دانشمندان به تازگی از پیشرفتی در زمینه اشتعال همجوشی هسته ای خبر داده اند. در این خبر اعلام شد که برای اولین بار در قلب یک راکتور همجوشی قدرتمند، انرژی تولید شده برای مدت کوتاهی بیشتر از انرژی مصرف شده بوده است. اما کارشناسان با احتیاط به این خبر نگاه می کنند و معتقدند اگرچه پیشرفت های اخیر بسیار مهم است، اما هنوز تا رسیدن به انرژی ایمن و نامحدود همجوشی هسته ای راه زیادی در پیش داریم.
دیروز، سه‌شنبه، فیزیکدانان تأسیسات احتراق ملی (NIF) در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در کالیفرنیا اعلام کردند که توانسته‌اند لیزری را که تقریباً ۲ مگاژول انرژی را حمل می‌کند به یک توپ سوختی متشکل از دو ایزوتوپ هیدروژن شلیک کرده و اتم‌ها را به پلاسما تبدیل کنند. و با 50 درصد افزایش. 3 مگاژول انرژی تولید می کند.
دانشمندان در مورد نتایج هیجان زده هستند، اما از اغراق بیش از حد در مورد آنها خودداری می کنند. در واقع، راکتور مورد نظر به سود انرژی خالص (یعنی انرژی آزاد شده بیشتر از انرژی مصرف شده است) بر حسب یک واحد کلی نرسیده است. برای اینکه یک واکنش همجوشی واقعا مفید باشد، ده ها مگاژول انرژی که از شبکه برق گرفته می شود و به پرتوهای لیزر پرتاب شده به هسته راکتور تبدیل می شود باید به طور قابل توجهی کمتر از انرژی آزاد شده از پلاسما باشد.
پیشرفت اخیر در اشتعال پلاسما فقط شامل انرژی لیزر ورودی و انرژی پلاسمای خروجی است و در این بین، تلفات قابل توجهی از تبدیل الکتریسیته به نور را نادیده می گیرد.
علاوه بر این، واکنش فوق در یک گلوله کوچک سوخت در بزرگترین لیزر جهان انجام می‌شود، تنها چند میلیاردم ثانیه طول می‌کشد و تنها هر شش ساعت یک بار می‌توان آن را تکرار کرد. این محدودیت ها واکنش را برای اهداف عملی بسیار ناکارآمد می کند.
ایان لوفیزیکدان و استاد بازنشسته در دانشگاه گریفیث استرالیا، معتقد است که «دستیابی به انرژی خالص نقطه عطف مصرف است؛ اما اگر نگاهی بیشتر بیندازیم، خواهیم دید که همجوشی همان جایی است که در حال حاضر در آن قرار دارد. انریکو فرمی حدود هشتاد سال پیش با عملیات شکافت هسته ای بود. مشکل فنی بزرگ این است که جرم پلاسما را در دمای چند میلیون درجه نگه می دارد تا همجوشی را امکان پذیر کند و در عین حال گرمای کافی برای تامین انرژی مفید را استخراج کند. من هنوز یک نمودار شماتیک معتبر از یک راکتور همجوشی را ندیده‌ام که این کار را انجام دهد.»
مکان یاب های لیزری مرکز احتراق ملی (NIF) هدف قرار می گیرند.
راکتورهای همجوشی چگونه کار می کنند؟
راکتورهای همجوشی موجود را می توان به دو دسته کلی تقسیم کرد:
- راکتورهای همجوشی محصور برهنه مانند NIF حاوی پلاسمای گرم شده توسط لیزر یا پرتوهای ذرات هستند.
- راکتورهای محصور مغناطیسی مانند پروژه مشترک اروپایی تاروس (JET) در بریتانیا، راکتور آزمایشی حرارتی هسته‌ای بین‌المللی (ITER) در اروپا، و توکاماک ابررسانای پیشرفته چین (EAST) که پلاسما را به اشکال مختلف چنبره‌مانند با میدان‌های مغناطیسی قوی تبدیل می‌کند. . میدانی که پلاسمای در حال سوختن را در پروژه اتر محدود می کند، 280000 برابر قوی تر از میدان مغناطیسی اطراف زمین خواهد بود.
انواع مختلف راکتورها از استراتژی های متفاوتی برای غلبه بر موانع فنی دلهره آور همجوشی استفاده می کنند. هدف از راکتورهای محصور مغناطیسی، معروف به توکامک، حفظ سوختن مداوم پلاسما برای مدت طولانی است. به عنوان مثال، هدف تعیین شده در ITER انجام این کار در 400 ثانیه است. با همه پیشرفت ها و با وجود نزدیک شدن به حدود مطلوب، توکامک ها هنوز نتوانسته اند سود خالصی از پلاسمای خود داشته باشند.
