پروژه عظیم و جنجالی ساخت خورشید روی زمین!

دانشمندان توانسته‌اند بر یکی از بزرگترین چالش‌های رآکتورهمجوشی هسته‌ای که به قول خودشان پاشنه آشیل هم‌جوشی هسته‌ای بوده است، پیروز شوند.

دانشمندان توانسته‌اند با استفاده از سد حرارتی کم مصرف توکامک بزرگترین چالش رآکتورهای همجوشی هسته‌ای را حل کنند. (توکامک(tokamak) یکی از گونه‌های مختلف از دستگاه‌های هم‌جوشی محصورسازی مغناطیسی، و یکی از نامزدها برای تولید کنترل قدرت همجوشی گرما است که بیشترین تحقیق روی آن انجام شده‌است. در توکامک‌ها، از میدان‌های مغناطیسی برای محصور کردن پلاسما استفاده می‌شود. زیرا که هیچ ماده جامدی نمی‌تواند درجه حرارت بسیار بالای پلاسما را تحمل کند.)

محققان توانستند به منظور محافظت از پلاسمای همجوشی در برابر ناخالصی‌های دیواره‌های رآکتور، که راندمان تولید انرژی را تا حد زیادی کاهش می‌دهد، محیطی را ایجاد کنند که سد گرمایی نازک اطراف آن را بهینه ‌کند.

این کشف نشان می‌دهد که چطور می‌توان واکنش‌های همجوشی را تحت شرایط مناسب کارآمدتر کرد، و چقدر این موضوع در آینده در گسترش راکتورهای همجوشی هسته‌ای، مانند رآکتوری نظیر ITER که قرار است بزرگترین رآکتور در نوع خود باشد و در حال حاضر در فرانسه در حال ساخته شدن است، در مقیاس بزرگ مهم خواهد بود.

همجوشی هسته‌ای چیست؟

همجوشی هسته‌ای در واقع فنآوری است که به روش خورشید، انرژی تولید می‌کند: یعنی زمانی که دو اتم با آن‌چنان نیرویی به سمت یکدیگر پرتاب می‌شوند، که با هم ترکیب شده و به یک اتم واحد و بزرگتر تبدیل می‌شوند. در این فرآیند مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود.

همجوشی هسته‌ای، بر خلاف شکاف هسته‌ای(واکنش هسته‌ای که در حال حاضر در بخش انرژی استفاده می‌شود)، زباله‌های رادیواکتیو تولید نمی‌کند. و طبق برآورد وزارت انرژی ایالات متحده، سه تا چهار برابر انرژی بیشتری نسبت به شکاف هسته‌ای تولید می‌کند، همچنین برخلاف انرژی حاصل از سوزاندن سوخت‌های فسیلی، دی‌اکسید کربنی را وارد جو زمین نمی‌کند. بعلاوه، همجوشی فرآیندی بسیار شکننده است که اگر در شرایط درستی انجام نگیرد، در کثری از ثانیه، خاموش می‌شود. بنابراین خطر ذوب هسته‌ای ناشی از این واکنش وجود ندارد.

با این حال یک مشکل وجود دارد: برای ایجاد شرایط همجوشی به مقدار زیادی انرژی نیاز است و تاکنون نتوانسته‌ایم انرژی خروجی بیشتری، نسبت به انرژی ورودی بدست آوریم. بنابراین تمرکزمان بر این است که واکنش را تا حد امکان ساده و کارآمد کنیم تا اتلاف انرژی را به حداقل رسانده و انرژی تولیدی را به حداکثر برسانیم.

این پیشرفت توسط اعضای سازمان انرژی اتمی بریتانیا (UKAEA ) و کنسرسیوم EUROfusion که در کارخانه مشترک اروپایی (JET) در آکسفوردشایر و در محوطه دانشگاهی کولهام UKAEA کار می‌کنند، بدست آمده است.

این کارخانه از ماشینی به نام توکامک حلقوی استفاده می‌کند. وسیله‌ای به شکل دونات که برای مهار جریان حلقه مانند پلاسمای فوق‌العاده داغ، از آهنرباهای قدرتمندی استفاده می‌کند.

