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

برای نزدیک به یک سده، محققان در حال بررسی ابعاد مختلف دستیابی به یک منبع انرژی پایان‌ناپذیر از طریق هم‌جوشی هسته‌ای بوده‌اند. متاسفانه، مهندسی یک محیط کنترل شده که هسته اتم در آن به صورت مداوم زیر فشار شدید و دمای بسیار بالا به هم‌جوشی برسد و به تولید انرژی بپردازد، کاری بسیاری دشوار به حساب می‌آید. اما این بدان معنا نیست که محققان همین حالا دست به ابداعات و پیشرفت‌هایی هیجان‌انگیز نزده‌اند. در این مقاله قرار است نگاهی بیندازیم به رویکردهای مختلف در قبال هم‌جوشی هسته‌ای و چرایی نویدبخش‌تر بودن برخی از این رویکردها نسبت به سایرین.

‌هم‌جوشی (Fusion) و کافش (Fission) دو پروسه کاملا متفاوت برای تولید انرژی هسته‌ای هستند. درحالی که هم‌جوشی هسته‌ای به دنبال ترکیب کردن اتم‌های جداگانه و تبدیل‌شان به اتمی واحد است، کافش هسته‌ای در صدد شکافتن اتم (معمولا اورانیوم ۲۳۵) بر می‌آید و برای این کار، با یک نوترون به اتم حمله می‌کند. هر دو پروسه انبوهی از انرژی آزاد می‌کنند، اما مقدار انرژی آزاد شده در هم‌جوشی بیشتر است.

انرژی تولید شده از کافش هسته‌ای درون راکتورهایی نظیر فوکوشیما و چرنوبیل ذخیره شده و برای حرارت دادن به آب و تبدیلش به بخار استفاده می‌شود

انرژی تولید شده از کافش هسته‌ای درون راکتورهایی نظیر فوکوشیما و چرنوبیل ذخیره شده و برای حرارت دادن به آب و تبدیلش به بخار استفاده می‌شود. این بخار سپس یک توربین را به حرکت درآورده و به تولید الکتریسیته منجر می‌گردد. اما در همین پروسه، ضایعاتی تولید می‌شود که می‌توانند برای میلیون‌ها سال رادیواکتیو باقی بمانند و همانطور که در فوکوشیما و چرنوبیل دیده‌ایم، در صورت اشتباه پیش رفتن شرایط تبدیل به بحرانی حقیقی شوند.

هم‌جوشی از طرف دیگر ضایعات هسته‌ای پایدار تولید نمی‌کند و مواد لازم برای پروسه می‌توانند ظرف ۱۰۰ سال بازیافت شوند. ضمنا خطر گدازش یا حوادث اتمی وجود ندارد، زیرا هم‌جوشی با اتکا بر با واکنش‌هایی بسیار پرحرارت انجام می‌شود که در صورت اختلال در عملکرد،‌ ظرف چند ثانیه خنک می‌شوند. و از آن‌جایی که این واکنش مقدار نسبتا کمی از سوخت را مصرف می‌کنند، امکان استفاده از آن‌ها برای ساخت تسلیحات هسته‌ای نیز مهیا نیست.

هم‌جوشی هسته‌ای اکنون ذهن محققانی را به خود درگیر کرده که باید بر انبوهی از چالش‌های گوناگون فائق آیند، اما تمام این محققان به سمت هدفی یکسان حرکت می‌کنند که بازتولید پروسه مورد استفاده از سوی خورشید برای تولید مقادیری پایان‌ناپذیر از انرژی است. نیروهای گرانشی عظیم، هیدروژن را درون اتمسفر خورشید محبوس می‌کنند و با حرارت و فشار بسیار شدید، گاز تبدیل به پلاسما می‌شود. درون پلاسما، هسته‌های اتم‌ها با سرعت فراوان به یکدیگر برخورد می‌کنند تا هلیوم شکل بگیرد و انرژی آزاد شود.

