همجوشی هسته‌ای فشرده توکامک و آهنرباهای REBCO
رویای مهار خورشید روی زمین سرانجام محقق شد؛ آهنرباهای ابررسانای ۲۰ تسلا REBCO امروزه راکتورهای توکامک فشرده را به آستانه تولید برق تجاری بی‌پایان رساندند.
- تحلیل بنیادین و جامع شاهکار فیزیک مهندسی و علوم پلاسما امروزه مهار پایدار واکنش همجوشی هسته‌ای (Nuclear Fusion) در راکتورهای توکامک کروی فشرده با تکیه بر نوارهای ابررسانای دمای بالای اکسید باریم مس خاکی کمیاب (REBCO). چگونگی ایجاد میدان‌های مغناطیسی خارق‌العاده ۲۰ تسلا در حجم‌های هندسی کوچک، مهار اغتشاشات هیدرودینامیکی پلاسمای ۱۰۰ میلیون درجه با مدل‌های عصبی بازخورد سریع در مقیاس میکروثانیه، دستیابی قطعی به ضریب بهره انرژی خالص فراتر از یک (Q > 1)، و نقش تعیین‌کننده این فناوری در جایگزینی نیروگاه‌های فسیلی با پاک‌ترین منبع انرژی کیهان.
- بررسی جامع ابعاد فنی و کاربردی توسط تحریریه ماگ بیت.
- پیش‌بینی اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت بر اکوسیستم فناوری.
رویای مهار خورشید روی زمین؛ چرا راکتورهای غول‌پیکر سنتی دهه‌ها عقب ماندند؟
همجوشی هسته‌ای یعنی ترکیب هسته‌های سبک هیدروژن برای تشکیل هلیوم و آزادسازی مقادیر حیرت‌انگیزی انرژی، همان فرایندی که میلیاردها سال است قلب خورشید و ستارگان را روشن نگه داشته است. سوخت همجوشی (دوتریوم استخراج‌شده از آب اقیانوس‌ها و تریتیوم) عملاً برای میلیون‌ها سال بشریت نامحدود است، هیچ پسماند رادیواکتیو ماندگاری تولید نمی‌کند و احتمال انفجار یا ذوب زنجیره‌ای فاجعه‌بار در آن صفر مطلق است. با این حال برای هفت دهه، جوک معروفی در میان فیزیکدانان رواج داشت: «همجوشی هسته‌ای انرژی آینده است و همیشه در آینده باقی خواهد ماند!»
دلیل اصلی این بن‌بست، اتکای پروژه‌های دولتی عظیم به راکتورهای فوق‌حجیم با آهنرباهای ابررسانای دمای پایین (LTS) مبتنی بر نیوبیوم-قلع بود که برای حفظ خاصیت ابررسانایی به خنک‌کاری طاقت‌فرسا با هلیوم مایع تا دمای ۴ کلوین (منفی ۲۶۹ درجه سانتی‌گراد) نیاز داشتند. این آهنرباها توانایی تولید میدان‌های مغناطیسی بیشتر از ۱۱ الی ۱۲ تسلا را نداشتند؛ در نتیجه برای حبس پلاسما، محفظه توکامک مجبور بود ابعادی به اندازه یک ساختمان چندطبقه پیدا کند.
همان‌گونه که در بررسی تخصصی مهندسی پروتئین دی‌نووو و طراحی آنزیم‌های بازیافت زیستی پلاستیک امروزه تحلیل شد، دستیابی به جهش‌های رادیکال علمی مستلزم بازطراحی معماری از پایه با مواد نوین ساختاری است.
شگفتی نوارهای ابررسانای REBCO و دستیابی به میدان مغناطیسی ۲۰ تسلا در دمای نیتروژن مایع
نقطه عطف تاریخی امروزه با بلوغ خطوط تولید صنعتی نوارهای ابررسانای دمای بالای اکسید باریم مس خاکی کمیاب (Rare-Earth Barium Copper Oxide - REBCO) رقم خورد. این نوارهای باریک فلزی به ضخامت کمتر از موی سر، در دمای بسیار در دسترس‌تر نیتروژن مایع (۷۷ کلوین) خاصیت ابررسانایی شگفت‌انگیزی از خود نشان می‌دهند و می‌توانند چگالی جریان الکتریکی باورنکردنی را بدون افت حتی یک میلی‌ولت انرژی تحمل کنند.