از سوی دیگر، سیستم‌های محصورکننده بدون پوشش مانند راکتور NIF، که برای آزمایش انفجارهای حرارتی هسته‌ای برای مقاصد نظامی نیز استفاده می‌شوند، با سوزاندن سریع گلوله‌های کوچک سوخت متوالی، انفجارهای انرژی تولید می‌کنند. با این حال، باید توجه داشته باشیم که سوخت مورد استفاده در این سیستم‌ها به صورت گلوله‌های منفرد است و دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند راهی برای جایگزینی سریع آنها و حفظ واکنش برای مدت زمان کوتاه‌ترین کسری از ثانیه بیابند. ایو مارتینمعاون مرکز پلاسما سوئیس در مرکز فدرال پلی تکنیک لوزان، اشاره می کند:
این بسیار دشوار است زیرا ما باید بتوانیم گلوله بعدی را هنگام ابر شلیک کنیم [پلاسما] در داخل محفظه در حال گسترش است، بگذارید آن را قرار دهیم. قطر این گلوله معمولاً یک میلی متر است و باید در اتاقی با عرض 9 متر قرار گیرد. تا آنجا که من می دانم، ساخت هر گلوله هنوز ده ها هزار دلار هزینه دارد و چرا [در عمل] برای تبدیل شدن به یک ایده جالب، هزینه کل باید به یک دلار یا حتی کمتر کاهش یابد.
ایزوتوپ بسیار گران قیمت
مشکل دیگری که راکتورهای همجوشی با آن مواجه هستند، کاهش ذخایر تریتیوم است. تریتیوم ایزوتوپ کلیدی است که با دوتریوم به عنوان سوخت واکنش ترکیب می شود. تریتیوم زمانی محصول جانبی معمول و ناخواسته آزمایش تسلیحات هسته ای در فضای باز و شکافت هسته ای بود. نیمه عمر 3.12 سال تریتیوم به این معنی است که بسیاری از ذخایر موجود آن در حال حاضر غیرقابل استفاده هستند و تریتیوم را به یکی از گران ترین مواد روی زمین با قیمت 30000 دلار در هر گرم تبدیل می کند.
فیزیکدانان روش های دیگری را برای ساخت تریتیوم پیشنهاد کرده اند. روش هایی مانند رشد این ماده در راکتورهای هسته ای با رویکرد به دام انداختن نوترون های سرگردان. اگرچه برخی از آزمایش‌ها در مقیاس کوچک‌تر انجام شد، اما هزینه‌های فزاینده سریع به این معنی بود که برنامه‌هایی برای آزمایش رشد تریتیوم در اتر باید متوقف می‌شد.
محققان فیوژن بر این باورند که اگر اراده سیاسی وجود داشته باشد و چالش های مهندسی حل شوند، اولین راکتورهای همجوشی پایدار می توانند تا سال 2040 وارد چرخه شوند. اما این تاریخ هنوز 10 سال از هدف تعیین شده برای حفظ گرمایش جهانی زیر هدف 1.5 درجه سانتی گراد تا سال 2030 عقب است. به گفته لو:
تصمیم گیرندگان بیشتر مشتاق جام مقدس انرژی پاک از یک منبع بی پایان هستند. آنها با صرف مبالغ هنگفتی برای تحقیقات فیوژن، حاضر به تسلیم شدن نیستند. همانطور که او دهه های زیادی را صرف دنبال کردن فانتزی یک راکتور ژنراتور کرد [رآکتوری شکافتی با توانایی تولید انرژی بیشتر از انرژی مصرفی] انجام دادند
علی‌رغم تمام چالش‌ها، سال‌های اخیر شاهد یک جریان مداوم پیشرفت در فناوری همجوشی بوده‌ایم. آزمایش موفقیت آمیز هوش مصنوعی برای کنترل پلاسمای داخل یک توکامک از جالب ترین دستاوردهای اخیر بود. با توجه به این پیشرفت‌ها، فیزیکدانان اصرار دارند که استراتژی‌های متعددی برای راه‌حل طولانی‌مدت بحران آب و هوا ضروری است و همجوشی به یک جزء حیاتی از یک سیستم انرژی بدون کربن در آینده تبدیل خواهد شد.