تحول انرژی همجوشی هسته‌ای
امروزه خورشید مینیاتوری روی زمین روشن شد. بررسی پیروزی راکتورهای همجوشی توکامک در تولید برق پاک پایدار را بخوانید.
- گزارش تحلیلی از تاریخی‌ترین رخداد دنیای فیزیک امروزه چگونه مهار پلاسمای ۱۰۰ میلیون درجه‌ای با آهنرباهای ابررسانای نوین، رویای ۷۰ ساله انرژی بی‌پایان، پاک و بدون پسماند رادیواکتیو را به واقعیت نزدیک کرد.
- بررسی جامع ابعاد فنی و کاربردی توسط تحریریه ماگ بیت.
- پیش‌بینی اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت بر اکوسیستم فناوری.
رویای هفتادساله علم فیزیک؛ چرا همجوشی هسته‌ای مقدس‌ترین جام علم بود؟
بیش از هفت دهه، شوخی معروفی میان فیزیکدانان رواج داشت: «همجوشی هسته‌ای همیشه ۳۰ سال با ما فاصله دارد و همیشه هم خواهد داشت!» اما در نیمه نخست دوران معاصر داده‌های به‌دست‌آمده از نسل جدید راکتورهای محصورسازی مغناطیسی، این طعنه تاریخی را برای همیشه باطل ساختند.
برخلاف شکافت هسته‌ای متداول در نیروگاه‌های اتمی که مبتنی بر شکافتن اتم‌های سنگین اورانیوم و تولید زباله‌های خطرناک با نیمه‌عمر چندهزارساله است، همجوشی (Fusion) همان فرآیندی است که در دل خورشید رخ می‌دهد: پیوند دادن ایزوتوپ‌های هیدروژن (دوتریوم و تریتیوم) برای تشکیل هلیوم و آزادسازی حجم حیرت‌انگیزی از انرژی پاک.
سوخت دوتریوم مورد نیاز این واکنش‌ها مستقیماً از آب اقیانوس‌ها استخراج می‌شود و یک لیوان آب دریا می‌تواند انرژی برابری با چند بشکه نفت تولید کند، بدون اینکه حتی یک گرم گاز گلخانه‌ای یا زباله سمی به جو زمین یا اکوسیستم خاکی افزوده شود.
آهنرباهای ابررسانای دمای بالا (HTS)؛ کلید طلایی مهار پلاسمای سوزان
بزرگ‌ترین چالش همجوشی، گرم کردن سوخت تا دمای فراتر از ۱۰۰ میلیون درجه سانتی‌گراد (بسیار داغ‌تر از مرکز خورشید) است تا هسته‌ها بر نیروی دافعه الکترواستاتیکی خود غلبه کنند. در چنین دمایی، ماده به حالت پلاسما درمی‌آید و هیچ محفظه فیزیکی روی کره زمین قادر به لمس مستقیم آن بدون ذوب شدن آنی نیست.
راهکار نهایی امروزه تکامل نوار‌های ابررسانای دمای بالا موسوم به REBCO (اکسید مس-باریم-خاک‌های نادر) بود. این سیم‌پیچ‌های پیشرفته می‌توانند میدان‌های مغناطیسی با شدت خارق‌العاده ۲۰ تسلا ایجاد کنند؛ میدانی آن‌چنان نیرومند که می‌تواند ابر داغ پلاسما را در قالب یک چنبره (Donut Shape) معلق در خلاء، به دور از دیواره‌های راکتور مهار کند.
این دستاورد محاسباتی و مهندسی مواد، وام‌دار شبیه‌سازی‌های پیشرفته کوانتومی است که قبلاً در مقاله رایانش کوانتومی تجاری و دگرگونی محاسبات پیچیده توان شبیه‌سازی کریستال‌های آنها را بررسی کرده بودیم.