«انرژی خورشیدی در واقع انرژی هم‌جوشی است، فقط در فاصله‌ای دورتر»

متیو هول، متخصص هم‌جوشی هسته‌ای و محقق دانشگاه ملی استرالیا می‌گوید: «انرژی خورشیدی در واقع انرژی هم‌جوشی است، فقط در فاصله‌ای دورتر. تمام این انرژی از واکنش‌های هم‌جوشی خورشید به دست می‌آید. اما راکتوری که انرژی را تولید می‌کند هشت دقیقه نوری با ما فاصله دارد».

یک فاکتور کلیدی دیگر، گرانش است. نیروهای گرانشی عظیم خورشید، حدودا ۲۸ برابر بیشتر از آن‌چیزی هستند که ما روی زمین داریم. این یعنی برای محبوس کردن سوخت‌مان و دستیابی به واکنش‌های هم‌جوشی هسته‌ای، باید دست به کارهای خلاقانه بزنیم. رویکرد محبوب کنونی استفاده از میدان‌های مغناطیسی است که می‌توان از آن‌ها برای محبوس کردن دو فرم سنگین هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم درون دستگاهی دونات‌شکل به نام «توکامک» استفاده کرد.

یورش توکامک‌ها

توکامک‌ها مثالی از سیستم‌های محبوس‌سازی مغناطیسی برای هم‌جوشی هسته‌ای هستند و هول نیز آن‌ها را از نظر نسبت انرژی تولیدی در تاسیسات به انرژی مصرفی، بهینه‌ترین گزینه به حساب می‌آورد. توکامک‌ها از مجموعه‌ای از سیم‌پیچ‌ها تشکیل شده‌اند که به دور یک راکتور چنبره شکل می‌پیچند. درون آن‌ها و به کمک یک مدار داخلی قدرتمند نیز، حرارت پلاسما به چندین میلیون درجه می‌رسد. ایده اینست که پلاسما باید آنقدر سر جای خود باقی بماند تا هم‌جوشی هسته‌های اتم‌ها اتفاق بیفتد.

نخستین توکامک‌ها در دهه ۱۹۵۰ میلادی طراحی شدند و توکامک JET در بریتانیا، نخستین دستگاهی بود که به انتشار انرژی هم‌جوشی کنترل شده دست پیدا کرد

نخستین توکامک‌ها در دهه ۱۹۵۰ میلادی طراحی شدند و توکامک Joint European Torus (یا به اختصار JET) در بریتانیا، نخستین دستگاهی بود که به انتشار انرژی هم‌جوشی کنترل شده دست پیدا کرد. همین دستگاه سپس طی سال ۱۹۹۷ به رکورد بالاترین خروجی انرژی در یک توکامک (معادل ۱۶ مگاوات) رسید. علی‌رغم این دستاورد، همچنان به ۲۴ مگاوات انرژی نیاز بود تا پلاسما به حرارت لازم برسد. این یعنی پروژه مورد اشاره نتوانست انرژی خروجی بیشتری نسبت به انرژی ورودی داشته باشد تا هم‌جوشی هسته‌ای را به‌صرفه کند.

JET تا همین امروز عملیاتی باقی مانده و اکنون چند دستگاه توکامک برجسته دیگر نیز داریم. در این لیست توکامک Experimental Advanced Superconducting چین که در سال ۲۰۱۸ به حرارتی معادل ۱۰۰ میلیون درجه سلیوس رسید، توکامک Superconducting Tokamak Advanced Research کره جنوبی که سال گذشته پلاسما را برای ۲۰ ثانیه در دمای ۱۰۰ میلیون درجه سلسیوس نگه داشت و رکوردشکنی کرد و همینطور توکامک شرکت بریتانیایی Tokamak Energy به چشم می‌خورد.

علی‌رغم تمام این دستاوردها، سر به سر شدن انرژی در هم‌جوشی هسته‌ای همچنان دور از ذهن باقی مانده. بسیاری از متخصصینی که به سمت این هدف گام برمی‌دارند، همین حالا دیوایسی نسل جدید را در دست تولید دارند که می‌تواند نوید دستاوردهای هرچه بیشتر را دهد. ITER یا International Thermonuclear Experimental Reactor یکی از جاه‌طلبانه‌ترین پروژه‌های تولید انرژی در تاریخ بشریت به حساب می‌آید و مهندسین و دانشمندانی از ۳۵ کشور مختلف جهان را درگیر خود کرده است. بعد از پایان کار در سال ۲۰۲۵ میلادی، این بزرگ‌ترین دستگاه هم‌جوشی هسته‌ای جهان خواهد بود.

