نگاهی به چهار رویکرد محققان برای دستیابی به انرژی پایدار از طریق هم‌جوشی هسته‌ای

ديجياتو

بروزرسانی 1400/01/20 - 09:00

نگاهی به چهار رویکرد محققان برای دستیابی به انرژی پایدار از طریق هم‌جوشی هسته‌ای

ديجياتو/براي نزديک به يک سده، محققان در حال بررسي ابعاد مختلف دستيابي به يک منبع انرژي پايان‌ناپذير از طريق هم‌جوشي هسته‌اي بوده‌اند. متاسفانه، مهندسي يک محيط کنترل شده که هسته اتم در آن به صورت مداوم زير فشار شديد و دماي بسيار بالا به هم‌جوشي برسد و به توليد انرژي بپردازد، کاري بسياري دشوار به حساب مي‌آيد. اما اين بدان معنا نيست که محققان همين حالا دست به ابداعات و پيشرفت‌هايي هيجان‌انگيز نزده‌اند. در اين مقاله قرار است نگاهي بيندازيم به رويکردهاي مختلف در قبال هم‌جوشي هسته‌اي و چرايي نويدبخش‌تر بودن برخي از اين رويکردها نسبت به سايرين.

‌هم‌جوشي (Fusion) و کافش (Fission) دو پروسه کاملا متفاوت براي توليد انرژي هسته‌اي هستند. درحالي که هم‌جوشي هسته‌اي به دنبال ترکيب کردن اتم‌هاي جداگانه و تبديل‌شان به اتمي واحد است، کافش هسته‌اي در صدد شکافتن اتم (معمولا اورانيوم ۲۳۵) بر مي‌آيد و براي اين کار، با يک نوترون به اتم حمله مي‌کند. هر دو پروسه انبوهي از انرژي آزاد مي‌کنند، اما مقدار انرژي آزاد شده در هم‌جوشي بيشتر است.

انرژي توليد شده از کافش هسته‌اي درون راکتورهايي نظير فوکوشيما و چرنوبيل ذخيره شده و براي حرارت دادن به آب و تبديلش به بخار استفاده مي‌شود. اين بخار سپس يک توربين را به حرکت درآورده و به توليد الکتريسيته منجر مي‌گردد. اما در همين پروسه، ضايعاتي توليد مي‌شود که مي‌توانند براي ميليون‌ها سال راديواکتيو باقي بمانند و همانطور که در فوکوشيما و چرنوبيل ديده‌ايم، در صورت اشتباه پيش رفتن شرايط تبديل به بحراني حقيقي شوند.

هم‌جوشي از طرف ديگر ضايعات هسته‌اي پايدار توليد نمي‌کند و مواد لازم براي پروسه مي‌توانند ظرف ۱۰۰ سال بازيافت شوند. ضمنا خطر گدازش يا حوادث اتمي وجود ندارد، زيرا هم‌جوشي با اتکا بر با واکنش‌هايي بسيار پرحرارت انجام مي‌شود که در صورت اختلال در عملکرد،‌ ظرف چند ثانيه خنک مي‌شوند. و از آن‌جايي که اين واکنش مقدار نسبتا کمي از سوخت را مصرف مي‌کنند، امکان استفاده از آن‌ها براي ساخت تسليحات هسته‌اي نيز مهيا نيست.

هم‌جوشي هسته‌اي اکنون ذهن محققاني را به خود درگير کرده که بايد بر انبوهي از چالش‌هاي گوناگون فائق آيند، اما تمام اين محققان به سمت هدفي يکسان حرکت مي‌کنند که بازتوليد پروسه مورد استفاده از سوي خورشيد براي توليد مقاديري پايان‌ناپذير از انرژي است. نيروهاي گرانشي عظيم، هيدروژن را درون اتمسفر خورشيد محبوس مي‌کنند و با حرارت و فشار بسيار شديد، گاز تبديل به پلاسما مي‌شود. درون پلاسما، هسته‌هاي اتم‌ها با سرعت فراوان به يکديگر برخورد مي‌کنند تا هليوم شکل بگيرد و انرژي آزاد شود.

