یک گام تا بهره برداری بشر از منبع انرژی نامحدود

تغییرات جدید در نیروگاههای همجوشی هسته ای، در نهایت می توانند انرژی پاک بی حد و حصری تولید کنند.

گویا آی تی – در روزگاری که بشر تلاش می کند اعتیاد خود به سوخت های فسیلی را کنار بگذارد و به اشتهای رو به رشد خود برای تولید انرژی به شکل مناسبی پاسخ دهد، یک فناوری در حال توسعه است که به نظر می رسد بسیار خوب باشد: همجوشی هسته ای
اگر این فناوری به مرحله بهره برداری برسد، نیروگاههای همجوشی هسته ای مقادیر بسیار زیادی انرژی پاک با یک منبع تقریبا بی نهایت و میزان تولید کربن صفر به دست خواهند داد. البته “اگر” این فناوری به مرحله عمل برسد. اما چندین تیم تحقیقاتی در سراسر جهان وجود دارند و میلیارد ها دلار صرف شده تا اطمینان یابیم این امر امکان پذیر است.
در فوریه سال گذشته، فصل جدیدی از تحقیقات روی انرژی همجوشی هسته ای با افتتاح رسمی وندلستین ۷ – ایکس (Wendelstein 7-x) آغاز شد.
وندلستین ۷ –ایکس یک راکتور همجوشی هسته ای آزمایشی با ارزش ۱ میلیارد دلار است ( ۱٫۴ میلیارد دلار استرالیا، ۱٫۰۶ میلیارد دلار آمریکا) که در گریفزوالد آلمان ساخته شده تا راکتوری به نام استلراتور (Stellarator) را تست کند.

تا سال ۲۰۲۱، این راکتور می تواند در دوره های زمانی حداکثر ۳۰ دقیقه ای کار کند. این مدت زمان، برای یک راکتور همجوشی هسته ای رکوردی بی سابقه است. ساخت این راکتور یک گام مهم در مسیر نشان دادن یکی از ویژگی های اساسی نیروگاههای همجوشی هسته ای آینده می باشد: عملکرد مستمر
اما دبلیو – ۷ ایکس تنها راکتور همجوشی هسته ای دنیا نیست. محققان در جنوب فرانسه، ITER را ساخته اند. ITER یک راکتور همجوشی هسته ای آزمایشی ۲۰ میلیارد دلاری (۲۶٫۷ میلیارد دلار استرالیا) است که از طراحی متفاوتی به نام توکامک (tokamak) استفاده می کند.
هر چند که W-7X و ITER طراحی های متفاوتی دارند، اما این دو پروژه مکمل یکدیگر هستند، و نوآوری هایی که در هر یک از آنها به دست می آید، نهایتا می تواند اساس کار یک نیروگاه همجوشی هسته ای باشد.

پیچ و خم ها
انرژی همجوشی هسته ای به دنبال تکرار همان واکنشی است که در خورشید رخ می دهد. در خورشید، دو اتم بسیار سبک مانند هیدروژن یا هلیوم با هم واکنش می دهند.
جرم اتم حاصل از این همجوشی، کمی سبک تر از مجموع جرم دو اتم اولیه است و تفاوت این دو جرم، طبق فرمول انیشتین E=mc^2 به انرژی تبدیل می شود.
مشکل اصلی، به مرحله تشویق این دو اتم به همجوشی با یکدیگر بر می گردد. این امر مستلزم آن است که این دو اتم تا میلیون ها درجه سلسیوس گرم شوند.
تهیه این سوخت فوق العاده گرم کار آسانی نیست. به همین دلیل به یک گاز یونیزه – یعنی یک پلاسما – تبدیل می شود که باید در یک میدان مغناطیسی قرار بگیرد. وقتی میدان مغناطیسی پلاسما را احاطه کند، پلاسما هیچ تماسی با بدنه داخلی راکتور نخواهد داشت.

