اسپارک؛ تلاش جدید دانشمندان MIT برای دستیابی به انرژی همجوشی هسته‌ای

دانشمندان درحال ساخت نسخه‌ای فشرده از رآکتور همجوشی هسته‌ای هستند که کاربردی‌بودن آن در مجموعه‌ای از مقالات پژوهشی نشان داده شده است. نتایج این مطالعات، پژوهشگران را امیدوار کرده است که شاید بتوان نحوه‌ی تولید انرژی خورشید را شبیه‌سازی کرد و سرانجام با تحقق این هدف دور از دسترس، به مقابله با تغییرات اقلیمی رفت.

رآکتور جدید Sparc نام دارد و در مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست (MIT) و شرکتی به‌نام Commonwealth Fusion Systems درحال توسعه است. به‌گفته‌ی پژوهشگران، انتظار می‌رود ساخت‌وساز اسپارک بهار آینده آغاز شود و سه یا چهار سال به‌طول انجامد. با وجود آنکه هنوز چالش‌های چشم‌گیر فراوانی بر سر راه وجود دارد، شرکت یادشده می‌گوید ساخت‌وساز رآکتور پس از آزمایش‌ها انجام خواهد شد و درصورت موفقیت، ساخت نیروگاهی که بتواند از انرژی همجوشی برای تولید برق استفاده کند، در دهه‌ی آتی آغاز می‌شود.

زمان‌بندی جاه‌طلبانه‌ی اسپارک بسیار سریع‌تر از ایتر، بزرگ‌ترین پروژه‌ی همجوشی هسته‌ای جهان است. رآکتور ایتر از سال ۲۰۱۳ دردست ساخت است و هرچند به‌منظور تولید برق طراحی نشده، انتظار می‌رود تا سال ۲۰۳۵ موفق به ایجاد واکنش همجوشی شود. باب مامگارد، مدیرعامل و از بنیان‌گذاران کامن‌ولث فیوژن می‌گوید یکی از اهداف پروژه‌ی اسپارک، ساخت به‌موقع رآکتور همجوشی هسته‌ای به‌منظور ایفای نقش در کاهش گرمایش جهانی بود. به‌گفته‌ی او، تیم سازنده واقعا بر چگونگی دستیابی هرچه سریع‌تر به انرژی همجوشی متمرکز است.

همجوشی که درجریان آن اتم‌های سبک‌وزن به‌منظور آزادسازی انرژی، در دمای بسیار زیاد چند ده میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد گرد یکدیگر آورده می‌شوند، به‌عنوان راهکاری برای رفع پیامدهای تغییر اقلیمی تولید برق قلمداد می‌شود. نیروگاه همجوشی همانند نیروگاه مرسوم شکافت هسته‌ای که اتم‌ها را از یکدیگر جدا می‌کند، بی‌نیاز از سوخت فسیلی خواهد بود و درنتیجه گازهای گلخانه‌ای تولید نخواهد کرد. اما سوخت آن که معمولا ایزوتوپ‌های هیدروژن است، بسیار فراوان‌تر از اورانیوم به‌کاررفته در اکثر نیروگاه‌های هسته‌ای خواهد بود. همچنین، همجوشی ازمنظر پرتوزایی بسیار کم‌خطرتر از نیروگاه‌های هسته‌ای کنونی است.

در فرایند تجمیع اتم‌ها، پلاسمای همجوشی یا ابر فوق‌العاده داغی از اتم‌ها به‌وجود می‌آید که با برخورد به هرچیز آن را نابود می‌کند. از این‌رو ساخت دستگاهی که بتواند این پلاسما را ایجاد و کنترل کند، بسیار دشوار و چالش‌برانگیز است. برخی دانشمندانی که برای دهه‌ها مشغول کار روی انرژی همجوشی هستند، می‌گویند هرچند به موفقیت اسپارک بسیار علاقه دارند، زمان‌بندی ساخت و راه‌اندازی آن را غیرواقع‌بینانه می‌دانند. کری فارست، فیزیکدان در دانشگاه ویسکانسین که در پروژه‌ی اسپارک مشارکتی ندارد، می‌گوید «با مطالعه‌ی مقاله‌ها به من این احساس دست می‌دهد که آن‌ها قصد دارند پلاسمای همجوشی گرماهسته‌ای کنترل‌شده‌ای داشته باشند که همگی ما آرزویش را داریم.» اما او تأکید می‌کند که ساخت این رآکتور احتمالا دوبرابر بیشتر طول خواهد کشید.