متيو هول، متخصص هم‌جوشي هسته‌اي و محقق دانشگاه ملي استراليا مي‌گويد: «انرژي خورشيدي در واقع انرژي هم‌جوشي است، فقط در فاصله‌اي دورتر. تمام اين انرژي از واکنش‌هاي هم‌جوشي خورشيد به دست مي‌آيد. اما راکتوري که انرژي را توليد مي‌کند هشت دقيقه نوري با ما فاصله دارد».

يک فاکتور کليدي ديگر، گرانش است. نيروهاي گرانشي عظيم خورشيد، حدودا ۲۸ برابر بيشتر از آن‌چيزي هستند که ما روي زمين داريم. اين يعني براي محبوس کردن سوخت‌مان و دستيابي به واکنش‌هاي هم‌جوشي هسته‌اي، بايد دست به کارهاي خلاقانه بزنيم. رويکرد محبوب کنوني استفاده از ميدان‌هاي مغناطيسي است که مي‌توان از آن‌ها براي محبوس کردن دو فرم سنگين هيدروژن، دوتريوم و تريتيوم درون دستگاهي دونات‌شکل به نام «توکامک» استفاده کرد.

يورش توکامک‌ها
توکامک‌ها مثالي از سيستم‌هاي محبوس‌سازي مغناطيسي براي هم‌جوشي هسته‌اي هستند و هول نيز آن‌ها را از نظر نسبت انرژي توليدي در تاسيسات به انرژي مصرفي، بهينه‌ترين گزينه به حساب مي‌آورد. توکامک‌ها از مجموعه‌اي از سيم‌پيچ‌ها تشکيل شده‌اند که به دور يک راکتور چنبره شکل مي‌پيچند. درون آن‌ها و به کمک يک مدار داخلي قدرتمند نيز، حرارت پلاسما به چندين ميليون درجه مي‌رسد. ايده اينست که پلاسما بايد آنقدر سر جاي خود باقي بماند تا هم‌جوشي هسته‌هاي اتم‌ها اتفاق بيفتد.

نخستين توکامک‌ها در دهه ۱۹۵۰ ميلادي طراحي شدند و توکامک Joint European Torus (يا به اختصار JET) در بريتانيا، نخستين دستگاهي بود که به انتشار انرژي هم‌جوشي کنترل شده دست پيدا کرد. همين دستگاه سپس طي سال ۱۹۹۷ به رکورد بالاترين خروجي انرژي در يک توکامک (معادل ۱۶ مگاوات) رسيد. علي‌رغم اين دستاورد، همچنان به ۲۴ مگاوات انرژي نياز بود تا پلاسما به حرارت لازم برسد. اين يعني پروژه مورد اشاره نتوانست انرژي خروجي بيشتري نسبت به انرژي ورودي داشته باشد تا هم‌جوشي هسته‌اي را به‌صرفه کند.

JET تا همين امروز عملياتي باقي مانده و اکنون چند دستگاه توکامک برجسته ديگر نيز داريم. در اين ليست توکامک Experimental Advanced Superconducting چين که در سال ۲۰۱۸ به حرارتي معادل ۱۰۰ ميليون درجه سليوس رسيد، توکامک Superconducting Tokamak Advanced Research کره جنوبي که سال گذشته پلاسما را براي ۲۰ ثانيه در دماي ۱۰۰ ميليون درجه سلسيوس نگه داشت و رکوردشکني کرد و همينطور توکامک شرکت بريتانيايي Tokamak Energy به چشم مي‌خورد.

علي‌رغم تمام اين دستاوردها، سر به سر شدن انرژي در هم‌جوشي هسته‌اي همچنان دور از ذهن باقي مانده. بسياري از متخصصيني که به سمت اين هدف گام برمي‌دارند، همين حالا ديوايسي نسل جديد را در دست توليد دارند که مي‌تواند نويد دستاوردهاي هرچه بيشتر را دهد. ITER يا International Thermonuclear Experimental Reactor يکي از جاه‌طلبانه‌ترين پروژه‌هاي توليد انرژي در تاريخ بشريت به حساب مي‌آيد و مهندسين و دانشمنداني از ۳۵ کشور مختلف جهان را درگير خود کرده است. بعد از پايان کار در سال ۲۰۲۵ ميلادي، اين بزرگ‌ترين دستگاه هم‌جوشي هسته‌اي جهان خواهد بود.

