آینده انرژی اتمی پس از پیشرفت اخیر در زمینه همجوشی هسته‌ای

دانشمندان آمریکایی آنچه را که یک پیشرفت بزرگ در تولید انرژی از فرآیند همجوشی هسته‌ای می‌نامند، اعلام کرده‌اند.

وزارت انرژی ایالات متحده همین چند روز پیش در تاریخ ۱۳ دسامبر ۲۰۲۲ اعلام کرد که دانشمندان آمریکایی پس از چندین دهه تلاش برای اولین بار توانسته‌اند انرژی بیشتری از آنچه این فرآیند مصرف می‌کند، دریافت کنند.

اما این توسعه چقدر قابل توجه است و رویای بهره‌برداری از همجوشی هسته‌ای که انرژی پاک را به میزان فراوان فراهم می‌کند، چقدر دور است؟ کارولین کورانز، دانشیار مهندسی هسته‌ای در دانشگاه میشیگان که در آزمایشگاهی که به تازگی رکورد همجوشی را شکسته کار کرده است، به توضیح این موضوع کمک می‌کند.

در محفظه همجوشی چه گذشت؟

همجوشی یک واکنش هسته‌ای است که دو اتم را برای ایجاد یک یا چند اتم جدید با جرم کلی کمی کمتر ترکیب می‌کند. این تفاوت جرم به عنوان انرژی آزاد می‌شود. همانطور که توسط معادله معروف اینشتین ینی E = mc۲ توضیح داده شده است که در آن انرژی برابر است با جرم ضرب در مجذور سرعت نور. از آنجایی که سرعت نور بسیار زیاد است، تبدیل مقدار کمی از جرم به انرژی، مانند آنچه در همجوشی اتفاق می‌افتد، مقدار بسیار زیادی انرژی تولید می‌کند.

پژوهشگران در آزمایشگاه احتراق ملی دولت ایالات متحده در کالیفرنیا برای اولین بار چیزی را به عنوان "احتراق همجوشی" نشان دادند. احتراق زمانی اتفاق می‌افتد که یک واکنش همجوشی، انرژی بیشتری نسبت به آن انرژی که از یک منبع خارجی برای واکنش وارد می‌شود، تولید می‌کند و خودپایدار می‌شود.

تکنیک مورد استفاده در مرکز احتراق ملی شامل شلیک ۱۹۲ لیزر به یک گلوله ۰.۰۴ اینچی(۱ میلی‌متری) از سوخت ساخته شده از دوتریوم و تریتیوم - دو نسخه از عنصر هیدروژن با نوترون‌های اضافی - بود که در یک قوطی طلا قرار داده شده بود.

هنگامی که لیزرها به قوطی برخورد می‌کنند، پرتوی ایکس تولید می‌کنند که گلوله سوخت را تا حدود ۲۰ برابر چگالی سرب و تا بیش از پنج میلیون درجه فارنهایت(۳ میلیون درجه سانتیگراد) گرم و فشرده می‌کند که حدود ۱۰۰ برابر داغ‌تر از سطح خورشید است.

اگر بتوانید این شرایط را برای مدت زمان کافی حفظ کنید، سوخت ذوب شده و انرژی آزاد می‌کند.

سوخت و قوطی ظرف چند میلیاردم ثانیه در طول آزمایش تبخیر می‌شوند. سپس پژوهشگران امیدوارند تجهیزات مورد استفاده از این گرما جان سالم به در ببرد و انرژی آزاد شده توسط واکنش همجوشی را به دقت اندازه‌گیری کند.

دانشمندان چه کار کردند؟

فیزیکدانان برای ارزیابی موفقیت یک آزمایش همجوشی، به نسبت بین انرژی آزاد شده از فرآیند همجوشی و مقدار انرژی درون لیزرها نگاه می‌کنند که این نسبت، "بهره" نامیده می‌شود.

هر چیزی بالاتر از بهره‌ی یک به این معنی است که فرآیند همجوشی انرژی بیشتری نسبت به لیزرها آزاد می‌کند.

دانشمندان در آزمایشگاه احتراق ملی در تاریخ پنجم دسامبر ۲۰۲۲ یک گلوله سوخت را مورد هدف دو میلیون ژول انرژی لیزر قرار داد که تقریباً میزان انرژی لازم برای روشن کردن یک سشوار به مدت ۱۵ دقیقه است، اما فقط چند میلیاردم ثانیه طول کشید. این کار، یک واکنش همجوشی ایجاد کرد که سه میلیون ژول انرژی آزاد کرد.