پلاسما حالت چهارم ماده، بعد از جامدات، مایعات و گازها است. این حالت شبیه به شعله می‌باشد، اما بسیار داغتر از آن است. پلاسما در دماهای بسیار بالا تشکیل می‌شود و اساساً ترکیبی از الکترون‌ها با بار منفی و یون‌هایی با بار مثبت عناصر است که در دمای بسیار داغ از هم جدا شده‌اند.

همجوشی بکار گرفته شده در کارخانه JET شامل ترکیب سخت اتمهای هیدروژن با یکدیگر، تا زمان ذوب آنها است.( اگرچه در روش‌های مختلف همجوشی، می‌توان از عناصر مختلفی در این واکنش استفاده کرد.)

اتم هیدروژن استاندارد شما، حاوی یک ذره با بار مثبت به نام پروتون و یک ذره با بار منفی به نام الکترون است. وقتی اتم‌های هیدروژن تحت گرمای بسیار شدید به پلاسما تبدیل می‌شوند، از الکترون‌های خود جدا شده و به ذرات دارای بار مثبت به نام یون تبدیل می‌شوند که یکدیگر را دفع می‌کنند.

تحمل دماهای بسیار بالا

در خورشید، نیروهای گرانشی شدید، فشار بسیار بالایی تولید می‌کنند که بر این نیروی دافعه غلبه می کند. اما ایجاد چنین فشارهای بالایی بر روی زمین تقریبا غیرممکن است. بنابراین، ما باید پلاسما را تا دمایی حتی بالاتر از آنچه در JET انجام شده گرم کنیم،(شاید ۱۰ برابر گرمتر از مرکز خورشید) – تا این ذرات به معنای واقعی ایجاد همجوشی کنند.

برای مقاومت در برابر این دماهای بسیار بالا، فلزات مورد استفاده در پوشش دیوارهای داخلی دستگاه، باید دارای نقطه ذوب فوق العاده بالایی باشند. بخشی از رآکتور که در تماس مستقیم با پلاسما قرار می‌گیرد، «منحرف کننده» نامیده می شود که در واقع به نوعی شبیه یک سیستم اگزوز برای محفظه‌ای است که واکنش در آن انجام می‌شود. این بخش از دستگاه باید مقاوم‌ترین قسمت، در برابر دماهای بالای پلاسمای همجوشی باشد.

فیلد، فیزیکدان ارشد UKAEA می‌گوید: «از تنگستن به عنوان ماده مناسب برای قسمت منحرف‌کننده استفاده می‌شود، زیرا بالاترین نقطه ذوب را در بین سایر فلزات دارد، و در دمای ۳۴۰۰ درجه سانتیگراد ذوب می‌شود.»

اگرچه تنگستن نیز مشکلات خاص خود را دارد، و UKAEA یکی از نقاط ضعف این عنصر را اینگونه توصیف می‌کند: وقتی پلاسمای داغ، داخل منحرف‌کننده جریان پیدا می‌کند، با دیوارهایی که از جنس تنگستن هستند واکنش نشان می‌دهند، و تنگستن می‌تواند برخی از الکترون‌های خود را از دست داده و وارد پلاسما کند.

از آنجایی که اتم‌های تنگستن بسیار سنگین هستند (هر اتم حاوی ۷۴ پروتون و ۷۴ الکترون است)، جدا کردن تمام الکترون های آن بسیار سخت است. این یک مشکل بزرگ است، زیرا الکترون‌هایی که همچنان به تنگستن متصل می‌مانند، می‌توانند انرژی را از الکترون‌های پلاسما بگیرند، و این موضوع روند پایدار فرآیند کلی را بسیار سخت‌تر می‌کند. و اگر حفظ این روند پایدار سخت‌ شود، امکان دریافت مقدار انرژی بیشتر از آنچه وارد واکنش شده، به خطر می‌افتد.

