث می‌شود یون‌ها بتوانند آن‌قدر سریع حرکت کنند که با یکدیگر برخورد کنند و به هم جوش بخورند. این کار باعث بی‌ثبات شدن گاز می‌شود؛ به همین دلیل گاز را در یک قفس مغناطیسی نگه می‌دارند.

سیم‌پیچی به دور تونل‌های مملو از گاز پیچیده شده است که وقتی جریان برق از آن عبور می‌کند، میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود و در نتیجه گاز از بدنه‌ی تونل دور می‌ماند و درون آن هدایت می‌شود. در ضمن تونل به‌صورت حلقه ساخته شده است تا هیچ خط پایانی برای گاز وجود نداشته باشد. یکی از مشکلاتی که این شکل حلقوی ایجاد می‌کند این است که سیم‌پیچ‌های نزدیک به مرکز دونات به هم نزدیک‌تر هستند و در نتیجه میدان مغناطیسی در آنجا قوی‌تر است. این عدم تعادل مغناطیسی باعث می‌شود که پلاسما به دیواره‌های تونل برخورد کند.

استلراتورها باید بتوانند دمای گاز را تا ۱۰۰ میلیون درجه‌ی سانتیگراد، بالا ببرند

راه‌حل، نصب آهنرباهای الکتریکی دیگری در قسمت بیرونی تونل است که بتواند با به‌وجود آوردن نوعی پیچش در جریان پلاسما، آن اثر مغناطیسی اضافه را خنثی و تعادل را برقرار کند. نخستین استلراتور در سال ۱۹۵۱ توسط اخترفیزیک‌دانی به نام لیمان اسپیتزر (Lyman Spitzer) در دانشگاه پرینستون ساخته شد؛ استلراتور او به شکل عدد ۸ انگلیسی بود. توکامک‌ها هم پیچش را روی توده‌ی پلاسما ایجاد می‌کنند، با این حال این پیچش از درون ایجاد می‌شود. آن‌ها از دستگاه‌هایی مثل ترنسفورماتور برای تحریک الکترون‌ها و یون‌ها جهت حرکت مثل جریان الکتریکی در تونل استفاده می‌کنند.

این جریان، نوعی میدان مغناطیسی عمومی چنبره‌ای ایجاد می‌کند که وقتی به میدان موجود در طول تونل اضافه می‌شود، خطوط مارپیچی میدان درون تونل را ایجاد می‌کند. توکامک و استلراتور هر دو به خوبی کار می‌کنند، ولی توکامک‌ها در ثبات نگه‌داشتن پلاسما بهتر هستند. قسمتی از آن به دلیل تقارن مغناطیسی توکامک‌ها است که باعث می‌شود ذرات گاز مسیر مستقیم‌تری را بپیمایند. اندرسون می‌گوید که در استلراتور، ذرات دچار تکان‌ و انحراف زیادی می‌شوند و این باعث می‌شود که بسیاری از آن‌ها از مسیر خارج شوند.

به همین دلیل بیشتر پژوهش‌های همجوشی در دهه‌ی ۱۹۷۰ روی توکامک‌ها متمرکز شد. نتیجه‌ی آن را می‌توانیم در توکامک آیتر که در فرانسه ساخته می‌شود، ببینیم. این توکامک‌ می‌تواند راه ما به سوی رسیدن به رآکتورهای همجوشی اقتصادی را هموار کند. ولی توکامک‌ها هم مشکلات زیادی دارند؛ یک ترنسفورماتور می‌تواند در پالس‌هایی کوتاه جریان را از درون پلاسما عبور دهد و این برای ساخت رآکتورهای اقتصادی مناسب نیست. جریان موجود در پلاسما ممکن است دچار مشکل شود و در نتیجه به فروپاشی مغناطیسی بیانجامد.

