رؤیای همجوشی هسته‌ای اکنون به واقعیت نزدیک‌تر شده. چرا خوش‌بین‌تر شده‌ایم؟
دانشمندان آزمایشگاهی در انگلستان رکورد میزان انرژی تولید شده در طی یک واکنش همجوشی کنترل شده و پایدار را شکستند.
تولید 59 مگاژول انرژی در طول پنج ثانیه در آزمایش مشترک اروپایی Torus – یا JET – در انگلستان توسط برخی از خبرگزاری‌ها “یک پیشرفت بزرگ” نامیده شده و باعث ایجاد هیجان بسیار زیادی در بین فیزیکدان‌ها شده است.
سال‌های طولانی است که تا صحبت از تولید انرژی با همجوشی هسته‌ای می‌شود، دانشمندان می‌گویند: در 20 سال آینده چنین چیزی محقق می‌شود!
در پیشرفت چدید، از مواد تازه‌ای برای ساختن دیواره‌های داخلی راکتور همجوشی شده است.
همجوشی هسته‌ای عبارت است از ادغام دو هسته اتمی و ایجاد یک هسته جدید. سپس این هسته از هم جدا می‌شود و انرژی را به شکل اتم‌ها و ذرات جدیدی آزاد می‌کند. یک نیروگاه همجوشی ذرات فرار را جذب کرده و از انرژی آنها برای تولید برق استفاده می‌کند.
چند راه مختلف برای کنترل ایمن همجوشی در زمین وجود دارد، یکی از آنها استفاده از میدان‌های مغناطیسی قدرتمند برای محدود کردن اتم‌ها تا زمانی که آنها به دمای کافی بالا برای همجوشی برسند، است.
سوخت راکتور‌های دو ایزوتوپ متفاوت هیدروژن به نام دوتریوم و تریتیوم است. هیدروژن معمولی دارای یک پروتون و بدون نوترون در هسته خود است. دوتریوم یک پروتون و یک نوترون دارد در حالی که‌تریتیوم یک پروتون و دو نوترون دارد.
برای موفقیت‌آمیز بودن واکنش همجوشی، ابتدا اتم‌ها باید چنان داغ شوند که الکترون‌ها از هسته جدا شوند. این باعث ایجاد پلاسما می‌شود – مجموعه‌ای از یون‌ها و الکترون‌های مثبت.
سپس باید پلاسما تا زمانی که به دمای بیش از 100 میلیون سانتیگراد برسد، گرم شوند. بعد این پلاسما باید در یک فضای محدود با چگالی بالا برای مدت زمان کافی نگهداری کرد تا اتم‌های سوخت به یکدیگر برخورد کنند و با هم ترکیب شوند.
برای کنترل همجوشی در زمین، محققان دستگاه‌هایی به شکل دونات – به نام توکامک- ساخته‌اند که از میدان‌های مغناطیسی برای مهار پلاسما استفاده می‌کنند.
با تزریق انرژی به پلاسما و گرم کردن آن، می‌توان ذرات سوخت را با سرعت بالایی شتاب داد که در هنگام برخورد، به جای دفع یکدیگر، هسته‌های سوخت به یکدیگر جوش بخورند. هنگامی که این اتفاق می‌افتد، آنها انرژی آزاد می‌کنند که در درجه اول به شکل نوترون‌های سریع حرکت می‌کنند.
در طی فرآیند همجوشی، ذرات سوخت به تدریج از هسته داغ و متراکم دور می‌شوند و در نهایت با دیواره داخلی ظرف همجوشی برخورد می‌کنند.
برای جلوگیری از تخریب دیوارهها در اثر این برخورد‌ها – که به نوبه خود سوخت همجوشی را نیز آلوده می‌کند – راکتور‌هایی ساخته می‌شوند که ذرات را به سمت یک محفظه زره پوش سنگین به نام دایوتور هدایت می‌کنند. این قسمت، ذرات منحرف شده را پمپ می‌کند و گرمای اضافی را برای محافظت از توکامک حذف می‌کند.
