قدرتمندترین آهنربای ساخته‌شده در راه پیوستن به پیشرفته‌ترین رآکتور هسته‌ای جهان
مهندسان ایالات متحده در حال آماده شدن هستند تا اولین قسمت از قدرتمندترین آهنربای جهان را به فرانسه ارسال کنند که در آنجا به تأمین انرژی موردنیاز پیشرفته‌ترین رآکتور همجوشی هسته‌ای جهان کمک خواهد کرد. آهنربای بزرگ که سنترال سولنوید (Central solenoid) نام دارد، قلب بزرگ‌ترین رآکتور همجوشی جهان، یعنی راکتور گرماهسته‌ای آزمایشی بین‌المللی (ITER) را تشکیل خواهد داد. در این آزمایش بین‌المللی ۳۵ کشور مشارکت دارند و هدف آن، اثبات امکان‌پذیری همجوشی هسته‌ای پایدار برای ایجاد انرژی است. در همجوشی هسته‌ای، اتم‌های کوچک‌تر برای ایجاد اتم‌های بزرگ‌تر همجوشی پیدا می‌کنند و طی این واکنش انرژی زیادی آزاد می‌شود.
به گزارش لایو ساینس، وقتی سنترال سولنوید کاملا سرهم‌بندی شود، ۱۸ متر طول و ۴٫۳ متر عرض خواهد داشت و قادر به تولید میدان مغناطیسی به اندازه‌ی ۱۳ تسلا (حدود ۲۸۰ هزار برابر قوی‌تری از میدان مغناطیسی زمین) خواهد بود؛ قدرتی که می‌تواند ناو هواپیمابری که تقریبا ۱۰۰ هزار تن وزن دارد، بلند کند. جان اسمیت، مدیر مهندسی و پروژه‌ها در General Atomics، شرکت سازنده‌ی آهنربا به لایوساینس گفت: «سنترال سولنوید بزرگ‌ترین و قوی‌ترین آهنربای مغناطیسی پالس‌داری است که تاکنون ساخته شده.»
اولین ماژول سنترال سولنوید (central solenoid) که در تاسیسات ساخت جنرال اتمیکس در سن‌دیگو به نمایش گذاشته شده است
سنترال سولنوید
سنترال سولنوید از ۶ ماژول انفرادی ساخته می‌شود که در مرکز راکتور ایتر قرار خواهند گرفت. کل آهنربا ارتفاعی به اندازه‌ی ساختمانی چهار طبقه خواهد داشت و وزن آن به هزار تن خواهد رسید.
هر ماژول اساسا سیم‌پیچ بزرگی حاوی حدود ۵٫۶ کیلومتر کابل ابررسانای نیوبیم-قلع با روکش استیل است. سپس ماژول به مدت چندین هفته در کوره‌ای بزرگ تحت حرارت قرار می‌گیرد تا رسانایی آن زیاد شود و پس از آن کابل‌ها عایق‌بندی و سیم‌پیچ به شکل نهایی پیچانده می‌شود.
طبق قانون القای فارادی، الکتریسیته‌ای که از سیمی می‌گذرد، میدان مغناطیسی عمود بر سیم ایجاد می‌کند. وقتی که سیم به شکل دایره‌ای پیچانده شود، جریان الکتریکی میدان مغناطیسی دایره‌واری تولید و هر سیم‌پیچ، قدرت میدان مغناطیسی را تقویت می‌کند؛ بنابراین سنترال سولنوید با چند بار پیچیدن سیم ایجاد می‌شود.
ساده‌ترین نسخه از سنترال سولنوید آزمایش کلاسیکی است که در آن دانش‌آموزان سیم را اطراف میخی می‌پیچانند و آن را به باتری وصل می‌کنند. با روشن شدن باتری، سیم‌پیچ می‌تواند گیره‌های فلزی کاغذ را بگیرد. اندازه و ماهیت ابررسانایی سنترال سولنوید به معنای عبور جریان الکتریکی بسیار بیشتر از آن است که به آن اجازه می‌دهد از آهنربایی که تاکنون ساخته شده است، میدان مغناطیسی قوی‌تری تولید کند.
قلب ITER
سنترال سولنوید قلب تپنده‌ی رآکتور ایتر است؛ زیرا به دانشمندان اجازه می‌دهد واکنش‌دهنده‌های ناپایدار معمول همجوشی هسته‌ای را کنترل کنند.
ایتر برای رهاسازی مقادیر کمی دوتریوم و تریتیوم که هر دو از ایزوتوپ‌های هیدروژن هستند (نسخه‌هایی از همان عنصر با جرم‌های اتمی متفاوت) درون محفظه‌ی خلأ بزرگ دونات‌شکلی که توکامک نامیده می‌شود، طراحی شده است. توکامک این ایزوتوپ‌ها را به‌شدت حرارت می‌دهد، الکترون‌های اتم‌ها را جدا و گاز را به پلاسما تبدیل می‌کند. دمای این پلاسمای بسیار داغ به ۱۵۰ میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد یا ده برابر دمای هسته‌ی خورشید خواهد رسید. در این دما، اتم‌ها تحت همجوشی قرار می‌گیرند و مقادیر بالایی از انرژی را آزاد می‌کند که می‌توانند با داغ کردن آب و ایجاد جریانی برای چرخاندن توربین‌ها برای تولید برق استفاده شود.