ITER که ارتفاعي اندازه يک ساختمان هفت طبقه دارد، يک توکامک بوده و جريان‌هايي از پلاسما با قطر ۱۰ برابر بيشتر از آن‌چه در توکامک‌هاي امروزي به وجود آمده‌اند را در خود جاي مي‌دهد. درحالي که JET با انرژي ورودي ۲۴ مگاوات توانست ۱۶ مگاوات انرژي خروجي تحويل دهد، ITER طراحي شده تا با تنها ۵۰ مگاوات انرژي ورودي، به ۵۰۰ مگاوات انرژي خروجي دست يابد و يک‌بار براي هميشه، به اين چالش خاتمه دهد. البته اين انرژي در قالب الکتريسيته ذخيره نمي‌شود. در عوض ITER نقش بستر آزمون و خطا براي تکنولوژي‌هايي را ايفا مي‌کند که اميد مي‌رود زيربناي نخستين تاسيسات انرژي هم‌جوشي باشند.

اگرچه بخش اعظمي از جاه‌طلبي‌ انسان‌ها در حوزه هم‌جوشي هسته‌اي با سرنوشت ITER گره خورده، احتمالاتي ديگر نيز داريم: مانند يک راکتور محبوس‌سازي مغناطيسي هم‌جوشي ديگر که مي‌توانيد آن را ورژني متفاوت از يک توکامک به حساب آوريد: استلراتور.

يک پيچش بزرگ - طراحي استلراتور
درست مانند توکامک‌ها، استلراتورها طراحي شده‌اند تا جريان‌هاي پلاسما را به کمک سيم‌پيچ‌هاي مغناطيسي درون يک حلقه‌ي بسته محبوس کنند، اما چند تفاوت کليدي وجود دارد. به جاي طراحي دونات شکل و کاملا متقارن، استلراتور پلاسما را درون سيکل‌هاي نامنظم مي‌فرستد که از مجموعه‌اي شديدا پيچيده از سيم‌پيچ‌هاي مغناطيسي تشکيل شده‌اند. به نظر دور از عقل و منطق مي‌آيد، اما اين ساختار اساسا منجر به شکل‌گيري ثبات بيشتر در پلاسما مي‌شود و علت، اختلاف جريان‌هاي داخلي است.

هول توضيح مي‌دهد که: «در محبوس‌سازي مغناطيسي حلقوي، شما نيازمند پيچش جريان هستيد. توکامک‌ها اين کار را با جريان داخلي بزرگي انجام مي‌دهند که باعث مي‌شوند ميدان به دور خميدگي‌ها بگردد و بچرخد. در يک استلراتور، شما به شکلي عامدانه تمام سطح مقطع پيچيدگي‌ها را بيش از پيش مي‌پيچانيد. با سيم‌پيچ‌ها، جريان مغناطيسي پيچيده مي‌شود. اين يعني نيازي به يک جريان داخلي بزرگ نداريد تا پيچش اتفاق بيفتد. بنابراين اساسا شما داريد يک مسئله فيزيکي را به يک مسئله مهندسي تبديل مي‌کنيد.»

به خاطر اينکه استلراتورها نيازمند يک جريان داخلي عظيم نيستند و ذاتا باثبات‌تر از توکامک‌ها ظاهر مي‌شوند، هول مي‌گويد که اين ديوايس‌ها احتمالا براي انرژي‌رساني به شبکه‌هاي بزرگ برق مناسب‌تر باشند. اما با اين فرض که زيرساخت پيچيده و شگرف آن‌ها به شکلي شگرف هزينه‌بر تمام نشود و بتوان به همان ميزان از محبوس‌سازي در توکامک‌ها دست يافت. در حال حاضر که اين مقاله نوشته مي‌شود، هيچ‌کدام از اين دو مهم محقق نشده‌اند.

