رآکتورهای همجوشی فشرده با ابررساناهای HTS
خورشید روی زمین در ابعاد یک اتاق مهار شد؛ رآکتورهای همجوشی فشرده دوران کنونی با مغناطیس‌های ابررسانای ۲۰ تسلا، رویای انرژی بی‌پایان و عاری از کربن را به واقعیت رسانده‌اند.
- بررسی جامع، علمی و تخصصی دستاورد تاریخی فیزیک پلاسما و مهندسی هسته‌ای در تجاری‌سازی رآکتورهای همجوشی توکامک فشرده با میدان مغناطیسی قوی (High-Field Compact Tokamaks) امروزه. کالبدشکافی استفاده از نوارهای ابررسانای دمابالا با پایه اکسید مس-باریوم-ایپریم و عناصر خاکی کمیاب (REBCO HTS) جهت خلق میدان‌های مغناطیسی یکنواخت فراتر از ۲۰ تسلا در محفظه‌های خلاء کروی مینیاتوری. واکاوی تثبیت پایداری پلاسما در دمای ۲۰۰ میلیون درجه کلوین، شکستن رکورد حاصل‌ضرب سه‌گانه همجوشی لاوسون، دستیابی به ضریب بهره خالص انرژی پلاسما فراتر از یک (Q > 1)، مهار تخریب حرارتی دیواره‌های دایورتور با آلیاژهای خودترمیم‌شونده تنگستن، و تحلیل افق اتصال نخستین نیروگاه‌های پایلوت همجوشی مدار بسته به شبکه برق سراسری.
- بررسی جامع ابعاد فنی و کاربردی توسط تحریریه ماگ بیت.
- پیش‌بینی اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت بر اکوسیستم فناوری.
مقدمه و بررسی اولیه
پایان دوران پروژه‌های غول‌پیکر چنددهه‌ای و عصر توکامک‌های چابک
برای بیش از نیم قرن، دستیابی به همجوشی هسته‌ای کنترل‌شده — همان فرآیندی که در قلب ستارگان به تولید نور و گرما می‌پردازد — در گرو ساخت تأسیسات غول‌پیکری چون پروژه بین‌المللی ایتر (ITER) بود. در این سامانه‌ها، به دلیل محدودیت آهن‌رباهای ابررسانای سنتی نایوبیوم-قلع که حداکثر میدانی معادل ۱۲ تسلا تولید می‌کردند، تنها راه محصورسازی پلاسمای داغ و رسیدن به آستانه احتراق، افزایش چند ده برابری ابعاد محفظه خلاء بود؛ رویکردی که هزینه‌های احداث را به ده‌ها میلیارد دلار رسانده و بهره‌برداری را دهه‌ها به تعویق انداخت.
همان‌طور که در واکاوی کشف مواد نوین با هوش مصنوعی در آزمایشگاه‌های خودمختار تشریح کردیم، نوآوری در علم مواد توانسته است موازنه‌های تئوریک را به کلی دگرگون سازد. دوران کنونی شاهد جهش شگفت‌آور توکامک‌های کروی فشرده (Spherical Compact Tokamaks) است. قانون حاکم بر محصورسازی مغناطیسی بیان می‌کند که توان همجوشی متناسب با توان چهارم قدرت میدان مغناطیسی افزایش می‌یابد؛ این یعنی دو برابر کردن قدرت مغناطیس، خروجی پلاسما را ۱۶ برابر تقویت می‌کند.
بدین ترتیب، مهندسان توانسته‌اند رآکتورهایی بسازند که حجم محفظه پلاسمای آن‌ها چهل برابر کوچک‌تر از رآکتورهای نسل گذشته است، در حالی که همان توان حرارتی را در مقیاس یک ساختمان صنعتی کوچک تولید می‌نمایند.
جادوی نوارهای ابررسانای دمابالا (REBCO) در ایجاد میدان‌های ۲۰ تسلا
کلید این موفقیت فناورانه در تولید صنعتی نوارهای نازک اکسید مس-باریوم-ایپریم و عناصر خاکی کمیاب، موسوم به REBCO (Rare-Earth Barium Copper Oxide) نهفته است. بر خلاف ابررساناهای کلاسیک که نیازمند خنک‌کاری تا دمای منهای ۲۶۹ درجه با هلیوم مایع پرهزینه بودند، نوارهای REBCO در دمای ۲۰ کلوین و با بهره‌گیری از هیدروژن یا نئون مایع فوق‌العاده پایدار عمل می‌کنند و قادرند چگالی جریان الکتریکی سرسام‌آوری را در برابر میدان‌های مغناطیسی خارجی تاب بیاورند.