راکتور همجوشی هسته ای

سرانجام، قوام پلاسما از دست می‌رود و نیروهای مغناطیسی آن‌قدر زیاد می‌شوند که به توکامک آسیب می‌رسد. در عوض استلراتورها خیلی ایمن هستند، یعنی میدان مغناطیسی آن‌ها به‌طور کامل از سیم‌پیچ‌های خارجی تأمین می‌شود که نیاز به پالس‌های جریان الکتریکی ندارند؛ هیچ جریان پلاسمایی وجود ندارد که منجر به فروپاشی شود. این دو عامل باعث شده است که بعضی گروه‌های پژوهشی، استلراتورها را رها نکنند. پیش از استلراتور آلمانی، بزرگ‌ترین استلراتور جهان به نام ماشین عظیم مارپیچی (LHD) سال ۱۹۹۸ در ژاپن ساخته شده بود.

این استلراتور، نوعی از همان طراحی کلاسیک استلراتوری است که لیمان اسپیتزر ساخته بود. LHD نیز دارای دو سیم‌پیچ مارپیچی بزرگ برای اعمال نیرو به پلاسما و سیم‌پیچ‌های دیگر جهت کنترل آن است. این استلراتور همه‌ی رکوردها را از آن خود کرده و کاملا باثبات است و تقریبا با توان توکامکی به‌اندازه‌ی خودش کار می‌کند. دو پژوهشگر آلمانی به نام یورگن نورنبرگ و آلن بوزر، فکر کردند می‌توانند با نوعی طراحی متفاوت کاری کنند که پلاسما در میدان مغناطیسی با نیروی ثابت ولی جهات متغیر، پایدار بماند. پر هرالندر، از مؤسسه‌ی تحقیقات فیزیک‌ پلاسمای مکس پلانک می‌گوید:

این میدان شبه‌متقارن برای به دام انداختن ذرات کاملا مناسب نیست. ولی می‌توانید با آن به حالت کامل نزدیک شوید و به سطحی قابل قبول برسید.

به‌طور کلی می‌توان کاری کرد که یک استلراتور به خوبی توکامک کار کند. استراتژی طراحی این ماشین که با نام بهینه‌سازی (Optimization) شناخته می‌شود، یافتن بهترین شکل میدان مغناطیسی است که می‌تواند پلاسما را به دام بیندازد. سپس باید آهنرباهایی طراحی کرد که بتوانند این میدان را به‌وجود بیاورند؛ این کار نیاز به توان پردازشی بالایی دارد و تا دهه‌ی ۱۹۸۰ ابرکامپیوترهایی ساخته نشده بودند، که بتوانند این کار را انجام دهند. نخستین تلاش برای ساخت استلراتوری بهینه‌سازی‌شده، به ماشین وندلشتاین 7-AS انجامید که توسط مؤسسه‌ی مکس پلانک آلمان ساخته شد و بین سال‌های ۱۹۸۸ تا ۲۰۰۲ کار کرد.

استلراتور LHD ژاپنی نوعی از همان طراحی کلاسیک استلراتوری است که لیمان اسپیتزر ساخته بود

ماشین وندلشتاین 7-AS توانست همه‌ی رکوردهای استلراتور تا آن زمان را بشکند. سپس پژوهشگران دانشگاه ویسکانسین مدیسون در سال ۱۹۹۳ تصمیم گرفتند نخستین استلاریتور کاملا بهینه‌سازی‌شده را بسازند. نتیجه‌ی آن ماشینی به نام آزمایش مارپیچی متقارن (HSX) شد که در سال ۱۹۹۹ کار خود را آغاز کرد. به‌ گفته‌ی دیوید گیتس، سرپرست فیزیک استلاریتور از آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون، W7-AS و HSX نشان دادند که این ایده کار می‌کند. این موفقیت‌ها باعث شد که پژوهشگران آمریکایی برای ساختن ماشینی بزرگتر روحیه بگیرند.

آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون تصمیم گرفت در سال ۲۰۰۴ و با استفاده از استراتژی بهینه‌سازی ولی متفاوت با آن‌چه در مؤسسه‌ی تحقیقات فیزیک پلاسمای مکس پلانک صورت گرفته بود، ماشین آزمایش استلراتور ملی کوچک (NCSX) را بسازد. ولی مشکلات در قطعات پیچیده‌ی ماشین، باعث شد که هزینه‌ها بالا برود و برنامه عقب بیافتد. سال ۲۰۰۸ درحالی که ۸۰ درصد قسمت‌های مهم این دستگاه ساخته یا خریده شده بود، وزارت انرژی آمریکا این پروژه را متوقف کرد. هاچ نیلسون، مدیر NCSX، می‌گوید:

ما هزینه‌ها را دست کم گرفته بودیم و از برنامه عقب افتادیم.

همجوشی هسته ای/ nuclear fusion

همان زمان، پروژه‌ی W7-X در آلمان انجام می‌شد. دولت این کشور که با فروپاشی دیوار برلین تازه یکپارچه شده بود، در سال ۱۹۹۳ به پروژه چراغ سبز نشان داد. آلمانی‌ها در سال ۱۹۹۴ تصمیم گرفتند شعبه‌ی جدیدی از مؤسسه‌ی مکس پلانک را در گرایفسوالد (Greifswald) جایی که قبلا در آلمان شرقی بود راه‌اندازی کنند و ماشین را در آنجا بسازند. ۵۰ نفر از پژوهشگران و تکنسین‌های مؤسسه‌ی مکس پلانک به گرایفسوالد رفتند و سایر نیز مرتب رفت‌و‌آمد می‌کردند. بعدها افراد دیگری هم استخدام شدند و در کل تعداد نفراتی که روی ماشین کار می‌کردند به ۴۰۰ نفر رسید.

قرار بود که W7-X در سال ۲۰۰۶ با هزینه‌ای ۵۵۰ میلیون یورویی آغاز به کار کند، ولی درست مثل استلراتور آمریکایی، پروژه‌ی آلمانی‌ها هم دچار مشکلاتی وخیم شد. این ماشین دارای ۴۲۵ تن آهنربای ابررسانا است که باید تا دمای نزدیک به صفر مطلق سرد شوند. کلینگر می‌گوید که سرد کردن آهنرباها با هلیوم مایع، مثل ساختن جهنم روی زمین است. همه‌ی اجزای سردشده باید به‌خوبی کار کنند و نباید هیچ‌گونه نشتی داشته باشند و به‌دلیل ساختار پیچیده، دسترسی به قسمت‌های مختلف آن مشکل است.

در میان آهنرباهای عجیب  و غریب، مهندسان باید ۲۵۰ پنجره‌ی دسترسی برای تغذیه و تخلیه‌ی سوخت، داغ کردن پلاسما و دسترسی به دستگاه‌های سنجش در نظر بگیرند. همه‌چیز نیازمند یک مدل‌سازی سه‌بعدی بسیار پیچیده است. گلینگر می‌گوید که این کار را فقط کامپیوتر می‌تواند انجام دهد. در سال ۲۰۰۳، پروژه‌ی W7-X به مشکل خورد و یک-سوم آهنرباهایی که ساخته شده بودند در آزمایش‌ها نتوانستند عملکرد درستی داشته باشند و سرانجام کار به تأخیر افتاد؛ در واقع نیروهایی که به رآکتور اعمال می‌شدند، بیشتر از مقدار محاسبه شده بود.

به‌گفته‌ی کلینگر، ممکن بود کل ماشین آسیب ببیند، بنابراین بعضی از قطعات اصلی نیازمند طراحی و ساخت دوباره بودند؛ در همین حین یکی از سازندگان آهنرباها ورشکست شد. کلینگر می‌گوید که سال‌های ۲۰۰۳ تا ۲۰۰۷ بحران اقتصادی شدید حاکم بود و پروژه نزدیک بود متوقف شود، اما با تلاشی که همه انجام دادند، وزیر علوم اجازه داد که پروژه با سقف بودجه‌ی ۱.۰۶ میلیارد یورو ادامه پیدا کند و در سال ۲۰۱۵ به نتیجه برسد. در نهایت این ماشین در سال ۲۰۱۴ آماده به کار شد و یک سال زمان برد که قسمت‌های مختلف آن چک شود. خوشبختانه همه‌ی اجزای آن بدون هیچ مشکلی کار می‌کرد. آزمایش‌های الکترونی نشان می‌دهد که میدان مغناطیسی در رآکتور به شکلی درست قرار دارد. 

