پیشرفت های اخیر دستیابی به فرآیند همجوشی هسته ای را در افق قرار می دهد

دانشمندان و محققان اخیراً یک قدیم دیگر به بازتولید انرژی خورشید بر روی زمین نزدیک‌تر شده‌اند و در این مقاله به پیشرفت های اخیر این افراد در دستیابی به فرآیند همجوشی هسته ای نگاهی خواهیم کرد. خورشید با ایجاد نور و گرما از طریق فرآیند همجوشی هسته ای برای میلیاردها سال حیات بر روی زمین را امکان‌پذیر کرده است. با توجه به قدرت فراوان این انرژی و دوام بسیار بالای آن، به نظر می‌رسد که به سختی می‌توان انرژی دیگری را با بهره‌مندی از این ویژگی‌ها، به جزء در شبیه سازی فرآیند همجوشی هسته ای ستارگان و خورشید پیدا کرد.

دانشمندان با بکارگیری راکتورهای همجوشی هسته‌ای در زمین در تلاش هستند تا فرآیند همجوشی را با بالابردن دما و داغ کردن بسیار زیاد 4 اتم هیدروژن و تبدیل آن به یک اتم هلیوم برای تولید گرما انجام دهند. انجام موثر این فرآیند و حفظ و پایدار کردن آن در مقیاس بزرگ، پتانسیل تولید انرژی امن، تمیز و تقریبا پایان ناپذیر را بر روی زمین ایجاد خواهد کرد. تلاش برای توسعه این فرآیند در زمین از دهه‌ها پیش آغاز شده اما پس از پیشرفت‌های بزرگ در سال‌های اخیر، خصوصا در اواخر 2021، امیدها هر روز به دستیابی به این نوع انرژی بیشتر می‌شود.

دستاور اواخر سال 2021 در تأسیسات تحقیقاتی مشترک اروپا (JET facility) در بریتانیا در یک ماشین بزرگ به شکل پیراشکی دونات گرد با نام Tokamak به وقوع پیوست! در داخل این دستگاه دایره‌ای شکل که همجوشی هسته‌ای در آن اتفاق می‌افتد، گازهای پلاسما بسیار داغی که حاوی ذرات باردار نیز هستند تولید می‌شوند و توسط میدان مغناطیسی بسیار قدرتمندی در جای خود نگه داشته می‌شوند. چنین گازهای پلاسمایی می‌توانند به دمای 150 میلیون سلسیوس برسند که به طور باورنکردنی 10 برابر از دمای هسته‌ی خورشید گرم‌تر است! موفقیت اخیر در اواخر 2021 ایجاد این فرآیند برای 5 ثانیه بود که محققان EUROfusion در آن توانستند 59 مگاژول (megajoule) از انرژی همجوشی هسته‌ای را آزاد کنند.

در اواخر 2021 محققان در تأسیسات JET توانستند آزمایشی با موفقیت بالا در این زمینه اجرا کنند

این رقم تقریبا 3 برابر رکورد قبلی با 21.7 مگاژول بود که در همین تأسیسات در سال 1997 ثبت شد. در آن زمان این آزمایش به عنوان آشکارترین تست برای نمایش پیشرفت ها و قابلیت‌های فرآیند همجوشی هسته ای و ارائه انرژی زیاد، پایدار و عاری از کربن شناخته شده بود. نتایج این تحقیقات منجر به توسعه تأسیسات و آزمایشات بیشتر در این زمینه شد و نمونه‌ای بزرگ‌تر و پیشرفته‌تر از تأسیسات قبلی در بریتانیا، این بار در جنوب فرانسه با نام ITER ( به معنای The Way یا “راه” در لاتین) در زمینی به مساحت 180 هکتار در دست ساخت است.