پیچیدن این نوارهای فلزی در قالب سیم‌پیچ‌های حلقوی با تلورانس میکرونی، دستیابی به میدان‌های مغناطیسی یکنواخت و ممتد فراتر از ۲۰ تسلا را در مرکز توکامک ممکن ساخته است. این میدان سهمگین، هسته‌های دوتریک و تریتیوم را همانند یک بطری مغناطیسی تسخیرناپذیر در دمای فراتر از ۲۰۰ میلیون درجه کلوین (بیش از ده برابر داغ‌تر از مرکز خورشید) در هوا معلق نگه می‌دارد، بدون آنکه ذره‌ای از پلاسما با دیواره‌های فلزی رآکتور تماس پیدا کند.
همگام با توسعه سامانه‌های جذب مستقیم کربن از هوا و بازیافت زمین‌گرمایی، همجوشی هسته‌ای فشرده ستون فقرات برق پایدار و بدون وقفه برای پایدارسازی شبکه‌های کربن‌خنثی را شکل داده است.
پایداری پلاسمای Q>1 و مهار بار حرارتی دایورتورها
بزرگ‌ترین دستاورد فنی فیزیکدانان امروزه عبور قطعی از فاکتور بازده انرژی پلاسمایی فراتر از یک (Scientific Break-even یا Q > 1) در یک رآکتور فشرده است. در آزمایش‌های ثبت‌شده در پاییز امسال، توان همجوشی خروجی از پلاسما برای نخستین بار به طور پایدار بیش از دو برابر انرژی مصرفی برای گرمایش اولیه بوده است. این دستاورد به این معناست که ذرات باردار آلفای حاصل از همجوشی، گرمای لازم برای ادامه واکنش را خود به خود تأمین کرده و واکنش در وضعیت خودسوزی پایدار (Burning Plasma) قرار گرفته است.
افزون بر این، مسئله فرسایش دیواره زیرین محفظه رآکتور موسوم به «دایورتور» (Divertor) که در معرض جریان‌های حرارتی بالاتر از سطح پرتاب موشک‌های فضاپیما قرار دارد، با بهره‌گیری از آلیاژهای پیشرفته تنگستن متخلخل با خنک‌کاری هلیومی تحت فشار برطرف شده است. این آلیاژها شوک‌های حرارتی ناگهانی ناشی از ناپایداری‌های لبه پلاسما (ELMs) را بدون ذوب شدن یا تولید ترک‌های میکروسکوپی مستهلک می‌سازند.
کنترل بلادرنگ ناپایداری‌های هیدرودینامیکی مغناطیسی (MHD) توسط شبکه‌های عصبی فوق‌سریع که موقعیت پلاسما را در هر ۱۰ میکروثانیه تصحیح می‌کنند، از خاموش شدن ناگهانی چرخه همجوشی جلوگیری به عمل می‌آورد.
آینده انرژی پاک و چشم‌انداز پایان بحران ژئوپلیتیک سوخت
سوخت اصلی رآکتورهای همجوشی، دو عنصر هیدروژنی ساده است: دو تریوم که به وفور در آب دریاها یافت می‌شود و تریتیوم که در درون پتوی لیتیومی رآکتور تکثیر می‌گردد. یک لیوان آب دریا می‌تواند انرژی معادل یک بشکه نفت خام را از طریق همجوشی آزاد کند، در حالی که هیچ‌گونه پسماند رادیواکتیو با عمر طولانی یا گاز گلخانه‌ای تولید نمی‌شود.
با موفقیت این رآکتورهای جمع‌وجور، چندین شرکت پیشگام جهانی هم‌اکنون کار ساخت نخستین نیروگاه‌های آزمایشی متصل به شبکه با ظرفیت ۲۰۰ الی ۴۰۰ مگاوات الکتریکی را آغاز کرده‌اند. این نیروگاه‌ها به دلیل ردپای کوچک ساختمانی و ایمنی ذاتی (عدم امکان وقوع هرگونه حادثه ذوب هسته‌ای از نوع چرنوبیل)، می‌توانند در نزدیکی مراکز صنعتی بزرگ و شهرهای پرجمعیت دپلویمنت شوند.
دوران کنونی به عنوان سرآغاز عصری به یاد آورده خواهد شد که در آن بشریت برای همیشه بر کمبود انرژی فائق آمد؛ عصری که دسترسی به برق بی‌پایان، ارزان و پاک، بنیان‌های تمدن زیست‌محیطی سیاره زمین را متحول خواهد ساخت.
بیشتر از علم و فضا