علی‌رغم تمام این دستاوردها، سر به سر شدن انرژی در هم‌جوشی هسته‌ای همچنان دور از ذهن باقی مانده

ITER که ارتفاعی اندازه یک ساختمان هفت طبقه دارد، یک توکامک بوده و جریان‌هایی از پلاسما با قطر ۱۰ برابر بیشتر از آن‌چه در توکامک‌های امروزی به وجود آمده‌اند را در خود جای می‌دهد. درحالی که JET با انرژی ورودی ۲۴ مگاوات توانست ۱۶ مگاوات انرژی خروجی تحویل دهد، ITER طراحی شده تا با تنها ۵۰ مگاوات انرژی ورودی، به ۵۰۰ مگاوات انرژی خروجی دست یابد و یک‌بار برای همیشه، به این چالش خاتمه دهد. البته این انرژی در قالب الکتریسیته ذخیره نمی‌شود. در عوض ITER نقش بستر آزمون و خطا برای تکنولوژی‌هایی را ایفا می‌کند که امید می‌رود زیربنای نخستین تاسیسات انرژی هم‌جوشی باشند.

اگرچه بخش اعظمی از جاه‌طلبی‌ انسان‌ها در حوزه هم‌جوشی هسته‌ای با سرنوشت ITER گره خورده، احتمالاتی دیگر نیز داریم: مانند یک راکتور محبوس‌سازی مغناطیسی هم‌جوشی دیگر که می‌توانید آن را ورژنی متفاوت از یک توکامک به حساب آورید: استلراتور.

یک پیچش بزرگ - طراحی استلراتور

درست مانند توکامک‌ها، استلراتورها طراحی شده‌اند تا جریان‌های پلاسما را به کمک سیم‌پیچ‌های مغناطیسی درون یک حلقه‌ی بسته محبوس کنند، اما چند تفاوت کلیدی وجود دارد. به جای طراحی دونات شکل و کاملا متقارن، استلراتور پلاسما را درون سیکل‌های نامنظم می‌فرستد که از مجموعه‌ای شدیدا پیچیده از سیم‌پیچ‌های مغناطیسی تشکیل شده‌اند. به نظر دور از عقل و منطق می‌آید، اما این ساختار اساسا منجر به شکل‌گیری ثبات بیشتر در پلاسما می‌شود و علت، اختلاف جریان‌های داخلی است.

هول توضیح می‌دهد که: «در محبوس‌سازی مغناطیسی حلقوی، شما نیازمند پیچش جریان هستید. توکامک‌ها این کار را با جریان داخلی بزرگی انجام می‌دهند که باعث می‌شوند میدان به دور خمیدگی‌ها بگردد و بچرخد. در یک استلراتور، شما به شکلی عامدانه تمام سطح مقطع پیچیدگی‌ها را بیش از پیش می‌پیچانید. با سیم‌پیچ‌ها، جریان مغناطیسی پیچیده می‌شود. این یعنی نیازی به یک جریان داخلی بزرگ ندارید تا پیچش اتفاق بیفتد. بنابراین اساسا شما دارید یک مسئله فیزیکی را به یک مسئله مهندسی تبدیل می‌کنید.»

«استلراتور در طولانی‌مدت احتمالا جذابیت ذاتی بیشتری نسبت به یک توکامک داشته باشد»

به خاطر اینکه استلراتورها نیازمند یک جریان داخلی عظیم نیستند و ذاتا باثبات‌تر از توکامک‌ها ظاهر می‌شوند، هول می‌گوید که این دیوایس‌ها احتمالا برای انرژی‌رسانی به شبکه‌های بزرگ برق مناسب‌تر باشند. اما با این فرض که زیرساخت پیچیده و شگرف آن‌ها به شکلی شگرف هزینه‌بر تمام نشود و بتوان به همان میزان از محبوس‌سازی در توکامک‌ها دست یافت. در حال حاضر که این مقاله نوشته می‌شود، هیچ‌کدام از این دو مهم محقق نشده‌اند.

