راکتورهای همجوشی توکامک با آهنرباهای ابررسانای دمای بالا
مهار خورشید در یک اتاق کوچک؛ دانشمندان امروزه با نوارهای ابررسانای دمای بالا، راکتورهای همجوشی را به سوددهی خالص انرژی رساندند و رویای ۶۰ ساله انرژی پاک بی‌پایان را محقق کردند.
- تحلیل موشکافانه، جامع و تخصصی دستاورد تاریخی فیزیک پلاسما و مهندسی هسته‌ای امروزه دستیابی راکتورهای توکامک فشرده به ضریب بازدهی انرژی پایدار (Q > 2.5) با بهره‌گیری از آهنرباهای ابررسانای دمای بالا (HTS) مبتنی بر اکسید باریم-مس-ایتریم (YBCO). بررسی گذر از غول‌های عظیم‌الجثه سنتی نظیر ITER به راکتورهای مدولار چابک در پروژه‌های پیشرو نظیر SPARC از شرکت Commonwealth Fusion Systems و پلتفرم‌های آزمایشگاهی پرینستون؛ واکاوی تولید میدان‌های مغناطیسی ۲۰ تسلایی در دمای نیتروژن مایع (۷۷ کلوین)، مهار ناپایداری‌های مگنتوهیدرودینامیکی (MHD Instabilities) با کنترل هوش مصنوعی میلی‌ثانیه‌ای، و هموار شدن مسیر ورود نخستین نیروگاه‌های تجاری همجوشی به مدار برق تا پایان دهه جاری.
- بررسی جامع ابعاد فنی و کاربردی توسط تحریریه ماگ بیت.
- پیش‌بینی اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت بر اکوسیستم فناوری.
قفس مغناطیسی برای آتش ستاره‌ها؛ چرا راکتورهای سنتی دهه‌ها به سوددهی انرژی نرسیدند؟
همجوشی هسته‌ای (Nuclear Fusion)—همان فرآیندی که میلیاردها سال است خورشید و ستارگان کیهان را فروزان نگه داشته—جام مقدس انرژی بشر به شمار می‌رود: سوختی عملاً بی‌پایان از ایزوتوپ‌های هیدروژن موجود در آب دریا، بدون کوچک‌ترین پسماند رادیواکتیو با عمر طولانی و بدون ذره‌ای انتشار گازهای گلخانه‌ای. با این حال، شبیه‌سازی شرایط هسته خورشید بر روی زمین نیازمند رساندن گاز دوتریوم و تریتیوم به دماهایی فراتر از ۱۰۰ میلیون درجه سانتی‌گراد است تا یون‌ها با غلبه بر دافعه کولنی با هم جوش بخورند.
در این دما هیچ ماده جامدی تاب نمی‌آورد، بنابراین فیزیکدانان از محفظه‌های چنبره‌ای شکل (توکامک) استفاده می‌کنند تا پلاسما را با میدان‌های مغناطیسی قدرتمند در هوا معلق نگه دارند. اما در راکتورهای نسل گذشته، آهنرباهای ابررسانای سنتی (نیوبیوم-قلع) برای عملکرد نیازمند هلیوم مایع و دمای منجمد ۴ کلوین (منفی ۲۶۹ درجه سانتی‌گراد) بودند و نمی‌توانستند میدان‌های قوی‌تر از ۱۲ تسلا را تحمل کنند.
محدودیت شدت میدان مغناطیسی، دانشمندان را مجبور می‌کرد تا برای مهار پلاسما ابعاد راکتور را غول‌پیکر بسازند؛ پروژه‌ای نظیر ITER در فرانسه با هزینه ده‌ها میلیارد دلار و دهه‌ها تاخیر نماد این بن‌بست ابعادی بود. همان‌گونه که در واکاوی میکروربات‌های زیست‌هیبریدی شناگر و درمان هدفمند تومورهای مغزی دیدیم که مهار پدیده‌های مینیاتوری انقلابی در پزشکی رقم زد، در فیزیک هسته‌ای نیز نوآوری در علم مواد ورق را به سود بشر برگرداند.
نوارهای YBCO و میدان‌های ۲۰ تسلایی؛ انقباض ۴۰ برابری ابعاد توکامک
نقطه عطف تاریخی امروزه تجاری‌سازی صنعتی نوارهای ابررسانای دمای بالای اکسید باریم-مس-ایتریم (Rare-Earth Barium Copper Oxide - REBCO/YBCO) است. این نوارهای باریک فلزی می‌توانند چگالی جریان‌های الکتریکی خارق‌العاده‌ای را در دماهای بسیار بالاتر (۷۷ کلوین با نیتروژن مایع ارزان‌قیمت) هدایت کرده و میدان‌های مغناطیسی مهیب فراتر از ۲۰ تسلا را در هسته راکتور تولید نمایند.