یکی از محدودیت‌های اصلی راکتور‌های گذشته این بوده که منحرف‌کننده یا دایوتور نمی‌توانند بیش از چند ثانیه در برابر بمباران ذرات ثابت دوام بیاورند. برای اینکه نیروی همجوشی به صورت تجاری درآید، مهندسان باید یک توکامک بسازند که برای سال‌ها استفاده در شرایط لازم برای همجوشی تاب بیاورد.
پیش از این، منحرف‌کننده JET دارای دیواری از گرافیت بود در سال 2011، مهندسان JET دیوارهها را به تنگستن ارتقا دادند. تنگستن تا حدودی به این دلیل انتخاب شد که بالاترین نقطه ذوب را در بین فلزات دیگر دارد. از آنجا که منحرف‌کننده ها 10 برابر بیشتر از دماغه یک شاتل فضایی که وارد جو زمین می‌شود، بار گرمایی باید تحمل کنند، گریزی از این انتخاب نبود.
حالا دیواره توکامک به بریلیوم ارتقا یافت. بریلیم دارای خواص حرارتی و مکانیکی عالی برای راکتور همجوشی است، سوخت کمتری نسبت به گرافیت جذب می‌کند، اما در عین حال می‌تواند در برابر دما‌های بالا مقاومت کند.
گرچه میزان انرژی تولید شده سرخط خبر‌ها شد، اما ما می‌توانیم استدلال کنیم که در واقع استفاده از مصالح جدید برای دیوارهها است که آزمایش را واقعاً چشمگیر می‌کند.
توکامک JET بزرگترین و پیشرفته‌ترین راکتور همجوشی مغناطیسی است که در حال حاضر فعال است. اما نسل بعدی راکتور‌ها در حال توسعه است. از جمله ITER .
ITER – که به زبان لاتین به معنی “راه” است – در فرانسه در حال ساخت است و توسط یک سازمان بین المللی که شامل ایالات متحده هم است، تامین مالی و هدایت می‌شود.
ITER خیلی بزرگتر است. اندازه محفظه همجوشی 11.4 متر و 19.4 متر در طرفین است که آن را بیش از هشت برابر بزرگتر از JET می‌کند.
علاوه بر این، ITER از آهنربا‌های ابررسانا استفاده می‌کند که قادر به تولید میدان‌های مغناطیسی قوی‌تر برای مدت زمان طولانی‌تری در مقایسه با آهنربا‌های JET هستند. با این ارتقاء، انتظار می‌رود ITER رکورد‌های همجوشی را هم از نظر خروجی انرژی و هم برای مدت زمان واکنش بشکند.
همچنین انتظار می‌رود ITER یک دستاورد دیگر داشته باشد: تولید انرژی بیشتر از آنچه برای گرم کردن سوخت لازم است. مدل‌ها پیش‌بینی می‌کنند که ITER حدود 500 مگاوات برق به‌طور پیوسته به مدت 400 ثانیه تولید می‌کند، در حالی که تنها 50 مگاوات انرژی برای گرم کردن سوخت مصرف می‌کند.
به عبارت دیگر این راکتور 10 برابر بیشتر از انرژی مصرفی خود تولید می‌کند که یک پیشرفت بزرگ در مقایسه با JET، که برای گرم کردن سوخت تقریباً سه برابر انرژی بیشتری نسبت به رکورد تولید 59 مگاژول اخیر خود نیاز داشت.
سوابق اخیر JET نشان داده است که سال‌ها تحقیق در فیزیک پلاسما و علم مواد نتیجه داده و دانشمندان را به آستانۀ مهار همجوشی برای تولید برق رسانده است. ITER جهشی عظیم به سمت هدف نیروگاه‌های همجوشی صنعتی در مقیاس صنعتی ایجاد خواهد کرد.