چشم‌انداز همجوشی هسته‌ای

قرار است در آینده نیروگاهی آزمایشی به نام "DEMO" ساخته شود. بیشتر کارشناسان می‌گویند که این نیروگاه نوعی توکامک خواهد بود اما اکنون با موفقیت وندلشتاین 7-X بعضی‌ها فکر می‌کنند که شاید این نیروگاه نوعی استلراتور باشد.هلیون انرژی که یکی دیگر از استارتاپ‌ها در این زمینه است، تاکنون چهار نسل از رآکتورهای آزمایشی خود را ساخته است. روش‌ آن‌ها تا حدی شبیه به تری‌آلفا است و دو حلقه‌ی پلاسما را در یک محفظه‌ی مرکزی به یکدیگر برخورد می‌دهند؛ با این حال آن‌ها این کار را در بازه‌های زمانی خیلی کوتاه و متناوب انجام می‌دهند و توده‌ی پلاسما را به مدت زمان زیاد حفظ نمی‌کنند.

هلیون انرژی بر ساخت رآکتوری کوچک به‌اندازه‌ی یک کامیون تمرکز می‌کند و می‌خواهد خیلی سریع آن را درست کند. آن‌طور که در وب‌سایت این شرکت آمده است، اصلا بعید نیست هلیون انرژی بتواند تا ۶ سال آینده یک رآکتور کاملا اقتصادی بسازد. جالب این‌جا است که شرکت هلیون انرژی به گزارشگر تایم گفته بود که سر پرسنل‌اش بسیار شلوغ است و نمی‌توانند در نوشتن این گزارش همکاری کنند.

به‌طور کلی شرکت‌های خصوصی زیادی در زمینه‌ی همجوشی فعالیت می‌کنند. از آن جمله می‌توان به اینداستریال هیت (Industrial Heat) و توکامک انرژی (Tokamak Energy) اشاره کرد. قسمتی از شرکت لاکهید مارتین (Lockheed Martin) که در اصل یک شرکت سازنده‌ی هواپیماهای نظامی است، رآکتوری به‌نام رآکتور همجوشی فشرده می‌سازد؛ رآکتوری که می‌تواند در قسمت بار یک کامیون جا شود. آن‌ها ادعا کرده‌اند که تا امسال یک نمونه‌ی آزمایشی از آن را می‌سازند.

طبق گفته‌ی یکی از دانشمندان ارشد حاضر در پروژه‌ی تولید انرژی هم‌جوشی هسته‌ای، چین قصد دارد تولید انرژی از رآکتور آزمایشی هم‌جوشی هسته‌ای را تا سال ۲۰۴۰ کامل کند. چین برای راه‌اندازی مجدد برنامه‌ی تعلیقی رآکتور هسته‌ای بومی خود در‌حال‌آمادگی است اما در یکی از آزمایشگاه‌های ایالتی در استان آن‌هویی، دانشمندان چینی به‌دنبال چیزی فراتر از شکافتن اتم‌ها و هم‌جوشی هسته‌ای و تولید انرژی هستند.