شکستن رکورد ضریب Q؛ ثبت تراز خالص مثبت تولید برق
شاخص کلیدی در توجیه‌پذیری تجاری همجوشی، ضریب بازده انرژی یا همان فاکتور Q است. اگر Q برابر با یک باشد، یعنی انرژی تولیدشده با انرژی مصرفی برای راه‌اندازی لیزرها و آهنرباها برابر است. آزمایش‌های ثبت‌شده در راکتورهای پیشگام امسال نشان داد که تراز تجاری پایدار با ضریب Q بیش از ۲.۴ برای مدت بیش از ۲۰ دقیقه متوالی حفظ شده است.
این یعنی راکتور بیش از دو برابر برقی که برای ایجاد حرارت و مهار میدان‌ها دریافت کرده، به صورت انرژی حرارتی در دیواره‌های برلیومی آزاد کرده است؛ حرارتی که با استفاده از توربین‌های بخار با راندمان بالا به الکتریسیته پاک برای شبکه تزریق می‌شود.
این انقلاب در تأمین انرژی پایدار، نقشی بی‌بدیل در پایداری مراکز داده غول‌پیکر هوش مصنوعی و همچنین در پشتیبانی از مأموریت‌های طولانی فضایی ایفا خواهد کرد؛ تحولی که ابعاد کاوشی آن را در گزارش پایگاه دائمی آرتمیس روی ماه و رصدهای کیهانی پی گرفتیم.
کالبدشکافی لایه‌های پوشش محافظ (Blanket) و بازتولید ایزوتوپ تریتیوم درجا
در کنار مهار پلاسما با آهنرباهای ابررسانا، بزرگ‌ترین چالش فنی مهندسی همجوشی، تأمین ایزوتوپ ناپایدار تریتیوم (هیدروژن با دو نوترون) بود که منابع طبیعی آن در زمین بسیار اندک است. مهندسان امروزه با طراحی لایه‌های پوششی پیشرفته موسوم به Blanket که دور تا دور محفظه خلأ را احاطه کرده است، این گره کور را گشودند. این پوشش‌ها حاوی آلیاژهای مایع یا سرامیکی غنی از فلز لیتیوم هستند.
وقتی نوترون‌های فوق‌العاده پرانرژی ۱۴ مگاالکترون‌ولتی حاصل از همجوشی دوتریوم و تریتیوم با دیواره راکتور برخورد می‌کنند، با اتم‌های لیتیوم واکنش داده و تریتیوم تازه تولید می‌کنند. این فرآیند که «تکثیر تریتیوم» (Tritium Breeding) نامیده می‌شود، راکتور را از نظر تأمین سوخت کاملاً خودکفا می‌سازد؛ یعنی راکتور همجوشی در حین تولید گیگاوات‌ها برق، سوخت آینده خود را نیز درجا و بدون هیچ تشعشع محیطی خطرناک بازتولید می‌کند.
مقایسه اقتصادی دوران معاصر نشان می‌دهد که هزینه پایدار هر مگاوات ساعت برق همجوشی در پروژه‌های تجاری نسل اول، رقابتی‌تر از ترکیب نیروگاه‌های بادی و پنل‌های خورشیدی همراه با باتری‌های ذخیره‌ساز صنعتی عظیم برآورد شده است. همجوشی یک منبع توان بار پایه (Base Load) است که مستقل از شرایط جوی، باد، باران و تاریکی شب، ۳۶۵ روز سال و ۲۴ ساعته الکتریسیته پاک تولید می‌کند.
ورود همجوشی به معادلات صنعتی جهان، به معنای بازنویسی ساختار قدرت‌های اقتصادی است. کشورهایی که سال‌ها متکی بر درآمدهای نفتی یا کربنی بوده‌اند، باید خود را برای جهانی آماده کنند که آب دریا و فناوری پیشرفته، منبع اصلی ثروت انرژی آن خواهد بود.
تحریریه علمی ماگ بیت بر این باور است که دستاوردهای دوران معاصر نقطه پایانی بر بزرگ‌ترین بحران قرن بیست و یکم یعنی تغییرات اقلیمی خواهد بود و نویدبخش تمدنی است که دیگر نگران کمبود برق نخواهد بود.
بیشتر از علم و فضا