اسپارک بسیار کوچک‌تر از ایتر، تقریبا هم‌اندازه زمین تنیس دربرابر زمین فوتبال است و هزینه‌ی ساخت آن درمقایسه با این تلاش بین‌المللی بسیار کمتر خواهد بود. برآورد می‌شود اسپارک، پروژه‌ای تقریبا ۲۲ میلیارد دلاری باشد؛ اما ممکن است درنهایت هزینه‌هایی بسیار بیشتر روی دست سازندگان بگذارد. کامن‌ولث فیوژن که در سال ۲۰۱۸ بنیان‌گذاری شد، نزدیک به ۱۰۰ کارمند دارد و تاکنون ۲۰۰ میلیون دلار سرمایه جذب کرده است.

محفظه خلا رآکتور ایتر که از جنس فولاد ضدزنگ است. محفظه‌ی واکنش دستگاه انرژی همجوشی اسپارک اندازه‌ای نسبتا کوچک‌تر خواهد داشت.

پس از آنکه آزمایش‌ها روی همجوشی تقریبا صد سال پیش آغاز شد، وعده‌ی ساخت یک دستگاه همجوشی کاربردی که بتواند بیش از آنچه مصرف می‌کند، انرژی تولید کند، همچنان دور از دسترس باقی مانده است.. همواره چنین به‌نظر می‌آید که تحقق این هدف چند ده سال به‌طول می‌انجامد. این زمان طولانی ممکن است برای تلاش تازه نیز صادق باشد؛ اما پژوهشگران در هفت مقاله‌ای که روز سه‌شنبه پس از داوری همتا در نسخه‌ای ویژه از نشریه‌ی پلاسما فیزیک منتشر شد، شواهدی رو کرده‌اند که برمبنای آن‌ها اسپارک موفق خواهد شد و ۱۰ برابر آنچه مصرف می‌کند، انرژی تولید خواهد کرد. مارتین گرین‌والد، مدیر مرکز علوم و همجوشی پلاسما در MIT و یکی از دانشمندان ارشد پروژه می‌گوید پژوهش جدید تأیید می‌کند که احتمال کاربردی‌بودن طراحی دردست کار بسیار بالا است.

• همجوشی هسته‌ای؛ انرژی نامحدود و پاک
• مونتاژ بزرگ‌ترین نیروگاه آزمایشی همجوشی هسته‌ای سرآغاز بهره‌برداری تجاری از این انرژی خواهد بود؟

اسپارک همان نوع دستگاه رآکتور ایتر را به‌کارگرفته است: توکامک یا محفظه‌ای دونات‌شکل که داخل آن همجوشی هسته‌ای اتفاق می‌افتد. ازآنجا که ابر پلاسما بسیار داغ است (داغ‌تر از خورشید) باید با نیروهای مغناطیسی محصور شود. ایتر این کار را با استفاده از کویل‌های الکترومغناطیسی بسیار بزرگی حاوی سیم‌های ابررسانا انجام می‌دهد که باید با هلیوم مایع خنک شوند.

اسپارک از مزیت فناوری الکترومغناطیس جدیدتری بهره می‌گیرد که از به‌اصطلاح ابررساناهای پرحرارت استفاده می‌کند. به‌گفته‌ی دکتر گرین‌والد، این ابررساناها قادر به تولید میدان مغناطیسی بسیار قوی‌تری هستند و درنتیجه پلاسما بسیار کوچک‌تر است. مقاله‌ی پژوهشگران نشان می‌دهد که این رویکرد میدان پرقدرت همچنان امکان‌پذیر است. به‌گفته‌ی دکتر گرین‌والد «اگر بتوانیم بر چالش‌های مهندسی غلبه کنیم، این دستگاه طبق پیش‌بینی ما عمل خواهد کرد.»

کامن‌ولث فیوژن می‌گوید محل استقرار اسپارک را تا چند ماه آینده اعلام خواهد کرد. این نهاد تنها یکی از چند شرکتی است که برای ساخت و تجاری‌سازی انرژی همجوشی درحال همکاری با موسسات پژوهشی است. به‌عنوان مثال، تی‌ای‌ائی تکنولوژیز که در جنوب کالیفرنیا قرار دارد، درحال کار روی طراحی تازه‌ای با به‌کارگیری دستگاهی کشیده است که به‌منظور ایجاد همجوشی، دو ابر از پلاسما را به همدیگر شلیک می‌کند. فرست لایت فیوژن، شرکت زیرمجموعه دانشگاه آکسفورد در بریتانیا نیز با استفاده از انرژی، سوخت همجوشی را فشرده و متلاشی می‌کند.