هول توضيح مي‌دهد که: «استلراتور در طولاني‌مدت احتمالا جذابيت ذاتي بيشتري نسبت به يک توکامک داشته باشد. اما براي يک مهندس، استلراتور مثل کابوس مي‌ماند. به همين خاطر است که بايد به پژوهش هرچه بيشتر روي هر دو ديوايس پرداخت».

کنار گذاشتن مغناطيس
فراتر از قلمروي محبوس‌سازي مغناطيسي، رويکردهاي ديگري نيز از سوي محققان براي هم‌جوشي هسته‌اي آزمايش مي‌شود که همگي در زيرمجموعه چيزي به نام «محبوس‌سازي داخلي» قرار مي‌گيرند. اين بازوي جديد در تحقيقات هم‌جوشي هسته‌اي در صدد استفاده از ليزرهاي بسيار دقيق يا پرتوهاي يوني برمي‌آيد تا به سرعت يک حبه سوخت -که باز هم از دوتريوم و تريتيوم ساخته شده- را به دماي بسيار بالا برساند.

ايده اينست که با قرار دادن حبه‌هاي سوخت در معرض چنين حرارت ناگهاني و شديدي، نيروي متراکم عظيمي به دست مي‌آيد و زنجيره واکنش‌هاي ناشي از آن، از لايه‌هاي مختلف ماده عبور مي‌کنند و با هم‌جوشي هسته‌اي، انبوهي از انرژي آزاد مي‌شود. کمپاني استراليايي HB11 Energy يکي از شرکت‌هايي است که اين رويکرد راديکال را در پيش گرفته و مي‌خواهد با کنار گذاشتن دوتريوم و تريتيوم، از هيدروژن و بورون-بي ۱۱ استفاده کند که به رويکردي غير راديو اکتيو منجر مي‌شود.

کمپاني مورد اشاره مدعي شده که بسياري از چالش‌هاي چند دهه اخير را در حوزه هم‌جوشي هسته‌اي کنار زده است، عمدتا به خاطر اينکه سعي نمي‌کند سوخت را به دمايي ديوانه‌وار برساند. اين شرکت حبه‌هاي سوختي خود را در معرض دو ليزر قرار مي‌دهد، يک ليزر براي به وجود آوردن ميدان محبوس‌سازي مغناطيسي و ليزر ديگر براي اينکه زنجيره واکشن‌هاي هم‌جوشي هيدروژن-بورون را آغاز کند. اين همجوشي به شکل‌گيري ذراتي منجر مي‌شود که در نهايت جرياني الکتريکي به وجود مي‌آورند.

تيم استراليايي مي‌گويد که اين جريان را مي‌توان به شکلي تقريبا مستقيم به درون يک شبکه برق هدايت کرد. نيازي به يک ژنراتور توربين بخار يا تبادل حرارت نخواهد بود و خطر گدازش هم پروسه را تهديد نمي‌کند. تيم مورد اشاره حسابي به تکنولوژي خود مي‌بالد و مي‌گويد که آزمايش‌هايش به شکل‌گيري واکنش‌هايي ميلياردها برابر بهتر از آن‌چه پيش‌بيني مي‌شد منجر شده‌اند. محققان استراليايي باور دارند که نقشه راه توسعه اين تکنولوژي به مراتب سريع‌تر و کم‌هزينه‌تر از ديگر رويکردهاي کنوني خواهد بود.

هول که با HB11 و محققان مشغول به کار روي پروژه آشنا است مي‌گويد: «اين علمي جالب است. اما نمي‌توانم بگويم که شواهدي دقيق وجود دارند که نشان مي‌دهند مي‌توانيد اين دستگاه را سريع‌تر از ITER يا محبوس‌سازي مغناطيسي حلقوي تبديل به يک تاسيسات تامين انرژي کنيد. در ذهن من، همچنان چالش‌هاي زيادي وجود دارد».

هول مي‌گويد يک مشکل کليدي در چنين رويکردهايي آن است که واکنش‌ها در کسري از ثانيه انجام مي‌شوند. براي اينکه تکنولوژي پشت کار را بتوان به تاسيسات تامين انرژي آورد، نيازمند بلوغ هستيم و واکنش‌هاي کوتاه‌مدت و لحظه‌اي بايد تبديل به چيزي شوند که به صورت مداوم انرژي توليد مي‌کنند، مانند آتشي که به سوختن ادامه مي‌دهد.

