28 ژوئن 2022-توسط گرت ویلمر، Horizon: The EU Research & Innovation Magazine -انرژی همجوشی هسته‌ای می‌تواند یک منبع انرژی پایدار برای تکمیل انرژی‌های تجدیدپذیر باشد. بزرگترین آزمایش همجوشی جهان، ITER، در فرانسه ساخته می شود. اعتبار: © سازمان ITER، www.iter.org/
شوخی قدیمی این است که همجوشی هسته ای همیشه 30 سال دیگر در دسترس است. با این حال، رویای انرژی پاک فراوان موضوع خنده‌داری نیست زیرا ما با یک محقق ITER ملاقات می‌کنیم تا پیشرفت‌ها را در تاسیسات راکتور دنبال کنیم.
خورشید برای میلیاردها سال به حیات روی زمین دامن زده است و از طریق همجوشی هسته ای نور و گرما ایجاد می کند. با توجه به این قدرت و طول عمر باورنکردنی، به نظر می‌رسد به سختی می‌توان راهی برای تولید انرژی بهتر از مهار فرآیندهای هسته‌ای مشابهی که در ستاره‌های خودمان و سایر ستاره‌ها رخ می‌دهد، وجود داشت.
هدف رآکتورهای همجوشی هسته ای این است که این فرآیند را با ترکیب اتم های هیدروژن برای ایجاد هلیوم تکرار کنند و انرژی را به شکل گرما آزاد کنند. حفظ این در مقیاس پتانسیل تولید یک منبع انرژی ایمن، تمیز و تقریباً پایان ناپذیر را دارد.
این جست‌وجو از دهه‌ها پیش آغاز شد، اما آیا شوخی طولانی‌مدت مبنی بر اینکه همجوشی هسته‌ای همیشه 30 سال دیگردر دسترس است، می‌تواند به زودی قدیمی به نظر برسد؟
برخی امیدوارند، پس از یک پیشرفت بزرگ در طول آزمایش همجوشی هسته‌ای در اواخر سال 2021 این در مرکز تحقیقاتی مشترک اروپایی توروس (JET) در آکسفوردشایر، بریتانیا، در دستگاهی غول‌پیکر به شکل دونات به نام توکامک انجام شد.
در داخل، گازهای فوق گرم به نام پلاسما تولید می شود که در آن واکنش های همجوشی انجام می شود و حاوی ذرات باردار است که توسط میدان های مغناطیسی قدرتمند در جای خود نگه داشته می شوند. چنین پلاسماهایی می توانند به دمای 150 میلیون درجه سانتیگراد برسند که 10 برابر گرمتر از هسته خورشید است.
در یک انفجار پایدار پنج ثانیه ای، محققان کنسرسیوم EUROfusion رکوردشکنی 59 مگاژول (MJ) انرژی همجوشی را منتشر کردند. این تقریباً سه برابر رکورد قبلی 21.7 MJ بود که در همان تاسیسات در سال 1997 ثبت شده بود، با نتایج به عنوان “روشن ترین نمایش در یک ربع قرن از پتانسیل انرژی همجوشی برای ارائه انرژی ایمن و پایدار با کربن کم.”
نتایج پیشرفت بزرگی را پیش از مرحله بعدی توسعه همجوشی هسته ای ایجاد کرد. یک نسخه بزرگتر و پیشرفته تر از JET که با نام ITER به معنای راه در لاتین شناخته می شود، در زمینی به مساحت 180 هکتار در Saint-Paul-lès-Durance، در جنوب فرانسه در حال ساخت است.
ITER که به عنوان همکاری بین 35 کشور از جمله کشورهای اتحادیه اروپا ساخته می شود، با هدف تقویت بیشتر مفهوم همجوشی است. یکی از پیچیده‌ترین ماشین‌هایی که تا به حال ساخته شده است، قرار بود اولین پلاسمای خود را در سال 2025 و قبل از شروع عملیات پرقدرت در حدود سال 2035 آغاز کند – اگرچه محققان این پروژه به دلیل همه‌گیری انتظار تاخیرهایی دارند.
نقطه عطف اصلی
پروفسور تونی دان، مدیر برنامه پروژه EUROfusion، کنسرسیوم بزرگی متشکل از 4800 کارشناس، دانشجو و امکانات در سراسر اروپا، گفت که نتایج در JET نشان‌دهنده نقطه عطفی بزرگ است. او گفت: “این یک نقطه عطف بزرگ است – بزرگترین برای مدت طولانی.”
“این همه مدل‌سازی‌ها را تایید کرده است، بنابراین واقعاً این اطمینان را افزایش داده است که ITER کار می‌کند و آنچه را که قرار است انجام دهد.” در حالی که انرژی تولید شده در JET فقط چند ثانیه طول کشید، هدف این است که این انرژی را به یک واکنش پایدار افزایش دهیم که انرژی تولید می کند.