هول توضیح می‌دهد که: «استلراتور در طولانی‌مدت احتمالا جذابیت ذاتی بیشتری نسبت به یک توکامک داشته باشد. اما برای یک مهندس، استلراتور مثل کابوس می‌ماند. به همین خاطر است که باید به پژوهش هرچه بیشتر روی هر دو دیوایس پرداخت».

کنار گذاشتن مغناطیس

فراتر از قلمروی محبوس‌سازی مغناطیسی، رویکردهای دیگری نیز از سوی محققان برای هم‌جوشی هسته‌ای آزمایش می‌شود که همگی در زیرمجموعه چیزی به نام «محبوس‌سازی داخلی» قرار می‌گیرند. این بازوی جدید در تحقیقات هم‌جوشی هسته‌ای در صدد استفاده از لیزرهای بسیار دقیق یا پرتوهای یونی برمی‌آید تا به سرعت یک حبه سوخت -که باز هم از دوتریوم و تریتیوم ساخته شده- را به دمای بسیار بالا برساند.

ایده اینست که با قرار دادن حبه‌های سوخت در معرض چنین حرارت ناگهانی و شدیدی، نیروی متراکم عظیمی به دست می‌آید و زنجیره واکنش‌های ناشی از آن، از لایه‌های مختلف ماده عبور می‌کنند و با هم‌جوشی هسته‌ای، انبوهی از انرژی آزاد می‌شود. کمپانی استرالیایی HB11 Energy یکی از شرکت‌هایی است که این رویکرد رادیکال را در پیش گرفته و می‌خواهد با کنار گذاشتن دوتریوم و تریتیوم، از هیدروژن و بورون-بی ۱۱ استفاده کند که به رویکردی غیر رادیو اکتیو منجر می‌شود.

کمپانی مورد اشاره مدعی شده که بسیاری از چالش‌های چند دهه اخیر را در حوزه هم‌جوشی هسته‌ای کنار زده است، عمدتا به خاطر اینکه سعی نمی‌کند سوخت را به دمایی دیوانه‌وار برساند. این شرکت حبه‌های سوختی خود را در معرض دو لیزر قرار می‌دهد، یک لیزر برای به وجود آوردن میدان محبوس‌سازی مغناطیسی و لیزر دیگر برای اینکه زنجیره واکشن‌های هم‌جوشی هیدروژن-بورون را آغاز کند. این همجوشی به شکل‌گیری ذراتی منجر می‌شود که در نهایت جریانی الکتریکی به وجود می‌آورند.

یک مشکل کلیدی در چنین رویکردهایی آن است که واکنش‌ها در کسری از ثانیه انجام می‌شوند

تیم استرالیایی می‌گوید که این جریان را می‌توان به شکلی تقریبا مستقیم به درون یک شبکه برق هدایت کرد. نیازی به یک ژنراتور توربین بخار یا تبادل حرارت نخواهد بود و خطر گدازش هم پروسه را تهدید نمی‌کند. تیم مورد اشاره حسابی به تکنولوژی خود می‌بالد و می‌گوید که آزمایش‌هایش به شکل‌گیری واکنش‌هایی میلیاردها برابر بهتر از آن‌چه پیش‌بینی می‌شد منجر شده‌اند. محققان استرالیایی باور دارند که نقشه راه توسعه این تکنولوژی به مراتب سریع‌تر و کم‌هزینه‌تر از دیگر رویکردهای کنونی خواهد بود.

هول که با HB11 و محققان مشغول به کار روی پروژه آشنا است می‌گوید: «این علمی جالب است. اما نمی‌توانم بگویم که شواهدی دقیق وجود دارند که نشان می‌دهند می‌توانید این دستگاه را سریع‌تر از ITER یا محبوس‌سازی مغناطیسی حلقوی تبدیل به یک تاسیسات تامین انرژی کنید. در ذهن من، همچنان چالش‌های زیادی وجود دارد».