خصوصیت جالب توجه W-7X، طراحی استلراتور آن است. این راکتور دارای یک محفظه خلاء می باشد که در یک بطری مغناطیسی تعبیه شده است. بطری مذکور از سیستمی از ۷۰ سیم پیچ آهنربایی ابررسانا ساخته شده است. این سیم پیچ ها یک میدان مغناطیسی قدرتمند برای محدود کردن پلاسمای داغ تولید می کنند.
استلراتور ها و توکامک ها، دو نوع دستگاه حبس مغناطیسی حلقوی (دونات شکل) هستند که برای ساخت نیروگاه همجوشی هسته ای روی آنها تحقیق می شود. در این آزمایش ها، یک میدان مغناطیسی حلقوی (یا حلقه مغناطیسی) ، یک بطری مغناطیسی می سازد تا پلاسما را در یک ناحیه مشخص نگه دارد.
به منظور آنکه پلاسما به خوبی در این محفظه دونات شکل محبوس شود، میدان مغناطیسی باید پیچ و تاب داشته باشد. در یک توکامک، مثل راکتور ITER، جریانهای بزرگ در پلاسما ایجاد می شوند تا مسیر مارپیچی مورد نیاز شکل بگیرد.

این جریان بزرگ می تواند ناپایداری های “پر پیچ و تابی” ایجاد کند که باعث می شوند پلاسما مختل شود.
اگر پلاسما مختل شود، راکتور باید پر از گاز شود تا حرارت پلاسما را فرو نشاند و از آسیب رساندن پلاسمای داغ به تجهیزات آزمایشگاهی جلوگیری کند.
در یک استلراتور، این مسیر مارپیچی در میدان مغناطیسی با پیچ خوردن خود ماشین به دست می آید. به این ترتیب جریان حلقوی بزرگ حذف می شود و پلاسما به شکل ذاتی باثبات تر می گردد.
بهای ایجاد این شرایط، پیچیدگی های مهندسی در سیم پیچ های تولید کننده میدان و کاهش میزان محبوس شدگی می باشد. یعنی پلاسما به شکل دشوارتری در حباب مغناطیسی محبوس می شود.

ترکیب دو راکتور
راکتورهای W-7X و ITER از روشهای متفاوتی استفاده می کنند. البته بسیاری از فناوری های زیربنایی آنها یکسان است.
هر دوی آنها ماشین های ابررسانای حلقوی هستند و هر دو از سیستم های گرمایش خارجی مانند گرمایش با فرکانس رادیویی و تزریق پرتو خنثی استفاده می کنند تا پلاسما را گرم نمایند، و اکثر فناوری های به کار رفته برای تشخیص دمای پلاسما در این دو راکتور مشترک است.
در یک نیروگاه برق، ایزوتوپ های سنگین هیدروژن (دوتریم و تریتیوم) با هم ترکیب می شوند تا هلیوم و نوترونهای پرانرژی تولید کنند.
هلیوم در پلاسما قرار می گیرد، نوترون هم بار الکتریکی خنثی دارد و به داخل پلاسمای اطراف که مانند یک پتو پلاسمای داخلی را در بر گرفته پرتاب می شود. این فرآیند پلاسما را گرم می کند و پلاسمای گرم شده به خودی خود یک توربین بخار را که برق تولید می کند، به حرکت در می آورد.
یکی از ویژگی های مشترک میان همه نیروگاههای همجوشی هسته ای، نیاز به مواد پیشرفته ای است که بتوانند در برابر حرارت بالا و نوترون های تولید شده توسط واکنش های همجوشی مقاومت کنند.

در همه راکتورهای همجوشی هسته ای با هر نوع طراحی که باشند، اولین دیواره آنها باید در سراسر عمر خود در برابر بمباران شدید و گسترده ذرات پر انرژی مقاومت کند.
هنوز خیلی زود است تا بگوییم طراحی توکامک به کار رفته توسط ITER برای ساخت نیروگاههای همجوشی هسته ای در سطح تجاری بهتر است یا طراحی استلراتور به کار رفته توسط W-7X . اما آغاز عملیات تحقیقاتی در W-7X نه تنها به انتخاب بهترین تکنولوژی کمک می کند، بلکه در کسب دانشی ارزشمند برای آزمایش های همجوشی آینده نیز سهم دارد و شاید روزی موجب وقوع یک انقلاب در عرصه تولید انرژی شود