دیاگرامی از رآکتور توکامک ایتر با سنترال سولنوید در مرکز و پلاسما درون محفظه
همجوشی هسته‌ای قبلاً درون چند رآکتور توکامک با قدمتی از دهه‌ی ۱۹۵۰ حاصل شده؛ اما هر بار فقط چند ثانیه طول کشیده است. برای اینکه همجوشی هسته‌ای گزینه‌ای مناسب برای تولید برق باشد، واکنش باید با نرخ ثابتی حفظ شود و نسبت به انرژی که تولید می‌کند، به انرژی کمتری نیاز داشته باشد.
یکی از بزرگ‌ترین موانع پیش روی همجوشی پایدار، مهار و دست‌کاری پلاسمای داغ درون رآکتورها است. اینجا است که سنترال سولنوید وارد عمل می‌شود. اسمیت می‌گوید از نظر تئوری، میدان مغناطیسی قوی که آهنربای مذکور ایجاد می‌کند، پلاسما را درون توکامک نگه می‌دارد و واکنش را به شکل پایدار حفظ می‌کند.
اولین ماژول سنترال سولنوید که ساختن آن بیش از ۵ سال طول کشید، درنهایت آماده‌ی انتقال به محل ایتر در فرانسه است. مهندسان در حال ساخت و انتقال هر ماژول به‌صورت جداگانه هستند؛ زیرا حمل‌و‌نقل ایمن آهنربای کامل دشوار است. ماژول‌ها همچنین در مواردی که نیاز به تعویض داشته باشند، به‌صورت جداگانه ساخته می‌شوند.
سفر ماژول از راه جاده آغاز می‌شود و با استفاده از تراکتور ۲۴ محور، از ایستگاه General Atomics در سن‌دیگو به بندری در هوستون منتقل می‌شود. از اینجا، آهنربای عظیم در اوایل ماه جولای به مارسی فرانسه برده می‌شود و تا اواخر آگوست به آنجا می‌رسد و سپس دوباره از مسیر جاده به تأسیسات ایتر منتقل می‌شود. به گفته‌ی اسمیت، پنج ماژول باقیمانده و ماژول پشتیبان اضافه وقتی در سال‌های آینده کامل شدند، همین مسیر را طی خواهند کرد.
همکاری بین‌المللی
هریک از ۳۵ کشور شرکت‌کننده که شامل اتحادیه‌ی اروپا و بریتانیا، سوئیس، چین، هند، ژاپن، کره، روسیه و آمریکا می‌شود، با طراحی و تولید برخی از یک میلیون جزء انفرادی رآکتور در این پروژه مشارکت دارند.
اسمیت می‌گوید General Atomics در حال طراحی فناوری‌ها و اجزای اضافه برای کمک به دست‌کاری پلاسما است و دیگر شرکت‌ها و دانشگاه‌های آمریکا در حال ساختن سیستم‌های خنک‌کننده و اگزوز، سیستم‌های تشخیصی، ابزارسازی و کنترل هستند.
با وجود تأثیر دنیاگیری کووید ۱۹ در چنین پروژه‌های بزرگی، ساخت ایتر همچنان ادامه دارد تا سال ۲۰۲۵ کامل شود و در حال حاضر حدود ۷۵ درصد پیشرفت کرده است. به گفته‌ی اسمیت، واکنش‌های همجوشی در مقیاس کامل در زودترین حالت خود تا سال ۲۰۳۵ انجام نخواهد شد.
چرا همجوشی هسته‌ای بسیار مهم است
همجوشی هسته‌ای پایدار می‌تواند راه را برای دستیابی به انرژی تجدیدپذیر نامحدود باز کند که انتشارات کربنی ناشی از سوزاندن سوخت‌های فسیلی را که موجب تغییرات اقلیمی می‌شوند، کاهش خواهد داد. اسمیت می‌گوید: «همجوشی یکی از معدود گزینه‌های بالقوه برای تولید انرژی بدون کربن در مقیاس وسیع است که منبع ایمن، پاک و همیشه روشنی فراهم می‌کند. هیچ‌گونه انتشار یا ضایعات طولانی‌مدتی تولید نمی‌کند.»
برای توقف یا حتی کاهش سرعت گرمایش زمین، قبل از اینکه اولین اتم‌ها در ایتر تحت همجوشی قرار گیرند، لازم است انرژی‌های بادی، خورشیدی، انرژی کشندی و دیگر سیستم‌های انرژی‌های تجدیدپذیر گسترش فراوانی پیدا کنند؛ اما با توجه به تغییرپذیری خروجی این انرژی‌ها (برای مثال توربین‌های بادی فقط هنگام باد کار می‌کنند)، هنوز باید به سوخت‌های فسیلی تکیه کنیم تا مطمئن شویم شبکه‌ی برق ذخیره قابل اطمینانی از انرژی فراهم می‌کند؛ بنابراین، ضروری است که همجوشی هسته‌ای پایدار به‌سرعت در دسترس قرار گیرد و فناوری آن در سراسر جهان به‌طور گسترده پیاده شود.
نظرات