این نشان دهنده نرخ بهره حدود ۱.۵ است که رکورد قبلی افزایش ۰.۷ را که در ماه اوت ۲۰۲۱ به دست آمده بود، شکست.

این موفقیت چقدر مهم است؟

انرژی همجوشی نزدیک به نیم قرن است که کعبه‌ی آمال دانشمندان برای تولید انرژی پایدار و پاک است. در حالی که نرخ بهره ۱.۵ یک پیشرفت علمی واقعا تاریخی است، اما هنوز راه زیادی تا تبدیل شدن همجوشی به یک منبع انرژی قابل دوام باقی مانده است.

در حالی که انرژی مصرفی لیزر برابر با دو میلیون ژول کمتر از بازده فرآیند همجوشی معادل سه میلیون ژول بود، این مرکز برای تولید لیزرهای مورد استفاده در این آزمایش نزدیک به ۳۰۰ میلیون ژول انرژی مصرف کرد.

این نتیجه نشان داده است که احتراق همجوشی امکان‌پذیر است، اما برای بهبود بازده آن کار زیادی لازم است، تا جایی که همجوشی بتواند با در نظر گرفتن کل سیستم انتها به انتها، نه فقط یک تعامل واحد بین لیزر و سوخت، بلکه یک بازگشت انرژی مثبت خالص را فراهم کند.

چه چیزی باید بهبود یابد؟

تعدادی از قطعات پازل همجوشی وجود دارد که دانشمندان برای چندین دهه به طور پیوسته در حال بهبود آنها بوده‌اند تا به نتیجه‌ی حاضر برسند و کار بیشتر می‌تواند این فرآیند را کارآمدتر کند.

اول اینکه لیزرها تازه در سال ۱۹۶۰ اختراع شده‌اند. زمانی که دولت ایالات متحده ساخت تاسیسات احتراق ملی را در سال ۲۰۰۹ به پایان رساند، این نیروگاه قدرتمندترین تاسیسات لیزری در جهان بود که قادر بود یک میلیون ژول انرژی را به یک هدف برساند. بنابراین دو میلیون ژولی که امروزه تولید می‌کند ۵۰ برابر پرانرژی‌تر از لیزر قدرتمند بعدی روی زمین است.

لیزرهای قوی‌تر و روش‌های کم‌مصرف انرژی برای تولید این لیزرهای قدرتمند می‌تواند کارایی کلی سیستم را تا حد زیادی بهبود بخشد.

حفظ شرایط همجوشی بسیار چالش برانگیز است و هر نقص کوچک در کپسول یا سوخت می‌تواند انرژی مصرفی مورد نیاز را افزایش داده و بهره و بازده را کاهش دهد.

دانشمندان برای انتقال موثرتر انرژی از لیزر به قوطی و تابش پرتوی ایکس از قوطی به کپسول سوخت پیشرفت‌های زیادی کرده‌اند، اما در حال حاضر تنها حدود ۱۰ تا ۳۰ درصد از کل انرژی لیزر به کپسول و سوخت منتقل می‌شود.

در نهایت، در حالی که بخشی از سوخت، یعنی دوتریوم به طور طبیعی در آب دریا فراوان است، تریتیوم بسیار نادرتر است. همجوشی به خودی خود در واقع تریتیوم تولید می‌کند، بنابراین پژوهشگران امیدوارند که راه‌هایی برای برداشت مستقیم این تریتیوم ایجاد کنند. در این میان روش‌های دیگری نیز برای تولید سوخت مورد نیاز وجود دارد.

قبل از اینکه همجوشی هسته‌ای بتواند برای خانه‌های ما برق تولید کند، باید بر این موانع و سایر موانع علمی، فنی و مهندسی غلبه کرد. همچنین باید کار زیادی انجام شود تا هزینه یک نیروگاه همجوشی از ۳.۵ میلیارد دلار که برای راه‌اندازی تاسیسات ملی احتراق خرج شده است، کاهش یابد. این مراحل نیازمند سرمایه‌گذاری قابل توجهی از سوی دولت فدرال و بخش خصوصی است.

شایان ذکر است که یک مسابقه جهانی پیرامون استحصال انرژی از همجوشی هسته‌ای وجود دارد و بسیاری از آزمایشگاه‌های دیگر در سراسر جهان تکنیک‌های مختلفی را دنبال می‌کنند. اما با نتیجه جدیدی که آزمایشگاه احتراق ملی آمریکا برای اولین بار در جهان به آن رسیده است، شواهدی عیان شده که نشان می‌دهد رویای تولید انرژی از همجوشی هسته‌ای قابل دستیابی است.

۵۸۵۸