پنج ثانیه و ۵۹ مگاژول؛ رکورد جدید همجوشی هسته‌ای توکامک JET

جمعه ۲۲ بهمن ۱۴۰۰ - ۰۹:۴۰
مطالعه 5 دقیقه
پروژه‌ی رآکتور همجوشی هسته‌ای توروس مشترک اروپا (JET) در آخرین آزمایش‌ها، به رکورد تاریخی آزادسازی ۵۹ مگاژول انرژی در ۵ ثانیه دست یافت.
تبلیغات

در آزمایش‌های جدیدی که با پروژه‌ی JET در کولهام، در نزدیکی شهر آکسفورد انگلستان انجام گرفته‌اند، پلاسمای بسیار داغی تولید شده که در یک رکورد بی‌سابقه‌ توانسته انرژی معادل ۵۹ مگاژول آزاد کند. انرژی یادشده تقریباً با مقدار انرژی آزادشده از انفجار ۱۴ کیلوگرم TNT برابری می‌کند.

همجوشی هسته‌ای (همان واکنشی که در دل ستارگان رخ می‌دهد) هسته‌های اتم‌ها را با هدف تشکیل هسته‌های سنگین‌تر با هم ادغام می‌کند؛ این فرایند ادغام در علم فیزیک تحت عنوان همجوشی یا fusion یاد می‌شود. فیزیکدانان هسته‌ای برای مدت‌های طولانی به‌دنبال تولید انرژی از‌ طریق همجوشی هسته‌ای در راکتورهای روی زمین بوده‌اند؛ زیرا همجوشی هسته‌ای انرژی بسیار بیشتری نسبت به سوخت‌های فسیلی تولید می‌کند. به‌عنوان مثال، بر‌ اساس اظهارات مطرح‌شده در بیانیه‌ای از سوی پروژه‌ی راکتور آزمایشی حرارتی هسته‌ای بین‌المللی (ITER)، حجم کوچکی از اتم‌های هیدروژن به‌ اندازه‌ی یک آناناس، در طی فرایند همجوشی هسته‌ای می‌تواند مقدار انرژی معادل با سوزاندن ۹ هزار تن زغال سنگ را فراهم کند.

آزمایش‌های جدید در JET به‌منظور کمک به هموار ساختن مسیر ITER طراحی شده‌اند. هدف ITER ایجاد اولین نیروگاه همجوشی هسته‌ای با کارکرد عملی و بازده مناسب در جهان است. پروژه‌ی ITER در حال حاضر در جنوب فرانسه در دست ساخت است و قادر خواهد بود انرژی به‌ میزان ۱۰ برابر بیشتر از انرژی صرف‌شده برای شروع همجوشی در ابتدای پروژه را آزاد سازد. اینکه بتوانیم تا ۱۰ برابر انرژی صرف‌شده در طی فرایندی را در قالب انرژی خروجی آن فرایند دریافت کنیم، رقم بسیار مناسبی به‌ نظر می‌رسد.

آتینا کاپاتو، فیزیکدان مؤسسه‌ی فیزیک پلاسمای ماکس پلانک در گارچینگ در نزدیکی مونیخ آلمان، به پایگاه لایو ساینس گفته است:

سال‌ها طول کشید تا این آزمایش‌ها را آماده کنیم. و در پایان موفق شدیم پیش‌بینی‌ها و مدل‌های خود را تأیید کنیم. این خبر خوبی در مسیر رسیدن به هدف نهایی ITER است.

JET که در سال ۱۹۸۳ شروع به کار کرد، اکنون از ایزوتوپ‌های هیدروژن دوتریوم و تریتیوم به‌عنوان سوخت استفاده می‌کند. درحالی‌که اتم هیدروژن معمولی دارای یک نوترون در هسته‌ی خود است، اتم دوتریوم دارای دو نوترون و اتم تریتیوم دارای سه نوترون است. در حال حاضر، JET تنها نیروگاه در جهان با قابلیت کار با سوخت دوتریوم-تریتیوم است. البته نباید فراموش کنیم که ITER هم در صورت راه‌اندازی کامل از چنین قابلیتی بهره خواهد برد.

پژوهش‌های قبلی نشان می‌دهد که از میان تمام سوخت‌های ممکن برای همجوشی هسته‌ای، ترکیب دوتریوم و تریتیوم به‌آسان‌ترین شکل و در کمترین دمای ممکن ذوب می‌شوند. پیش‌بینی می‌شود که تنها همین همجوشی دوتریوم-تریتیوم بتواند انرژی کافی در شرایط واقعی برای دستیابی بشر به حجم مازاد بر نیاز الکتریسیته‌ی را فراهم کند.

بااین‌حال، همجوشی دوتریوم-تریتیوم تعدادی چالش نیز به همراه دارد. برای مثال، همجوشی دوتریوم و تریتیوم می‌تواند مقادیر خطرناکی از نوترون‌های پرانرژی تولید کند که هر کدام با سرعتی در حدود ۱۸۷ میلیون کیلومتر بر ساعت یا ۱۷.۳ درصد سرعت نور حرکت می‌کنند. این ذرات با چنین سرعتی می‌توانند در کمتر از ۸ ساعت به کره‌ی ماه برسند. به‌همین دلیل در این آزمایش‌ها به محافظ‌های خاصی نیاز خواهد بود.