هول می‌گوید یک مشکل کلیدی در چنین رویکردهایی آن است که واکنش‌ها در کسری از ثانیه انجام می‌شوند. برای اینکه تکنولوژی پشت کار را بتوان به تاسیسات تامین انرژی آورد، نیازمند بلوغ هستیم و واکنش‌های کوتاه‌مدت و لحظه‌ای باید تبدیل به چیزی شوند که به صورت مداوم انرژی تولید می‌کنند، مانند آتشی که به سوختن ادامه می‌دهد.

احساس نیشگون

یک مثال جالب دیگر از رویکرد محبوس‌سازی داخلی در هم‌جوشی هسته‌ای، چیزی است که تحت عنوان Z-pinch شاخته می‌شوند. به جای استفاده از سیم‌پیچ‌های مغناطیسی بزرگ و پیچیده که جریان‌های پلاسما را در یک جا نگه می‌دارند، رویکرد Z-pinch از میدان الکترومغناطیسی‌ای استفاده می‌کند که توسط خود پلاسما به وجود آمده است. Z-pinch اکنون یکی از نویدبخش‌ترین رویکردهای هم‌جوشی هسته‌ای به حساب می‌آید، زیرا از زمان ظهورش در دهه ۱۹۵۰ میلادی، وعده ساختار بسیار ساده‌تر را نسبت به توکامک‌ها یا استلراتورها داده است. اما درست مانند آن دیوایس‌ها، Z-pinch هم از بی‌ثباتی پلاسما رنج می‌برد که می‌تواند از میدان مغناطیسی فرار کرده و برآمدگی‌هایی مشکل‌سازی به وجود آورد.

در سال ۲۰۱۹، تیمی از محققان دانشگاه واشنگتن توجه‌ها را به خود جلب کردند. آن‌ها توانستند با دستکاری دینامیک مایع پلاسما، راهی برای از بین بردن این برآمدگی‌ها پیدا کنند. درون یک ستون Z-pinch با طول ۵۰ سانتی‌متر، تیم دانشگاه واشنگتن توانست ۵۰۰۰ برابر بیشتر از پلاسمای ایستا، پلاسمای جاری نگه‌داری کند و شاهد نوترون‌هایی پرانرژی بود که آن‌ها را شواهدی از هم‌جوشی هسته‌ای تلقی می‌کرد. علی‌رغم نویدبخش بودن، Z-pinch هم در دستیابی به تامین انرژی مداوم با چالش‌هایی عظیم روبه‌رو خواهد بود.

آینده‌ای قوت گرفته از هم‌جوشی؟

هول می‌گوید اگر مفاهیمی که یک تاسیسات هم‌جوشی هسته‌ای مشاهده کرده است بر مبنای طراحی توکامک بوده‌اند، اما برخی دیگر نیز ساختار استلراتور را مبنای کار قرار داده‌اند. زمانی که ITER برای نخستین بار شروع به کار کند، تمام چشم‌ها به آن دوخته خواهد بود، خصوصا با درنظرگیری اینکه قرار است آزمایش سال ۲۰۲۵ با ترکیب ۵۰:۵۰ دوتریوم و تیتریوم صورت بگیرد.

بنابراین همانطور که می‌توان دید، اگرچه طراحی ITER، محبوس‌سازی مغناطیسی حلقوی و توکامک بیشترین پیشرفت‌ را به همراه آورده‌اند، محققان حوزه هم‌جوشی هسته‌ای به دنبال چندین رویکرد دیگر نیز می‌گردند که همگی مزایا و معایب خاص خود را دارند. متاسفانه، فارغ از رویکرد، هم‌جوشی هسته‌ای همچنان انرژی بیشتری نسبت به آن‌چه ارائه می‌کند می‌طلبد. اما حل کردن مسائل مهندسی و فیزیکی برای دستیابی به انرژی خروجی بیشتر، اگرچه بسیار پیچیده خواهد بود، اما یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای بشر نیز به حساب خواهد آمد.

هول می‌گوید: «چنین چیزهایی هیچوقت ایده‌آل نیستند. اگرچه ساده و ایده‌آل بودند، قبلا به آن‌ها دست پیدا کرده بودیم. ماجرا مثل ارسال انسان به کره ماه است، کاری بسیار سخت در پیش داریم».