همجوشی هسته‌ای میلیارد درجه‌ای هیدروژن-بور تا اوایل دهه 2030 ممکن می‌شود؟
در پروژه‌های تحقیقاتی همجوشی در دمای صد میلیون درجه، از پلاسمای محصور در میدان مغناطیسی انرژی تولید می‌کند. اما مدیرعامل TAE Technologies می‌گوید که هدف تیمش رساندن پلاسما به 10 برابر دمای فعلی یعنی یک میلیارد درجه است.
اگر هسته های دو اتم را به اندازه کافی محکم به هم بکوبید، می‌توانند آنها را با هم ترکیب کنید و عنصر متفاوتی ایجاد کنید. اگر از عناصر مناسب استفاده کنید، وزن اتم به دست آمده کمتر از دو اتمی است که برای تشکیل آن به هم کوبیده‌اید و اختلاف جرم به عنوان انرژی آزاد می شود، همانطور که توسط معادله معروف E=MC 2 انیشتین پیش بینی شده، جرم کوچکی از سوخت به این ترتیب می‌تواند انرژی زیادی آزاد کند.
مشکل این است که هسته‌های اتم بسیار کوچک هستند و دارای بار مثبت هستند، بنابراین یکدیگر را دفع می‌کنند و در وهله اول به هم کوفتن آنها بسیار سخت می‌شود. اما این چیزی است که به صورت دائم در خورشید اتفاق می‌افتد و انرژی تولید می‌کند و منظومه شمسی را گرم می‌کند، اما در خورشید این گرانش عظیم و همچنین دماهای فوق‌العاده است که شرایط را برای ایجاد واکنش های همجوشی پایداری برای میلیاردها سال فراهم می‌کند.
دانشمندان چندین دهه است که تلاش کرده‌اند که این فرآیند را روی زمین تکرار کنند تا انرژی فراوان و پاکی که حتی از شکافت هسته‌ای ایمن‌تر است، در دسترس قرار دهند. اما به جز کارهای تحقیقاتی فعلا خبری از نیروگاه همجوشی هسته‌ای نبوده است.
بدون بهره‌مندی از جرم عظیم و کشش گرانشی خورشید، بسیاری از تلاش‌های همجوشی زمینی به دماهای بالاتر متکی هستند. در پروژه‌های همجوشی محصور در میدان مغناطیسی، پلاسما تا بیش از 100 میلیون درجه سانتیگراد گرم می‌شود – تقریباً چهار برابر گرمتر از آنچه در هسته خورشید رخ می‌دهد. گرما باعث می‌شود که اتم‌ها به شدت به یکدیگر کوبیده شوند تا بر دافعه هسته‌ای غلبه کنند و واکنش‌های همجوشی را آغاز کند.
معمولا از تریتیوم و دوتریوم به عنوان سوخت استفاده می‌شود. این همان کاری است که در پروژه عظیم بین المللی ITER انجام می‌شود. اما تریتیوم مشکلات خاص خود را دارد، از جمله اینکه رادیواکتیو است و بنابراین مواد مورد استفاده در راکتور را تحت تابش قرار می‌دهد. همچنین در طبیعت خیلی کم پیدا می‌شود. امروزه تنها حدود 25 کیلوگرم از آن در سرتاسر جهان ذخیره شده است و طبق برآورد خود ITER تخمین زده می‌شود که تقریباً از همه آن در آزمایش‌ها استفاده شود. پس کمیابی و رادیواکتیویته آن انرژی همجوشی را بسیار گران‌تر می‌کند.
میشل بیندرباوئر – مدیر عامل شرکت TAE Technology است. این شرکت کالیفرنیایی که در سال 1998 به‌عنوان یکی از شرکت‌های UC Irvine تأسیس شد، بیش از 1.2 میلیارد دلار از سرمایه‌گذارانی از جمله گوگل، شورون، گلدمن ساکس، پل الن، خانواده راکفلر برای اهداف خود جمع آوری کرده.
