هم جوشی هسته‌ای، گامی دیگر به سوی انرژی نامتناهی

گروهی از دانشمندان در آزمایشگاه ملی LLNL در کالیفرنیا گامی دیگر در استفاده از انرژی همجوشی هسته‌ای با استفاده از روش‌های توسعه داده شده برای ساخت بمب‌های هیدروژنی بر داشته اند. این خبر که نخستین بار در شماره‌ی 12 (فوریه) مجله‌ی Nature به چاپ رسیده است بیان می‌کند که این پژوهشگران با استفاده از یکی از قدرتمندترین لیزرهای جهان توانسته‌اند واکنش‌های همجوشی هسته‌ای را به صورت کنترل شده‌ای ایجاد کرده و از سوخت قرار گرفته در آن انرژی به دست بیاورند.

دسترسی به انرژی همجوشی هسته‌ای به صورت کنترل شده برای دانشمندان شبیه به قله موفقیت است. از زمان اولین همجوشی هسته‌ای ایجاد شده به دست بشر که در سال 1951 برای ساخت سلاح و در آزمایشی موسوم به boosted fission weapon انجام گرفت، دانشمندان و مهندسان بی وقفه در پی راه حلی برای استفاده از این انرژی نامتناهی برای امور صلح آمیز بودند.

داستان همجوشی نمونه‌ای عالی از تلاش بشر و ناموفق بودن او در به کنترل گرفتن یکی از قدرتمند ترین نیروهای طبیعت است. هنگامی که کار بر روی این راکتورهای شروع شد پیش‌بینی می‌شد که در 25 سال آینده بتوان به یک راکتور واقعی دست پیدا کرد. امروز 25 سال از آن زمان می‌گذرد ولی هنوز موفقیت چشمگیری در این خصوص دیده نشده است. فرایند همجوشی با وجود فرایند بسیار ساده‌ای که –حداقل در نظریه- دارد، بسیار سخت کنترل می‌شود به طوری که می‌توان گفت انجام آن خارج از قلب یک ستاره به نوعی دشوار ترین کاری است که تا کنون مهندسان در پی آن بوده اند. نکته در این جاست که در ابتدا می‌بایست سوخت را به نقطه‌ی شروع رساند تا پس از آن واکنش همجوشی آغاز شود و با تولید انرژی به خودکفایی برسد.

واکنش همجوشی در حقیقت شبیه سازی است از واکنشی که هم اکنون در خورشید و سایر ستاره‌های فعال در حال اتفاق افتادن است، در این واکنش به زبان ساده اتم‌های هیدروژن موجود در خورشید به دلیل وزن بسیار بالایی که در خورشید پیدا می‌کنند با فشرده شدن به یکدیگر و انجام همجوشی به هلیم تبدیل می‌شوند. در نتیجه‌ی این واکنش انرژی فوق العاده زیادی آزاد می‌شود که این ناشی از آزاد شدن انرژی جاذبه هسته‌ای در اتم‌های هیدروژن است. بمب‌های هیدروژنی نیز از چنین سازوکاری برای تولید انرژی مخرب خود استفاده می‌کنند با این ویژگی بسیار مهم که تمام این انرژی در چند میلیونیم ثانیه آزاد می‌شود.

راکتور‌های هم جوشی برای ایجاد فشردگی و شکل گیری شرایط دما و فشار بالا از پلاسمای یونیزه شده‌ی ایزوتوپ‌های هیدروژن همچون تریتیم یا دوتریم استفاده می‌کنند که به کمک یک میدان مغناطیسی یا لیزر واکنش آغاز می‌شود. جای تعجبی ندارد که شروع چنین واکنشی نیاز به انرژی بسیار بالایی دارد تا دمای بسیار بالا و پلاسما را تامین کند.

موفقیت تیم NIF در شروع واکنش نیست بلکه در روش آن نهفته است روشی که این تیم به آن تقویت سوخت می‌گویند. در این روش با استفاده از آرایه‌ای متشکل از 192 باریکه‌ی لیزر پرقدرت که بر روی تکه‌ای کروی از جنس پلاستیک، که حاوی مخلوطی از دوتریم و تریتیم است، متمرکز شده اند دانشمندان موفق شده اند تا قطره‌ای از سوخت منجمد شده را با اعمال 19 مگاژول انرژی نوری در کسری از ثانیه به دمای خورشید برسانند. نتیجه‌ی این عمل این بود که در نهایت انرژی که از سیستم خارج شد بیشتر از انرژی مصرفی برای شروع واکنش بوده است، موردی که تابه حال در هیچ آزمایشگاه دیگری (البته به غیر از خورشید! و بمب‌های هیدروژنی ) به آن نرسیده بودند. موفقیت دیگر دستیابی به انرژی 10 برابر بیشتر از موارد دیگری است که واکنش همجوشی انجام شده بود. کلید این ماجرا نیز استفاده از روشی به نام boot-strapping یا راه اندازی مهارشده، بوده است

راه اندازی مهار شده اسم با معنایی است. در ادامه به توضیح این مورد می‌پردازم، در واکنش‌های هسته‌ای همجوشی همواره مقداری از انرژی سیستم به وسیله‌ی ذرات آلفا (ذرات هلیم بدون الکترون) که البته بسیار هم پرانرژی هستند به خارج از سیستم انتقال پیدا می‌کرد که این موجب کاهش انرژی کل موجود در سیستم و نیاز مجدد به ورود انرژی از خارج می‌شد که البته این خود معادله‌ی انرژی را به نفع مصرف هدایت می‌کرد. در روش راه اندازه مهار شده با استفاده از مخلوط اتم‌های دوتریم و تریتیم این ذرات آلفا مهار می‌شدند که این موجب افزایش دما‌ی پلاسما و افزایش نهایی واکنش می‌شد.

به گفته‌ی این پژوهشگران نکته‌ی کلیدی در اجرای روش راه اندازی مهار شده سالم نگه داشتن پوسته‌ی پلاستیکی حامل سوخت بود تا از فروپاشی آن در طی مرحله‌ی فشرده شدن توسط پالس لیزر جلوگیری می‌شد. به اعتقاد این تیم علت عدم موفقیت سایرین در اجرای موفقیت آمیز همجوشی فروپاشی این پوسته بود که منجر به توقف واکنش می‌شد که در اینجا این مشکل با کنترل و تغییر لیزر مورد استفاده بر طرف شد.

نکته جالب در این باره، آنکه این گروه با افزایش شدت واکنش شاهد خود گرم کنی بیشتر ذرات آلفا با استفاده از روش راه اندازی کنترل شده بوده اند. البته هدف اصلی این گروه دستیابی به انرژی نبوده و در اصل آن‌ها می‌خواستند بر روی شبیه سازی نحوه‌ی انفجار‌های هسته‌ای کار کنند. برنامه‌ای که در ایالات متحده برای تضمین امنیت سلاح‌های اتمی پیگیری می‌شد.

دانشمندان امیدوارند که فرایند راه اندازی مهارشده بتواند در راکتورهای تجاری آینده کاربرد پیدا کند و بتوان هر چه زودتر به انرژی هم جوشی هسته‌ای دست یافت. هم اکنون آزمایش‌های انجام شده به صورت خالص تنها یک درصد بازدهی دارند و هنوز نیاز به محاسبات فیزیکی و آزمایش‌های بسیار بیشتری برای دستیابی به انرژی صلح آمیز هم جوشی است.

نتایج این تیم در نشریه‌ی علمی Nature به چاپ رسیده است.