منبع بی پایان انرژی، نزدیک تر از همیشه

در سال 2022، طرز تفکر دانشمندان در مورد همجوشی برای همیشه تغییر کرد. در آن زمان یکی یکی از مهمترین آزمایشات قرن برای اولین بار نشان داد که همجوشی می تواند منبع انرژی پاک باشد.

آزمایش در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور احتراق را نشان داد: یک واکنش همجوشی که انرژی بیشتری نسبت به ورودی تولید می کند. چند میلیارد دلار سرمایه خصوصی در سال های اخیر در این حوزه مستقر شده است.

اما قبل از اینکه همجوشی به یک منبع امن و مقرون به صرفه از انرژی پاک نامحدود تبدیل شود، باید بر تعدادی از چالش‌های فنی غلبه کرد. به عبارت دیگر: مهندسی زمان!

به عنوان مهندسانی که دهه‌ها در تحقیقات بنیادی و مهندسی کاربردی گداخت هسته‌ای شرکت داشته‌اند، می‌توان گفت که علم و فیزیک همجوشی هسته‌ای در دهه اخیر رشد و پیشرفت چشمگیری داشته است. اما برای اینکه همجوشی هسته ای به یک منبع انرژی تجاری تجاری تبدیل شود، مهندسان باید چندین چالش را برطرف کنند. اینکه آیا ایالات متحده از این فرصت استفاده می کند و خود را به عنوان یک رهبر جهانی در انرژی همجوشی تثبیت می کند تا حدی به تمایل این کشور برای سرمایه گذاری در حل این مشکلات عملی بستگی دارد.

ساخت راکتور همجوشی

همجوشی زمانی اتفاق می افتد که دو نوع اتم هیدروژن (دوتریوم و تریتیوم) تحت شرایط خاصی با هم برخورد کنند. با گرم کردن این دو اتم تا دمای 100 میلیون درجه سانتیگراد که ده برابر گرمتر از هسته خورشید است، آنها به یک اتم تبدیل می شوند. برای انجام این واکنش، زیرساخت های انرژی همجوشی باید در این شرایط دشوار مقاومت کنند.

دو روش برای دستیابی به همجوشی در آزمایشگاه وجود دارد: همجوشی محصور شده اینرسی که از لیزرهای قدرتمند استفاده می کند و همجوشی محصور شده مغناطیسی که از آهنرباهای قدرتمند استفاده می کند.

این آزمایش مهم و سرنوشت‌ساز، که «آزمایش قرن» نام گرفت، از همجوشی محصور اینرسی استفاده کرد. اما گداخت محصور مغناطیسی هنوز نشان نداده است که آیا می توان از آن برای تولید انرژی استفاده کرد یا خیر.

چندین آزمایش با بودجه خصوصی در حال حاضر برای دستیابی به این هدف در این دهه تلاش می کنند، و آزمایش بزرگ ITER با حمایت بین المللی در فرانسه امیدوار است تا پایان دهه 2030 به این هدف دست یابد. لازم به ذکر است که همه این آزمایش ها از همجوشی محصور شده مغناطیسی استفاده می کنند.

چالش های پیش رو

هر دو رویکرد ادغام تعدادی از چالش ها را ارائه می دهند که غلبه بر آنها نه ارزان است و نه آسان. به عنوان مثال، محققان نیاز به توسعه مواد جدیدی دارند که بتوانند در برابر دمای بالا و شرایط تشعشع مقاومت کنند.

مواد راکتور همجوشی نیز با ذرات رادیواکتیو پر انرژی بمباران می شوند. بنابراین، محققان باید مواد جدیدی بسازند که بتوانند در عرض چند سال به سطوح رادیواکتیویته تجزیه شوند تا بتوانند به راحتی و ایمن از بین بروند.

چالش بزرگ بعدی تولید سوخت کافی و انجام این کار به صورت پایدار است. مقدار دوتریوم فراوان است و می توان آن را از آب معمولی استخراج کرد. با این حال، افزایش تولید تریتیوم بسیار دشوارتر است. یک راکتور همجوشی برای کار کردن به صدها گرم تا یک کیلوگرم تریتیوم در روز نیاز دارد.