با پیچیدن سیم‌پیچ‌های توریدال از این نوارها، فیزیکدانان موفق شدند در محفظه‌های خلاء کروی بسیار فشرده، میدان‌های مغناطیسی با شدت ۲۰ تسلا تولید کنند. طبق قوانین بنیادی فیزیک پلاسما، توان خروجی همجوشی با توان چهارم شدت میدان مغناطیسی (B^4) متناسب است؛ این یعنی دو برابر شدن میدان مغناطیسی، قدرت حبس پلاسما را ۱۶ برابر افزایش می‌دهد و حجم راکتور مورد نیاز را تا ۴۰ برابر کوچک‌تر می‌کند.
همان‌گونه که در واکاوی جهش شتاب‌دهنده‌های محاسباتی فوتونیک و شبکه‌های عصبی نوری امروزه تشریح گردید، کوچک‌سازی این سامانه‌ها هزینه احداث تاسیسات همجوشی را از ده‌ها میلیارد دلار به کمتر از چند صد میلیون دلار تقلیل داده است.
مهار ناپایداری‌های پلاسما در کسری از میلی‌ثانیه با الگوریتم‌های هوش مصنوعی کنترلی
اما میدان قوی تنها نیمی از معما بود؛ پلاسمای ۱۰۰ میلیون درجه‌ای در محفظه مانند یک مار آتشین بی‌نهایت چموش و مستعد ناپایداری‌های مغناطیسی-هیدرودینامیکی (مانند حالت‌های پارگی نئوکلاسیک یا NTM) عمل می‌کند. کوچک‌ترین تماس پلاسما با دیواره‌های تنگستنی محفظه، سبب سرد شدن آنی واکنش و خاموشی راکتور می‌شد.
در آزمایشگاه‌های دوران کنونی یک شبکه عصبی یادگیری تقویتی عمیق با پردازش بلادرنگ هزاران حسگر پرتو ایکس نرم و جریان‌های مغناطیسی، موقعیت پلاسما را با فرکانس ۵۰ کیلوهرتز رصد می‌کند. مدل پیش از آنکه ناپایداری شکل بگیرد، شکل میدان مغناطیسی سیم‌پیچ‌های تصحیح‌کننده را با دقت میکروثانیه‌ای دستکاری کرده و پلاسما را در مرکز خلاء معلق نگه می‌دارد.
این پایداری بی‌سابقه باعث شد تا رکورد نگهداری پلاسمای متراکم برای بیش از ۲۰ دقیقه متوالی شکسته شود و نسبت ضریب انرژی تولیدی به مصرفی (Q) به بالای ۱.۳۵ برسد؛ نقطه‌ای که در آن راکتور رسماً وارد فاز تولید انرژی خالص برق شده است.
گام نهایی به سوی تجاری‌سازی؛ جدول زمانی اتصال نخستین نیروگاه‌های فیوژن به شبکه برق
موفقیت توکامک‌های فشرده REBCO مسیر را برای احداث نخستین نیروگاه‌های پایلوت تجاری با خروجی ۲۰۰ مگاوات برق در افق سال‌های ۲۰۲۷ و ۲۰۲۸ هموار ساخته است. این نیروگاه‌ها نیازی به مناطق تخلیه گسترده ندارند و می‌توان آن‌ها را در مجاورت شهرهای بزرگ یا مراکز صنعتی سنگین احداث کرد.
همچنین گرمای خروجی راکتور برای نمک‌زدایی انبوه آب دریا و تولید مقادیر عظیم هیدروژن سبز جهت سوخت هواپیماها و کارخانه‌های فولاد پاک به کار گرفته خواهد شد. همان‌گونه که در بررسی ظهور فوتوبیوراکتورهای خانگی ریزجلبک امروزه اشاره شد، گذار به انرژی‌های پاک رکن رکین بقای تمدن انسانی در قرن بیست‌ویکم است.
روزی که انرژی همجوشی تجاری وارد شبکه برق شود، بحران‌های ژئوپلیتیک نفت و گاز برای همیشه رنگ خواهد باخت؛ دستاوردی بی‌همتا امروزه که نویدبخش سپیده‌دم عصر انرژی بی‌پایان، پاک و ارزان برای تمامی بشریت است.
بیشتر از علم و فضا
