انرژی حاصل از همجوشی: وعده چیست؟ / چه موانعی باقی مانده است؟

فرارو- این پرسشی است که تقریبا بیش از یک قرن مطرح شده و دانشمندان را وسوسه می‌کند: آیا انسان‌ها می‌توانند از همان نیرویی که به ستارگان نیرو می‌بخشد استفاده کنند؟ در تاریخ ۵ دسامبر آزمایشی توسط دانشمندان در کالیفرنیا نشان داد که پاسخ این پرسش مثبت است. پژوهشگران آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) در کالیفرنیا یک واکنش همجوشی هسته‌ای مختصر تولید کردند که منجر به افزایش انرژی خالص یا انرژی‌ای بیش از انرژی ایجاد شده برای آغاز واکنش شد.

به گزارش فرارو به نقل از کریستین ساینس مانیتور؛  پژوهش در این باره سال‌ها به طول انجامید، اما همکاری و نوآوری امید را دست کم برای کسری از ثانیه به واقعیت تبدیل کرد. پیشرفت‌های بیش تری برای استفاده عملی از همجوشی هسته‌ای مورد نیاز است. این کار با بحث و جدل همراه است، زیرا امکان کاربرد نظامی و غیرنظامی از این نوع انرژی وجود دارد. با این وجود، مزیت بالقوه آن آینده با انرژی فراوان و نسبتا پاک است که همین امر به بسیاری از دانشمندان و دوستداران محیط زیست امید می‌بخشد.

دانشمندان مسیری را به سوی انرژی پاک فراوان از همجوشی هسته‌ای می‌بینند که در آن اتم‌ها به جای آن که از هم جدا شوند به یکدیگر می‌رسند. بسیاری از افراد باید استعداد‌های خود را نیز گردهم آورند تا تبدیل این امید به واقعیت را نزدیک‌تر سازند.

همجوشی هسته‌ای چیست؟

همجوشی هسته‌ای انرژی‌ای است که نیروی مورد نیاز خورشید و سایر ستارگان را تامین می‌کند فرآیندی که برای اولین بار توسط "آرتور ادینگتون" فیزیکدان بریتانیایی در سال ۱۹۲۰ میلادی نظریه پردازی شد. این فرایند زمانی رخ می‌دهد که دو اتم با هم ترکیب شوند و یا با یکدیگر همجوشی پیدا کرده و اتم سنگین تری را بسازند. همجوشی انرژی آزاد می‌کند، زیرا جرم هسته جدید منفرد از جرم دو هسته قبلی کمتر است و جرم باقی مانده تبدیل به انرژی می‌شود.

همجوشی هنگامی که برای تولید انرژی روی زمین استفاده شود بسیار متفاوت از واکنش‌های شکافت مورد استفاده در نیروگاه‌های هسته‌ای امروزی خواهد بود. شکافت شامل تقسیم یک هسته به دو هسته کوچکتر است. انرژی کم تری با شکافت هسته‌ای تولید می‌شود و ضایعات حاصله شدت پرتوزایی بالایی دارند. در جایی که همجوشی گاز‌های سبک (انواع هیدروژن) را شامل می‌شود شکافت معمولا از عناصر سنگین مانند اورانیوم استفاده می‌کند.

چرا این آزمایش تا این اندازه مهم بوده است؟

به یک دلیل این آزمایش مهم قلمداد شده چرا که نشانه آن است که پشتکار و همکاری می‌تواند پس از چندین دهه تلاش که قدمت آن به دهه ۱۹۵۰ میلادی باز می‌گردد در نهایت نتیجه بخش باشد.

"رایان مک براید" استاد مهندسی هسته‌ای در دانشگاه میشیگان می‌گوید: "مواقع زیادی بود که افراد حتی چهره‌های هدایت کننده تیم پژوهش می‌گفتند این کار به نتیجه‌ای نمی‌رسد. در نهایت، اما با ادامه پژوهش نتیجه واقعا چشمگیر بود".

حوالی ساعت ۱ بامداد روز ۵ دسامبر داده‌های آزمایش در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور شروع به سرازیر شدن کرد. تیم پژوهش متوجه شد که به اشتعال یا ایجاد انرژی بیش از آن چه برای شروع واکنش استفاده شده بود دست یافته است. یکی از پژوهشگران می‌گوید از خوشحالی اشک شوق از گونه هایش سرازیر شده بود.

۱۹۲ لیزر این مرکز که بزرگترین سیستم لیزری جهان در ساختمانی به اندازه یک استادیوم ورزشی محسوب می‌شود به سمت کپسولی با پوشش الماس به اندازه یک دانه فلفل نشانه گیری کردند و فشار و دمای بسیار زیاد مورد نیاز ایجاد شد (چند برابر گرم‌تر از هسته خورشید). این آزمایش نقطه عطفی محسوب می‌شد و ۲.۰۵ مگاژول انرژی به هدف تحویل داد و ۳.۱۵ مگاژول انرژی خروجی همجوشی را به همراه داشت. با این وجود، کوچک‌ترین تفاوت‌ها در کپسول می‌تواند هر بار نتیجه متفاوتی ایجاد کند.

دو تغییر در طراحی وجود داشت که به ایجاد نتیجه مطلوب کمک کرد. "آرتور پاک" پژوهشگر در زمینه همجوشی هسته‌ای در آزمایشگاه می‌گوید کپسولی که سوخت همجوشی را نگه داشته بود ضخیم‌تر شد و در حالی که تقارن آن تنظیم می‌شد قدرت لیزر‌ها تا ۸ درصد افزایش یافت.