تأسیسات ITER که با همکاری 35 کشور از جمله کشورهای اتحادیه‌ی اروپا در حال ساخت است با هدف تقویت بیشتر مفهوم و قابلیت‌های همجوشی هسته‌ای ساخته می‌شود و یکی از پیچیده‌ترین ماشین‌هایی است که تاکنون ساخته شده است. در برنامه‌ریزی‌های اولیه برای راه‌اندازی این تأسیسات، تولید پلاسما و آغاز فرآیند همجوشی را در سال 2025 تخمین زده‌اند و عملیات رده بالا و پرقدرت در این زمینه را محققان برای سال 2035 برنامه‌ریزی کرده‌اند، اما به دلیل شیوع بیماری کرونا احتمالا تاخیراتی در این زمان‌بندی به وقوع بپیوندد.

پروفسور Tony Donné مدیربرنامه‌ی پروژه EUROfusion که شامل 4800 کارشناس، دانش آموز و مراکز تحقیقاتی در اروپا است گفت که نتایج اخیر مرکز JET در بریتانیا یک نقطه عطف و پیشرفتی بزرگ در مدت زمان طولانی بوده است. او اذعان کرد:

“همه مدل‌سازی ها در آزمایش JET به درستی انجام شده، بنابراین واقعا اعتماد ما به کارکرد صحیح ITER و کاری که باید انجام دهد را افزایش می‌دهد.”

در حالی که انرژی تولید شده در نیروگاه JET تنها چند ثانیه به طول انجامید، هدف نهایی این است که در نهایت این فرآیند را برای ساعت‌ها، روزها و سال‌ها انجام داد تا بتوان انرژی مورد نیاز و پایداری را تامین کرد. در ساخت تأسیسات قبلی برای بازتولید این نوع انرژی در ساخت دیواره‌ی tokamak از کربن استفاده می‌شد، اما ثابت شده که ترکیب سوخت دوتریوم و تریتیوم، که دو ایزوتوپ سنگین‌تر هیدروژن در واکنش همجوشی هسته‌ای هستند با کربن واکنش‌پذیر است و منجر به تشکیل هیدروکربن می‌شود که سوخت تریتیوم را در دیواره‌ی tokamak محبوس می‌کند. در بازسازی این نوع تأسیسات که شامل 16,000 مواد و 4,000 تن فلز است کربن با بریلیم و تنگستن جایگزین شده تا محبوس شدن تریتیوم را در دیواره‌ها کاهش دهد.

نیروگاه های آزمایشی همجوشی هسته کنونی قادر به تحویل الکتریسیته به شبکه برق نیستند و برای این کار یک تأسیسات دیگر که آن را DEMO می‌نامند نیاز است

در نهایت تیم‌ها توانستند میزان زیادی از سوخت محبوس شده را کاهش دهند و این در موفقیت آزمایش اخیر در سال 2021 موثر بود. در مراحل بعد توسعه و پیشبرد این تکنولوژی، ارتقای قابلیت‌های تأسیسات JET مطابق با نیروگاه در حال تأسیس و جدید ITER در فرانسه به بهبود موثر این فناوری کمک می‌کند و در آینده افراد مسئول در این پروژه در نظر دارند که علاوه بر کارکرد صحیح ITER، یک نیروگاه آزمایشی دیگر برای ارسال برق حاصل از همجوشی هسته‌ای به شبکه‌ی برقی مصرفی احداث کنند و کارکرد درست این نیروگاه آزمایشی فرصت‌های سرمایه‌گذاری بیشتر و تجاری شدن نیروگاه‌های همجوشی هسته‌ای را افزایش می‌دهد. پروفسور Tony Donné مسئول این پروژه بیان کرد:

“ITER دستگاهی است که 10 برابر انرژی بیشتری نسبت به آزمایش قبلی در 2021 تولید می‌کند اما به دلیل اینکه یک نیروگاه آزمایشی است، نمی‌تواند الکتریسیته را به شبکه‌‌ی برق ارسال کند. برای انجام این کار ما نیاز به یک تأسیسات دیگر داریم و ما آن را DEMO می‌نامیم. موفقیت دمو ما را واقعا در دستیابی به نسل اول نیروگاه‌های همجوشی هسته‌ای مصرفی نزدیک می‌کند.”