نتایج اوج سال‌ها آماده‌سازی بود و پروفسور دونه توضیح داد که یکی از پیشرفت‌های کلیدی از سال 1997 شامل تغییر دیواره داخلی کشتی JET بود.
پیش از این، دیوار از کربن ساخته شده بود، اما با ترکیب سوخت دوتریوم و تریتیوم، دو ایزوتوپ سنگین‌تر – یا انواع هیدروژن که در واکنش همجوشی استفاده می‌شوند، بسیار واکنش‌پذیر بود. این منجر به تشکیل هیدروکربن ها شد که سوخت تریتیوم را در دیوار قفل کرد.
در بازسازی، که شامل 16000 جزء و 4000 تن فلز بود، کربن با بریلیم و تنگستن جایگزین شد تا احتباس تریتیوم کاهش یابد. در نهایت، این تیم توانست مقدار سوخت محبوس شده را به میزان زیادی کاهش دهد که در موفقیت شلیک فیوژن اخیر نقش داشته است.
اجرای DEMO
در آماده‌سازی برای مرحله بعدی سفر حماسی فیوژن، ارتقاء به JET تضمین کرد که پیکربندی آن با برنامه‌های ITER مطابقت دارد. علاوه بر این، در آینده، گام بعدی فراتر از ITER، یک نیروگاه نمایشی به نام DEMO خواهد بود که برای ارسال برق به شبکه طراحی شده است و منجر به تبدیل شدن نیروگاه های همجوشی به یک واقعیت تجاری و صنعتی می شود.
پروفسور دونه می گوید: «ITER دستگاهی است که 10 برابر انرژی همجوشی بیشتر از انرژی تحویلی به پلاسما ایجاد می کند. “اما از آنجایی که این یک تاسیسات آزمایشی است، برق را به شبکه نمی‌رساند. برای آن، ما به دستگاه دیگری نیاز داریم که آن را DEMO می‌نامیم. این واقعاً ما را به پایه‌های نسل اول نیروگاه‌های همجوشی می‌رساند.”
پروفسور Donné افزود: “JET اکنون نشان داده است که همجوشی قابل قبول است. ITER باید نشان دهد که امکان پذیرتر است، و DEMO باید نشان دهد که واقعا کار می کند.”
او که قصد دارد تا 500 مگاوات (MW) را به شبکه ارائه کند، فکر می‌کند که عملیات DEMO در حدود سال 2050 واقع بینانه است. “.
با این حال چالش‌های کلیدی دیگری در راه راه‌اندازی و راه‌اندازی همجوشی هسته‌ای وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد. نکته مهم این است که در حالی که دوتریوم در آب دریا فراوان است، تریتیوم بسیار کمیاب است و تولید آن دشوار است.
بنابراین، محققان قصد دارند راهی برای تولید آن در داخل توکامک با استفاده از “پوشش پرورش” حاوی لیتیوم ایجاد کنند. ایده این است که نوترون های پرانرژی حاصل از واکنش های همجوشی با لیتیوم برای ایجاد تریتیوم برهم کنش می کنند.
انرژی ضروری
پروفسور دونه گفت که همجوشی هسته ای می تواند یک منبع انرژی سبز و پایدار برای آینده باشد. او گفت: “من می گویم ضروری است.” من متقاعد نشده‌ام که تا سال 2050 بتوانیم انتقال دی اکسید کربن را تنها با انرژی‌های تجدیدپذیر انجام دهیم و به چیزهای دیگری نیاز داریم.»
اگرچه او می گوید که روش فعلی ایجاد انرژی هسته ای از طریق شکافت در حال ایمن تر شدن است، همجوشی مزایای کلیدی دارد. طرفداران ITER در مورد مزایایی مانند عدم وجود خطر ذوب صحبت می کنند و اضافه می کنند که همجوشی هسته ای زباله های رادیواکتیو با عمر طولانی تولید نمی کند و مواد راکتور را می توان در عرض 100 تا 300 سال بازیافت یا دوباره استفاده کرد.
پروفسور دونه گفت: “این قطعا بسیار ایمن تر است.” او با اشاره به ننگ ناشی از انرژی هسته‌ای، گفت: «آنچه که ما در تعامل با مردم می‌بینیم این است که مردم اغلب درباره همجوشی هسته‌ای چیزی نشنیده‌اند. اما وقتی مزایا و معایب آن را توضیح می‌دهیم، فکر می‌کنم مردم مثبت می‌شوند. “
وی با اشاره به لو آرتسیموویچ که “پدر توکاماک” لقب گرفته است، گفت: “آرتسیموویچ همیشه می گفت فیوژن زمانی وجود خواهد داشت که جامعه واقعاً به آن نیاز داشته باشد. اگر همجوشی را راه اندازی کنیم، واقعاً یک منبع انرژی بسیار ایمن و پاک داریم. که می تواند هزاران سال به ما انرژی بدهد.”