انرژی گداخت هسته ای

چندی سال قبل، در نقطه‌‌ی کوچکی از چین و تنها برای چند لحظه، میزان حرارت به‌‌اندازه‌‌ای رسید که حتی حرارت خورشید نیز دیگر در برابر آن به چشم نمی‌‌آمد. دانشمندان سال گذشته اعلام کردند که راکتور تحقیقاتی پیشرفته‌‌ی ابررسانایی توکامک (EAST) در شهر هفئی چین، به دمای نهایی بیش از ۱۰۰ میلیون درجه‌‌ی سلسیوس دست یافته و با ثبت یک رکورد جدید در فناوری هم‌‌جوشی، ما را یک گام دیگر به عصر نوین انرژی نزدیک‌تر کرده است. مهار این مقدار عظیم از انرژی آزاد‌‌شده از هم‌‌جوشی اتم‌ها، اصلاً کار آسانی نیست. برای پرتاب این ذرات با نیروی کافی، شما باید ذرات را تحت فشاری غیرقابل‌‌تصور قرار دهید یا آن‌‌ها را با شدت بسیار به یکدیگر بکوبید. در حال حاضر، مؤسسه‌‌ی علوم فیزیکی هفئی در آکادمی علوم چین نشان داده است که دستیابی به چنین برخوردی امکان‌‌پذیر است.

همچنین گروهی از پژوهشگران یک فرایند زیر اتمی جدید را کشف کرده‌اند که میزان انرژی آزادشده آن هشت برابر همجوشی هسته‌ای است. منبع این انرژی از گداخت ذرات زیراتمی به‌نام کوارک سرچشمه می‌گیرد. کوارک‌ها ذرات اصلی سازنده‌ی پروتون و نوترون هستند و به ۶ گروه مختلف تقسیم می‌شوند. دانشمندان این گروه‌ها را «طعم» نیز می‌نامند که عبارت‌اند از: بالا، پایین، عجیب، افسون، فوقانی و زیرین. این تیم پژوهشی اتم‌ها را در برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ با سرعت بالا به سمت هم گسیل کرده‌اند تا کوارک‌های آن‌ها از یکدیگر جدا شود. کوارک‌ها پس از جدا شدن دوباره تمایل به تشکیل پیوندهای جدید دارند که منجر به ایجاد ذراتی به نام «باریون» می‌شود. 

پژوهشگران سپس با تمرکز روی کوارک زیرین که سنگین‌تر از دیگر طعم‌ها است، دریافتند که باریون‌های حاصل‌شده توانایی تولید ۱۳۸ مگاالکترون ولت انرژی خالص را دارند که هشت برابر انرژی تولیدشده در همجوشی هسته‌ای است. انرژی این فرایند به‌حدی زیاد است که ممکن است مورد سوء استفاده قرار گیرد، به‌همین دلیل پژوهشگران در ابتدا نسبت به رسانه‌ای کردن آن تردید داشته‌اند. با این حال آن‌ها تأکید کرده‌اند که با طراحی و توسعه‌ی ابزارهای لازم می‌توان از این روش برای تولید انرژی پاک و نامحدود بهره برد؛ انرژی‌ای که برای همیشه وجود خواهد داشت.

 


منبع : زومیت
اشتراک گذاری

نظرات

دیدگاه‌های شما پس از تایید ناظر منتشر می‌شود.
متون غیرفارسی و پیام‌های حاوی توهین، تهمت یا افترا تایید نخواهد شد.

انصراف

دیدگاه 55

بیشتر

چگونه اینفلوئنسر شویم؟

واقعیت آنکه، ما نیاز داریم تا از برخی از سازوکارهای پشت پرده ستاره های اینستاگرامی آگاه شویم. این متن شاید در قسمت هایی تلخ و یا شاید هم سطحی به نظر آید ولی قصد آن صرفا ارتقاء آگاهی های عمومی درباره مسائل این روزهای ما در فضای مجازی است.

چرا رابطه آمریکا و ایران راه به جایی نمی برد؟

بعد از روی کار آمدن حسن روحانی در سال ۱۳۹۲ کمتر کسی فکر می کرد پرتلاطم ترین دوران روابط ایران و آمریکا در دوره ریاست جمهوری او اتفاق بیفتد.

اخبار ویدئویی

بیشتر

ویدئو : «دیوار آدامس» سیاتل؛ از زباله‌دانی تا اثری هنری

ویدئو : امید داشتن عین قدرت است

خبرها

بیشتر

خبرهای دیگر