پیشرفت بزرگ پژوهشگران آمریکایی در زمینه همجوشی هسته‌ای: دستیابی به بهره خالص انرژی

دانشمندان به‌تازگی از پیشرفتی در زمینه‌ی اشتعال همجوشی هسته‌ای خبر دادند. در این خبر اعلام شد که برای اولین بار در قلب یک رآکتور همجوشی قدرتمند، انرژی تولیدشده برای مدت کوتاهی بیش از انرژی مصرف‌شده بوده است. بااین‌حال کارشناسان به این خبر با دیده‌ی احتیاط می‌نگرند و بر این باورند که پیشرفت اخیر هرچند بسیار مهم است، اما هنوز تا رسیدن به انرژی همجوشی هسته‌ای ایمن و نامحدود راه زیادی پیش رو داریم.

دیروز سه‌شنبه، فیزیکدانان تاسیسات ملی احتراق (NIF) در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در کالیفرنیا اعلام کردند که توانسته‌اند لیزری حامل تقریباً ۲ مگاژول انرژی را به گلوله‌ی سوخت ریزی متشکل از دو ایزوتوپ هیدروژن شلیک، اتم‌ها را به پلاسما تبدیل و در افزایشی ۵۰ درصدی، ۳ مگاژول انرژی تولید کنند.

دانشمندان از نتایج هیجان‌زده هستند، اما از بزرگ‌نمایی بیش از حد دربار‌ه‌ی آن‌ها پرهیز می‌کنند. در حقیقت، رآکتور مورد بحث در قواره‌ی یک واحد کلی، به بهره خالص انرژی (یعنی انرژی آزاد‌شده بیشتر از انرژی مصرفی) نرسیده است. برای آنکه یک واکنش همجوشی را واقعاً مفید بدانیم، باید ده‌ها مگاژول انرژی کشیده‌شده از شبکه‌ی برق و تبدیل‌شده به پرتوهای لیزر که به هسته‌ی رآکتور شلیک می‌شوند، به‌طرز چشمگیر کمتر از انرژی آزادشده از پلاسما باشند.

علاوه بر این، واکنش فوق در یک گلوله‌ی سوخت ریز در داخل بزرگ‌ترین لیزر جهان انجام می‌شود، تنها برای چند میلیاردم ثانیه به‌طول می‌انجامد و صرفاً هر شش ساعت یک بار می‌توان آن را تکرار کرد. این محدودیت‌ها موجب می‌شود که واکنش برای اهداف عملی بسیار ناکارآمد باشد.

ایان لو، فیزیکدان و استاد بازنشسته در دانشگاه گریفیث استرالیا بر این باور است که «دستیابی به بهره خالص انرژی، نقطه‌ی عطف درخوری است؛ اما اگر نگاهی دورتر داشته باشیم، خواهیم دید که همجوشی در حال حاضر همان جایی است که انریکو فرمی حدود هشتاد سال پیش با عملیات شکافت هسته‌ای قرار داشت. مشکل بزرگ فنی، حفظ توده‌ی پلاسما در دمای چند میلیون درجه برای فعال کردن همجوشی و در عین حال استخراج گرمای کافی به‌منظور تأمین انرژی مفید است. من هنوز نمودار شماتیک معتبری از یک رآکتور همجوشی ندیده‌ام که به این هدف دست یافته باشد».

موقعیت‌یاب‌های لیزری تاسیسات ملی احتراق (NIF) هدف‌گیری می‌کنند.

رآکتورهای همجوشی موجود را می‌توان به دو دسته‌ی کلی تقسیم کرد:

• رآکتورهای همجوشی محصورسازی لختی مانند نمونه NIF که حاوی پلاسمای داغ با لیزر یا پرتوهای ذرات هستند.
• رآکتورهای محصور مغناطیسی مانند پروژه مشترک اروپایی توروس (JET) در بریتانیا، رآکتور در دست ساخت گرماهسته‌ای آزمایشی بین‌المللی (ITER) در اروپا و توکامک ابررسانای آزمایشی پیشرفته چین (EAST) که پلاسما را به اشکال مختلف چنبره‌ای‌شکل با میدان‌های مغناطیسی قوی شکل می‌دهند. میدانی که پلاسمای در حال سوختن را در پروژه‌ی ایتر محدود می‌کند، ۲۸۰ هزار برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی اطراف زمین خواهد بود.