در حال حاضر، راکتورهای هسته‌ای معمولی تریتیوم را به عنوان یک محصول جانبی شکافت تولید می‌کنند، اما این راکتورها نمی‌توانند تریتیوم کافی برای تامین انرژی ناوگان راکتورهای همجوشی را تامین کنند. بنابراین، مهندسان باید توانایی تولید تریتیوم را در خود دستگاه همجوشی توسعه دهند. این ممکن است نیاز به احاطه راکتور همجوشی با مواد حاوی لیتیوم داشته باشد که برای تشکیل تریتیوم واکنش نشان می دهد.

برای افزایش مقیاس همجوشی اینرسی، مهندسان باید لیزرهایی بسازند که بتواند چندین بار در ثانیه یا بیشتر به هدف سوخت همجوشی دوتریوم و تریتیوم منجمد ضربه بزند. اما هیچ لیزری هنوز به اندازه کافی قدرتمند نیست که این کار را با این سرعت انجام دهد. در عین حال، مهندسان باید سیستم‌ها و الگوریتم‌های کنترلی را توسعه دهند که این لیزرها را با دقت بالا بر روی هدف هدایت کند.

علاوه بر این، مهندسان باید تولید اهداف را بر اساس سفارش های بزرگ افزایش دهند: از چند صد مورد دست ساز در سال به صدها هزار دلار برچسب قیمتی که هر کدام فقط چند دلار قیمت دارند.

محصور شدن مغناطیسی به مهندسان و دانشمندان مواد نیاز دارد تا روش‌های مؤثرتری برای گرم کردن و کنترل پلاسما و همچنین مواد مقاوم در برابر حرارت و تشعشع برای دیواره‌های راکتور توسعه دهند. فناوری که پلاسما را تا زمانی که اتم‌ها با هم ترکیب می‌شوند، گرم و محدود می‌کند، باید سال‌ها به طور قابل اعتماد عمل کند.

اینها برخی از چالش‌های بزرگی هستند که در پیش رو دارند و اگرچه دشوار هستند، اما غیر قابل حل نیستند.

چشم انداز بودجه جاری

سرمایه گذاری شرکت های خصوصی در سطح جهانی به طور چشمگیری افزایش یافته است و در 5 سال گذشته به بیش از 7 میلیارد دلار رسیده است که احتمالاً عامل مهمی در توسعه بیشتر تحقیقات همجوشی خواهد بود.

در حال حاضر، چندین استارت‌آپ، عمدتاً در ایالات متحده و برخی در اروپا و آسیا، در حال توسعه فن‌آوری‌ها و طراحی‌های راکتورهای مختلف با هدف گنجاندن گداخت هسته‌ای در شبکه برق در دهه‌های آینده هستند. اگرچه ما شاهد رشد سرمایه گذاری بخش خصوصی هستیم، اما دولت ایالات متحده هنوز نقش کلیدی در توسعه فناوری همجوشی تا کنون ایفا کرده است و انتظار می رود همین روند در آینده نیز ادامه یابد.

در اواسط دهه 2000، وزارت انرژی ایالات متحده حدود 3 میلیارد دلار برای ساخت یک کوره زباله سوز در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور سرمایه گذاری کرد و 12 سال بعد “آزمایش قرن” در آنجا انجام شد. در سال 2023، وزارت انرژی ایالات متحده یک برنامه چهار ساله به ارزش 42 میلیون دلار را برای توسعه مراکز همجوشی برای این فناوری اعلام کرد. اگرچه این بودجه قابل توجه است، اما بعید است که برای حل چالش های کلیدی انرژی همجوشی کافی باشد.

راه حل در مشارکت نهفته است و بس

یکی یکی از راه های ایجاد مشارکت بین دولت و شرکت های خصوصی در این زمینه می تواند ایجاد رابطه ای مشابه رابطه بین ناسا و اسپیس ایکس باشد.

SpaceX به عنوان یکی بودجه دولتی و خصوصی را از شرکای تجاری ناسا دریافت می کند و از آن برای توسعه فناوری هایی استفاده می کند که می تواند توسط ناسا استفاده شود. این اولین شرکت خصوصی است که فضانوردان را به فضا و ایستگاه فضایی بین المللی می فرستد.

اکنون محققان محتاطانه خوشبین هستند. نتایج تجربی و نظری جدید، ابزارهای جدید و سرمایه‌گذاری‌های بخش خصوصی این احساس را به وجود می‌آورد که توسعه انرژی همجوشی عملی دیگر بحث اما و اگرها نیست، بلکه اکنون فقط این سوال است که چه زمانی اجرا می‌شود.

منبع: گفتگو