با این حال زمان‌بندی برای ساخت نیروگاه DEMO به این زودی‌ها عملیاتی نمی‌شود و تامین حداکثر 500 مگاوات انرژی الکتریکی به شبکه‌ی برق در سال 2050 توسط نیروگاه دمو هدف‌گذاری شده است. با این حال پروفسور Donné مسئول این پروژه ابراز امیدواری کرد که ساخت نیروگاه دمو زودتر از موعد اعلام شده به وقوع بپیوندد. با این حال چالش‌های دیگری در راه پیشرفت، راه‌اندازی و استفاده‌ی موثر و طولانی مدت از فرآیند همجوشی هسته ای وجود دارد که باید بر آن‌ها غلبه کرد و در حالی که دوتریوم در آب دریا به فراوانی یافت می‌شود، تریتیوم بسیار کمیاب است و تولید آن نیز دشوار عنوان شده است.

بنابراین محققان قصد دارند که راهی پیدا کنند که بتوان آن را در داخل خود tokamak با استفاده از روش breeding blanket که حاوی لیتیوم است ایجاد کنند. ایده اصلی در این فرآیند این است که نوترون‌های پرانرژی حاصل از واکنش همجوشی هسته‌ای را با لیتیوم برهم کنش دهند و این کار منجر به تولید تریتیوم می‌شود. پروفسور Donné در بخشی دیگر از صحبت‌های خود بیان کرد که استفاده از همجوشی هسته‌ای می‌تواند یک منبع انرژی سبز و پایدار برای آینده باشد. او استفاده و موفقیت این فرآیند را ضروری می‌داند و اذعان کرد که او متقاعد نشده که انسان‌ها بتوانند تا سال 2050 فقط با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر کنونی، استفاده از سوخت‌های فسیلی و اهداف کم کردن تولید کربن دی اکسید در جو را به واقعیت تبدیل کنند.

پروفسور Donné مسئول پروژه ITER باور ندارد که انسان ها بتوانند فقط با استفاده از انرژی های تجدید پذیر کنونی به اهداف کاهش کربن دی اکسید تا 2050 دست یابند

با این حال او اذعان کرد که روش‌های فعلی ایجاد انرژی هسته‌ای از طریق شکاف هسته‌ای بسیار امن‌تر از گذشته است اما همجوشی هسته‌ای مزایای مهمی دارد. علاقه‌مندان به پیشرفت فرآیند همجوشی هسته‌ای و نیروگاه ITER در ارتباط با عدم وجود خطرات ذوب شدن صحبت می‌کنند و بیان می‌کنند که استفاده از همجوشی هسته‌ای، زباله‌های مضر رادیواکتیو با عمر و ماندگاری طولانی مدت تولید نمی‌کنند و مواد راکتور را نیز می‌توان در عرض 100 تا 300 سال بازیافت و دوباره استفاده کرد. پروفسور Donné نیز در رابطه با مقایسه‌ی انرژی هسته ای و همجوشی و ترس و ناامیدی در رابطه با انرژی هسته‌ای افزود:

“همجوشی هسته‌ای قطعا بسیار ایمن‌تر است و آن‌چه که ما در تعامل با مردم می‌بینیم این است که اغلب آن‌ها درباره‌ی همجوشی هسته‌ای چیزی نشنیده‌اند. اما وقتی مزایا و معایب این فرآیند را به آن‌ها توضیح می‌دهیم فکر می‌کنم مردم مثبت در این رابطه می‌اندیشند.”

این پروفسور همچنین با اشاره به پدر ماشین tokamak یعنی Lev Artsimovich گفت: ” Artsimovich همیشه می‌گفت انرژی همجوشی وقتی جامعه و مردم به آن واقعا نیاز دارند در خدمت‌شان خواهد بود. اگر ما استفاده از انرژی همجوشی را راه‌اندازی و اجرایی کنیم، می‌توانیم برای هزاران سال به منبع انرژی بسیار ایمن، پاک و با دوام دسترسی پیدا کنیم.”