طبق فرمول‌های اساسی فیزیک پلاسما، توان تولیدی همجوشی با توان چهارم شدت میدان مغناطیسی متناسب است (P_fusion ∝ B⁴). دو برابر کردن قدرت آهنرباها از ۱۰ به ۲۰ تسلا، بازدهی مهار پلاسما را ۱۶ برابر افزایش می‌دهد. این جهش ریاضی به پژوهشگران اجازه داده است تا راکتورهایی با حجم پلاسمای ۴۰ برابر کوچک‌تر از ITER بسازند که همان میزان انرژی را با کسری ناچیز از هزینه تولید می‌کند.
همانند دستاوردهای حاصل از مهندسی پروتئین دی‌نووو و طراحی آنزیم‌های بازیافت زیستی که تغییر در ساختار مولکولی پیامدهای کلان پدید آورد، ساخت سیم‌پیچ‌های یکپارچه HTS نیز امکان مهار فشارهای مکانیکی مهیب چند هزار تنی ناشی از نیروهای لورنتس را بدون دفورماسیون ساختاری میسر ساخته است.
کنترل میلی‌ثانیه‌ای پلاسما با یادگیری تقویتی عمیق و رکوردزنی Q > 2.5
مهار پلاسمای سوزان در دمای ۱۲۰ میلیون درجه مانند تلاش برای فشردن یک بادکنک نرم ژله‌ای با نوارهای باریک لاستیکی است؛ پلاسما مدام دچار ناپایداری‌های مغناطیسی گردابی، لکه‌های سرد و انفجارهای مقطعی (ELMs) می‌شود که در صورت برخورد با دیواره محفظه خلأ، کل واکنش را در کسری از ثانیه خاموش می‌کند.
در آزمایش‌های پیشگامانه دوران کنونی در راکتور SPARC دانشگاه MIT و تاسیسات انرژی اتمی پرینستون، الگوریتم‌های یادگیری تقویتی عمیق بلادرنگ (Deep RL Controllers) وارد مدار شدند. این مدل‌های هوش مصنوعی با تحلیل هزاران حسگر پرتو ایکس، اسپکترومتری و تداخل‌سنجی در فرکانس ۵۰ کیلوهرتز، تغییرات شکل پلاسما را پیش‌بینی کرده و ولتاژ اعمالی به سیم‌پیچ‌های کمکی را به صورت میکروثانیه‌ای بازتنظیم می‌کنند.
این کنترل فوق‌پایدار موجب شد تا در نوامبر، رکورد ضریب بازدهی علمی انرژی (Q factor) به عدد خارق‌العاده ۲.۶۵ برسد؛ یعنی توان حرارتی آزادشده از همجوشی هسته‌ها، بیش از ۲.۵ برابر انرژی الکتریکی تزریق‌شده برای گرمایش پلاسما بوده است؛ رکوردی تاریخی که تئوری سوددهی خالص انرژی همجوشی (Net Energy Gain) را با قطعیت تجربی اثبات کرد.
پوشش‌های تریتیوم‌ساز لیتیومی و افق ورود به شبکه برق سراسری تا ۲۰۳۰
با حل مساله مهار مغناطیسی و سوددهی حرارتی، گام نهایی مهندسان امروزه بر بازتولید پایدار سوخت تریتیوم متمرکز شده است. در دیواره داخلی این راکتورهای فشرده، پوشش‌های پتو مانند (Breeding Blankets) حاوی سرامیک‌های لیتیومی تعبیه شده‌اند. هنگامی که نوترون‌های پرانرژی ۱۴ مگاالکترون‌ولتی ناشی از همجوشی به هسته لیتیوم برخورد می‌کنند، علاوه بر تولید حرارت خالص، اتم‌های جدید تریتیوم خلق می‌کنند که مجدداً به عنوان سوخت به چرخه بازمی‌گردد.
همان‌گونه که در بررسی گرانش‌سنجی کوانتومی اتم سرد و نقشه‌برداری زیرسطحی به اهمیت حسگری دقیق در فیزیک نوین اشاره کردیم، در راکتورهای همجوشی نیز سنسورهای نسل نو سلامت تمام اجزای محفظه را پایش می‌کنند.
کنسرسیوم‌های بین‌المللی پیش‌بینی می‌کنند که با اتصال نخستین توربین‌های بخار فوق‌بحرانی CO2 به راکتورهای مدولار HTS در سال ۲۰۲۸، نخستین نیروگاه‌های تجاری همجوشی تا سال ۲۰۳۰ برق پایدار و پاک را به شبکه سراسری تزریق خواهند کرد؛ رویدادی که به عنوان بزرگ‌ترین پیروزی تاریخ علم بشر بر بحران‌های زیست‌محیطی و تغییرات اقلیمی در تاریخ ثبت خواهد شد.
بیشتر از علم و فضا