انواع مختلف رآکتورها استراتژی‌های مختلفی را برای غلبه بر موانع فنی ترسناک همجوشی به کار می‌گیرند. هدف رآکتورهای محصور مغناطیسی شناخته‌شده با نام توکامک، این است که پلاسما را به‌طور مداوم برای مدت زمان طولانی، در حال سوختن نگه دارند. برای مثال، هدف تعیین‌شده در ITER این است که این کار تا ۴۰۰ ثانیه انجام شود. با تمام پیشرفت‌ها و با وجود نزدیک شدن به مرزهای مد نظر، توکامک‌ها هنوز نتوانسته‌اند بهره خالص از پلاسمای خود تولید کنند.

از سوی دیگر، سیستم‌های محصورسازی لختی مانند رآکتور NIF، که برای آزمایش انفجارهای حرارتی هسته‌ای با اهداف نظامی نیز کاربرد دارند، با سوزاندن سریع گلوله‌های کوچک سوخت به‌صورت متوالی، رگبارهایی از انرژی تولید می‌کنند. هرچند باید توجه کنیم که سوخت به‌کاررفته در این سیستم‌ها به شکل گلوله‌های مجزا می‌آید و دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند راهی برای جایگزین ساختن سریع آن‌ها و حفظ واکنش برای مدت‌های طولانی‌تر از کوچک‌ترین کسر از ثانیه پیدا کنند. ایو مارتین، معاون مرکز پلاسمای سوئیس در مرکز پلی‌تکنیک فدرال لوزان اشاره می‌کند:

این کار بسیار مشکل است، زیرا باید بتوانیم گلوله‌ی بعدی را در زمانی که ابر [پلاسما] در حال انبساط درون محفظه است، جایگذاری کنیم. قطر این گلوله معمولاً یک میلی‌متر است و باید در اتاقی با عرض ۹ متر قرار گیرد. تا آنجا که من می‌دانم، تهیه‌ی هر گلوله هنوز چند ده هزار دلار هزینه دارد و برای اینکه [در عمل] به ایده‌ای جالب تبدیل شود، هزینه‌ی تمام‌شده‌ی آن باید به یک دلار یا حتی کمتر کاهش یابد.

مشکل دیگر واقع در مسیر رآکتورهای همجوشی، کاهش ذخایر تریتیوم است. تریتیوم ایزوتوپی کلیدی است که با دوتریوم به‌عنوان سوخت واکنش ترکیب می‌شود. تریتیوم زمانی به‌عنوان فرآورده‌‌ی جانبی، متداول و البته‌ی ناخواسته‌ی آزمایش‌های تسلیحات هسته‌ای در هوای آزاد و شکافت هسته‌ای بود. نیمه عمر ۱۲/۳ ساله‌ی تریتیوم به این معنی است که بسیاری از ذخایر موجود آن در حال حاضر در مسیر غیرکاربردی‌شدن قرار دارد و همین موضوع تریتیوم را به یکی از گران‌ترین مواد روی زمین با قیمت ۳۰ هزار دلار در هر گرم تبدیل می‌کند.

محققان عرصه‌ی همجوشی معتقدند که درصورت وجود اراده‌ی سیاسی و حل شدن چالش‌های مهندسی، اولین رآکتورهای همجوشی پایدار می‌توانند تا سال ۲۰۴۰ وارد چرخه شوند. اما این تاریخ هنوز ۱۰ سال دیرتر از حد نصاب تعیین‌شده برای نگه داشتن گرمایش جهانی در کمتر از هدف ۱/۵ درجه‌ی سانتی‌گرادی تا سال ۲۰۳۰ است. به باور لو:

تصمیم‌گیرندگان، بیشتر مشتاق جام مقدس انرژی پاک از یک منبع بی‌پایان هستند. آن‌ها با صرف مبالغ هنگفت برای تحقیقات همجوشی، تمایلی به تسلیم شدن ندارند؛ درست همان‌طورکه دهه‌های زیادی را صرف دنبال کردن فانتزی رآکتور زاینده [رآکتوری شکافتی با توانایی تولید انرژی بیشتر از انرژی مصرفی] کردند.

با همه‌ی چالش‌ها، در سال‌های اخیر شاهد پیشرفت‌هایی در فناوری همجوشی بوده‌ایم که که یکی پس از دیگری با روندی ثابت رخ می‌دهند. آزمایش موفقیت‌آمیز هوش مصنوعی برای کنترل پلاسمای داخل یک توکامک در میان دستاوردهای اخیر جالب توجه بود. با توجه به این پیشرفت‌ها، فیزیکدانان اصرار دارند که وجود استراتژی‌های متعدد برای راه‌حل بلندمدت بحران آب‌و‌هوا ضروری است و همجوشی به یک جزء حیاتی از یک سیستم انرژی بدون کربن در آینده تبدیل خواهد شد.