احساس نيشگون
يک مثال جالب ديگر از رويکرد محبوس‌سازي داخلي در هم‌جوشي هسته‌اي، چيزي است که تحت عنوان Z-pinch شاخته مي‌شوند. به جاي استفاده از سيم‌پيچ‌هاي مغناطيسي بزرگ و پيچيده که جريان‌هاي پلاسما را در يک جا نگه مي‌دارند، رويکرد Z-pinch از ميدان الکترومغناطيسي‌اي استفاده مي‌کند که توسط خود پلاسما به وجود آمده است. Z-pinch اکنون يکي از نويدبخش‌ترين رويکردهاي هم‌جوشي هسته‌اي به حساب مي‌آيد، زيرا از زمان ظهورش در دهه ۱۹۵۰ ميلادي، وعده ساختار بسيار ساده‌تر را نسبت به توکامک‌ها يا استلراتورها داده است. اما درست مانند آن ديوايس‌ها، Z-pinch هم از بي‌ثباتي پلاسما رنج مي‌برد که مي‌تواند از ميدان مغناطيسي فرار کرده و برآمدگي‌هايي مشکل‌سازي به وجود آورد.

در سال ۲۰۱۹، تيمي از محققان دانشگاه واشنگتن توجه‌ها را به خود جلب کردند. آن‌ها توانستند با دستکاري ديناميک مايع پلاسما، راهي براي از بين بردن اين برآمدگي‌ها پيدا کنند. درون يک ستون Z-pinch با طول ۵۰ سانتي‌متر، تيم دانشگاه واشنگتن توانست ۵۰۰۰ برابر بيشتر از پلاسماي ايستا، پلاسماي جاري نگه‌داري کند و شاهد نوترون‌هايي پرانرژي بود که آن‌ها را شواهدي از هم‌جوشي هسته‌اي تلقي مي‌کرد. علي‌رغم نويدبخش بودن، Z-pinch هم در دستيابي به تامين انرژي مداوم با چالش‌هايي عظيم روبه‌رو خواهد بود.

آينده‌اي قوت گرفته از هم‌جوشي؟
هول مي‌گويد اگر مفاهيمي که يک تاسيسات هم‌جوشي هسته‌اي مشاهده کرده است بر مبناي طراحي توکامک بوده‌اند، اما برخي ديگر نيز ساختار استلراتور را مبناي کار قرار داده‌اند. زماني که ITER براي نخستين بار شروع به کار کند، تمام چشم‌ها به آن دوخته خواهد بود، خصوصا با درنظرگيري اينکه قرار است آزمايش سال ۲۰۲۵ با ترکيب ۵۰:۵۰ دوتريوم و تيتريوم صورت بگيرد.

بنابراين همانطور که مي‌توان ديد، اگرچه طراحي ITER، محبوس‌سازي مغناطيسي حلقوي و توکامک بيشترين پيشرفت‌ را به همراه آورده‌اند، محققان حوزه هم‌جوشي هسته‌اي به دنبال چندين رويکرد ديگر نيز مي‌گردند که همگي مزايا و معايب خاص خود را دارند. متاسفانه، فارغ از رويکرد، هم‌جوشي هسته‌اي همچنان انرژي بيشتري نسبت به آن‌چه ارائه مي‌کند مي‌طلبد. اما حل کردن مسائل مهندسي و فيزيکي براي دستيابي به انرژي خروجي بيشتر، اگرچه بسيار پيچيده خواهد بود، اما يکي از بزرگ‌ترين دستاوردهاي بشر نيز به حساب خواهد آمد.

هول مي‌گويد: «چنين چيزهايي هيچوقت ايده‌آل نيستند. اگرچه ساده و ايده‌آل بودند، قبلا به آن‌ها دست پيدا کرده بوديم. ماجرا مثل ارسال انسان به کره ماه است، کاري بسيار سخت در پيش داريم».

منبع:
NewAtlas