این موفقیت به عنوان یک پیروزی برای علوم نظامی و غیر نظامی مورد تحسین قرار گرفت. این آزمایش توسط اداره امنیت ملی هسته‌ای وزارت انرژی ایالات متحده که بر جنگ هسته‌ای تمرکز دارد تامین مالی شد. نتیجه این پژوهش نشان دهنده ظرفیت بالقوه همجوشی هسته‌ای به منظور جایگزینی آزمایش‌های زیرزمینی برای تسلیحات هسته‌ای است.

دکتر مک براید می‌گوید که این امر به تایید ذخایر تسلیحات هسته‌ای ما و اطمینان از این که می‌توانند تا حد امکان ایمن و مطمئن و قابل اعتماد باشند به ویژه در زمان آزمایش نشدن آن ذخایر تسلیحاتی اعتبار می‌بخشد.

پیام گسترده‌تر این آزمایش برای جهان ساده است. با این وجود، ما در نهایت می‌دانیم که احتراق امکان پذیر است. "پل بلان" فیزیکدان پلاسما در انستیتو فناوری در کالیفرنیا می‌گوید:"امیدوارم افراد متوجه شوند که در ابتدا نباید در مورد عملی بودن آن سوال بپرسند، زیرا ابتدا باید بدانید که می‌توان آن را انجام داد. پس از آن است که شما عملی کردن آن را آغاز می‌کنید".

مزیت بالقوه همجوشی هسته‌ای چیست؟

"تامی ما" سرپرست ابتکار عمل نهادی در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در جلسه‌ای نتیجه پژوهش اخیر را دستاوردی انقلابی دانست و افزود:"این نتیجه چیزی کم‌تر از انرژی پاک، بدون کربن، فراوان و قابل اعتمادی که می‌تواند نیاز‌های انرژی حهان را برآورده سازد نبوده است".

دانشمندان می‌گویند که پسماند‌های رادیواکتیو در فرآیند همجوشی نیمه عمر نسبتا کوتاهی دارند و تهدید اندکی محسوب می‌شوند. آنان اشاره می‌کنند که خطر ذوب وجود ندارد، زیرا همجوشی ظرف مدت چند ثانیه متوقف می‌شود بدون آن که ورودی‌های مداوم انرژی برای حفظ آن در جریان باشد.

در حال حاضر دانشگاه‌ها و بخش خصوصی در تلاش برای عملی ساختن همجوشی از طریق راه‌هایی برای تبدیل گرما از پلاسما به الکتریسیته با یکدیگر همکاری می‌کنند. برای مثال Commonwealth Fusion Systems قصد دارد تا اوایل دهه ۲۰۳۰ میلادی از طریق همکاری با موسسه فناوری ماساچوست (MIT) یک کارخانه همجوشی بسازد. تمرکز آنان بر روی همجوشی مغناطیسی است.

این روشی متفاوت از همجوشی با لیزر یا همجوشی اینرسی است. در همجوشی مغناطیسی از آهنربا‌ها برای محتوای سوختی استفاده می‌شود که به پلاسمای انرژی زا تبدیل می‌شود (با جریان الکتریکی گرم می‌شود).

"براندون سوربوم" یکی از بنیانگذاران و دانشمند ارشد در Commonwealth Fusion Systems که مقر آن در کمبریج در ماساچوست واقع شده می‌گوید:"ما این قرارداد همکاری را با موسسه فناوری ماساچوست (MIT) تنظیم کردیم که عملا به ما امکان داد در مقیاسی مناسب کار را انجام دهیم.

ما با یک آزمایشگاه کاملا کارآمد با ۵۰ سال سابقه و متخصصانی در حوزه مربوطه خود آغاز کردیم که در برخی موارد برای چندین دهه روی همجوشی کار کرده بودند. این همکاری واقعا می‌توانست ما را به سوی دستیابی سریع‌تر به نتایج سوق دهد".

چه موانعی باقی مانده است؟

آقای پاک در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور می‌گوید که هم چالش‌های علمی و هم فنی در این مسیر وجود دارد. بزرگترین چالش افزایش کارایی فرآیند است. ۳ مگاژول انرژی همجوشی ایجاد شده در تاریخ ۵ دسامبر بیش‌تر از ۲ مگاژول انرژی لیزر شلیک شده به کپسول بود، اما ۳۰۰ مگاژول انرژی برای ایجاد آن انفجار‌های لیزری استفاده شد. فراتر از آن، این فرآیند باید در طول زمان و در مقیاس پایدار باشد.

برای راه اندازی یک نیروگاه به سوخت بسیار بیش تری در مقایسه با سوخت کپسول مورد استفاده در این آزمایش مورد نیاز است و لیزر‌ها باید هر ۱۰ ثانیه یک بار شلیک کنند کاری که مرکز احتراق ملی در حال حاضر قادر به انجام آن نیست. چالش دیگر منابع هستند. اگرچه دوتریوم فراوان است، اما این احتمال وجود دارد که تریتیوم دیگر گاز مورد نیاز در کپسول تمام شود. مقادیر کمی از آن در اتمسفر وجود دارد، اما دانشمندان می‌گویند که تریتیوم می‌تواند تولید شود یا در نهایت همجوشی تنها به دوتریوم نیاز دارد.

علیرغم تمام چالش‌های موجود کشور‌ها از کشور‌های اروپایی گرفته تا چین رویای همجوشی را دنبال می‌کنند. "کیم بودیل" مدیر آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور ماه گذشته در نشستی مطبوعاتی گفته بود:" تعقیب اشتعال همجوشی در آزمایشگاه یکی از مهم‌ترین چالش‌های علمی است که بشر تاکنون با آن مواجه شده است. دستیابی به هدف در این مورد پیروزی علم، مهندسی و مهم‌تر از همه پیروزی‌ای برای کل بشریت است".