تصویری از پروژه ITER در فرانسه

پروژه‌ی ITER در حال ساخت در جنوب فرانسه

برای آزمایش‌های جدید، پوشش کربن قبلی در راکتور JET که بین سال‌های ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۱ ایجاد شده بود، با مخلوطی از بریلیم و تنگستن جایگزین شد. این پوشش‌ها در ITER نیز نصب خواهند شد. کاپاتو که مسئولیت آماده‌سازی، هماهنگی و رهبری بخش‌های کلیدی آزمایش‌های اخیر را در JET بر عهده داشته، توضیح می‌دهد که حائل فلزی جدید نسبت به کربن که پیش‌تر استفاده شده بود، در‌ برابر تنش‌های همجوشی هسته‌ای مقاوم‌تر است و همچنین در قیاس با کربن به مقادیر هیدروژن کمتری می‌چسبد. کاپاتو همچنین اشاره می‌کند:

نصب یک دیواره‌ی جدید نیاز به دقت و مراقبت بالایی داشت. برای این منظور از یک بازوی رباتیک بزرگ با کنترل از راه دور در کشتی JET استفاده شد.

یکی دیگر از چالش‌های آزمایش‌های همجوشی دوتریوم-تریتیوم پیرامون رادیواکتیو بودن تریتیوم است. این یک واقعیت اجتناب‌ناپذیر است و از همین رو باید در نظر داشت که نیاز به کنترل‌های خاصی وجود دارد. بااین‌حال، کاپاتو یادآوری کرد که نیروگاه JET با وجود تمام چالش‌ها پیش‌تر در سال ۱۹۹۷ از پس مدیریت تریتیوم برآمده است.

از سویی، درحالی‌که دوتریوم به‌وفور در آب دریا موجود است، اما تریتیوم ماده‌ی بسیار کمیابی به‌شمار می‌رود. هم‌اکنون، تریتیوم در راکتورهای شکافت هسته‌ای تولید می‌شود؛ البته باید در نظر داشت که نیروگاه‌های همجوشی نسل‌های آینده قادر خواهند بود نوترون‌ها را برای تولید سوخت تریتیوم خود منتشر کنند.

JET در سال ۱۹۹۷ با پلاسماهایی که ۲۲ مگاژول انرژی تولید می‌کردند، رکوردی جهانی برای میزان انرژی تولیدشده با همجوشی هسته‌ای را به ثبت رساند. آزمایش‌های بعدی پلاسماهایی تولید کردند که می‌توانست بیش از دو برابر این مقدار انرژی را با استفاده از تنها ۱۷۰ میکروگرم سوخت دوتریوم-تریتیوم تولید کند.

کاپاتو تصریح می‌کند:

در مقام مقایسه، برای تولید چنین انرژی گرمایی حدود ۱/۰۶ کیلوگرم گاز طبیعی یا ۳/۹ کیلوگرم زغال سنگ قهوه‌ای نیاز خواهد بود که از نظر جرمی ۱۰ میلیون برابر [سوخت همجوشی] است.

در ماه‌ ژانویه‌ی سال جاری میلادی (دی ماه ۱۴۰۰)، دانشمندان تأسیسات ملی احتراق در کالیفرنیا فاش کردند که آزمایش همجوشی هسته‌ای با انرژی لیزری آن‌ها ۱/۳ مگاژول انرژی در ۱۰۰ تریلیونم ثانیه تولید کرده است. این رقم نشان می‌داد که واکنش همجوشی هسته‌ای، انرژی بیشتری در قیاس با انرژی مصرف‌شده برای خود آن فرایند تولید کرده است. کاپاتو در این باره گفت:

کار آن‌ها و بسیاری از گروه‌های دولتی و خصوصی دیگر، نشانگر یک تمایل بزرگ و رو‌به‌رشد جهانی برای دستیابی به انرژی همجوشی است.

الکترومغناطیس‌های مسی به‌کاررفته در JET، به‌دلیل گرمای حاصل از آزمایش‌ها فقط می‌توانست حدود ۵ ثانیه کار کند. به‌گفته‌ی کاپاتو:

اگر بخواهم ساده‌ بگویم، JET برای ارائه‌ی انرژی به‌مدت زمان بیشتری طراحی نشده بود.

اما بنابر اظهار نظر پژوهشگران، پروژه‌ی ITER از آهنرباهای ابررسانای سرد برودتی که برای کارکرد نامحدود طراحی شده‌اند، بهره خواهد برد. آزمایش‌های دوتریوم-تریتیوم پروژه‌ی ITER در سال ۲۰۳۵ آغاز خواهد شد. به‌عقیده‌ی کاپاتو، آزمایش‌های اخیر JET به پیشرفت و توسعه‌ی این مسیر در آینده کمک خواهد کرد. وی در پایان اشاره کرد که آن‌ها داده‌های ارزشمند و زیادی از آزمایش اخیر خود به‌ دست آورده و ثبت کرده‌اند.

تبلیغات
داغ‌ترین مطالب روز
تبلیغات

نظرات

تبلیغات