فیلد می‌گوید:«اگر در مقدار معینی از پلاسما، بیشتر از یک اندازه مشخص و محدود تنگستن وجود داشته باشد، حفظ روند پایدار واکنش غیرممکن می‌شود.»

در مرحله اول، برای جلوگیری از ورود ناخالصی‌های تنگستن به داخل پلاسما، باید مانعی در قسمت خارجی پلاسما قرار داده شود تا از ورود تنگستن به آن جلوگیری کند.

دهه‌ها پیش فرض بر این بود که کاهش شدید دما بین هسته پلاسما و دیواره‌های منحرف‌کننده می‌تواند به‌عنوان نوعی «سد حرارتی» برای محافظت از پلاسما در برابر این نوع آلودگی عمل کند. اکنون، فیلد و تیمش نشان داده‌اند که نظریه قراردادن سد حرارتی در اطراف لبه پلاسما، عملی است.

فیلد گفت: «این کشف بسیار هیجان‌انگیز بود، زیرا پدیده غربالگری ناخالصی، قبلا پیش‌بینی شده بود، اما هرگز در یک توکامک واقعی در لبه پلاسما مشاهده نشده بود.»

او افزود: «این مشاهدات نگرانی‌های آینده ما را در مورد یکی از عدم قطعیت‌های بزرگ پوششی در اطراف پلاسما که مربوط به عملکرد یک رآکتور همجوشی توکامک می‌شود، کاهش خواهد داد.»

به گفته فیلد:«سد گرمایی، یک لایه نازک و عایق از جریان برش قوی، به طول ۲ تا ۳ سانتیمتر است که درست در لبه داخلی پلاسما شکل می‌گیرد. این مکانیسم درست مشابه روشی است که جت استریم‌های موجود در لایه‌های بالایی جو زمین، از حرکت جریانات هوای سرد از مناطق قطبی به سمت مناطق معتدل و بالعکس جلوگیری می‌کنند.

برای اینکه این مانع گرمایی بتواند ناخالصی‌ها را به خوبی از بین ببرد، باید اختلاف دمای کافی بین پلاسمای محصور و لبه پلاسما وجود داشته باشد. فیلد می گوید ” این اختلاف دما برابر با ۲۲ میلیون درجه سانتیگراد، با ضخامت یک پنجره سه جداره است!”

فیلد گفت که تأیید این فرضیه، برداشتن گام مهمی به سوی «جام مقدس» تولید نیرو از همجوشی است.

این روش بخشی از سری آزمایش‌هایی بود که به JET اجازه داد تا رکورد جهانی تولید انرژی همجوشی پایدار را در فوریه ۲۰۲۲ بشکند، و در مدت زمان ۵ ثانیه، ۵۹ مگاژول همجوشی پایدار تولید کند.

در حالی که تنگستن در همه راکتورهای همجوشی هسته ای استفاده نمی‌شود، اما به طور کلی اثبات این نظریه گامی بزرگ برای پیشرفت صنعت همجوشی هسته‌ای است. استیون مک نامارا، مدیر علمی توکامک در توکامک انرژی، یکی دیگر از شرکت‌های همجوشی که از آهنربا برای پشتیبانی از فرآیند همجوشی استفاده می‌کند، در گفتگو با نیوزویک گفت: «هر چالشی که بر آن غلبه می‌کنیم گامی به سوی هدف جمعی ما برای داشتن و تولید انرژی همجوشی پاک و بدون اندازه برای جهانیان است. ما این پیروزی را به تیم‌های UKAEA و EUROfusion تبریک می‌گوییم و هر نکته آموزشی مربوط به دستگاه‌های آینده توکامک انرژی را به کار خواهیم گرفت.»

این آزمایشات که در مقیاس کوچک در JET برای بهینه سازی کارایی ITER(بزرگترین ماشین توکامک جهان)، که در حال حاضر در فرانسه در حال ساخت می‌باشد، انجام شده است. طبق گفته وب‌سایت ITER، انتظار می‌رود ITER اولین پلاسمای خود را تا پایان سال ۲۰۲۵ تولید کند و فعالیت‌های کامل آن از سال ۲۰۳۵ آغاز شود.