TAE در نظر دارد اولین شرکتی باشد که پلاسما را به دمای عجیب یک میلیارد درجه برساند.آنچه TAE واقعاً می‌خواهد به آن برسد، همجوشی هیدروژن-بور است. بیندرباوئر می گوید: «این همه فوایدی را دارد که تریتیوم فاقد آن است. هیچ رادیواکتیویتی در ورودی یا خروجی نخواهیم داشت. خروجی هلیوم است، از نظر شیمیایی بی اثر است.
بور یا بوران با نماد شیمیایی B نام یک عنصر شمیایی با عدد اتمی ۵ است و در گروه 13 جدول تناوبی قرار دارد . این عنصر از شبه فلزها است و چون در اثر دگرگونی‌های هسته‌ای ستارگان ایجاد می‌شود، فراوانی کمی در پوستهٔ زمین و منظومهٔ خورشیدی دارد. ترکیبات رایجی از این عنصر که به صورت طبیعی در زمین ایجاد می‌شوند، در آب محلول‌اند. بور از کانی‌های بور به کمک عمل آوری صنعتی مانند تبخیر به دست می‌آید، مانند اور، بوره و کرنیت.
اشکال این است که بور اتمی بزرگتر از تریتیوم است و بارهای مثبت بیشتری در هسته آن دارد، بنابراین در طراحی محصور مغناطیسی به انرژی بسیار بسیار بیشتری برای همجوشی آن نیاز دارید یعنی همان یک میلیارد درجه.
TAE برای دستیابی به دمایی 10 برابر بالاتر از توکاماک های کنونی، مجبور شد یک راکتور بسیار متفاوت طراحی کند. این کار با الهام از شتاب‌دهنده های ذرات در سرن انجام شد.
در اواخر دهه 1990، این تیم به اندازه کافی تئوری، مدل‌سازی و شبیه‌سازی محاسباتی را برای اجرای برخی از نمونه های اولیه فیزیکی انجام داده بود.
TAE باید شتاب‌دهنده‌های ذرات خود را توسعه می‌داد، البته در مقایسه با شتاب‌دهنده ذرات هادرون بزرگ که حلقه‌ای به طول 27 کیلومتر دارد، TAE به طرز قابل توجهی ساختمان کوچک‌تری نیاز دارد و نیاز به رساندن ذرات به سرعت ۹۹ درصد سرعت نور هم ندارد.
TAE به جای اینکه پلاسمای خود را به شکل دونات به اطراف بچرخاند، آن را در جای خود و محدود به حلقه‌های مغناطیسی قدرتمند حفظ می‌کند. جیم مک نیل، مدیر ارشد بازاریابی، می‌گوید ما پلاسمایی می‌سازیم که در داخل استوانه در امتداد محور استوانه می‌چرخند. ما می‌توانیم چرخش را کنترل کنیم، در واقع بسیار زیبا و ساده است. شاید به یاد داشته باشید که در کودکی با یک فرفره چرخان بازی می کردید – زمانی که سرعت آن کاهش می‌یابد، ناپایدار می‌شود، اما اگر با سرعت مناسب بچرخد، از طریق تثبیت ژیروسکوپی بسیار ثبات خواهد داشت. ما در اینجا همین کار را انجام می‌دهیم، سرعت چرخش را کنترل می‌کنیم.
از نظر بازده مغناطیسی، یک توکامک حدود 10 درصد و طراحی TAE حدود 90 درصد، بازدهی دارد.
آهنرباها بخش بزرگ و گران قیمت این سیستم های همجوشی هستند، بنابراین اگر بتوانید از آهنرباهای خود استفاده بهینه کنید، می‌توانید برق کمتری مصرف کنید.
در نسل پنجم دستگاه‌ها TAE ، آنها دریافته‌اند که هر چه پلاسما داغ‌تر شود، شتاب‌دهنده های ذرات و سیستم‌های محصور مغناطیسی بهتر عمل می‌کنند.
دستگاه بعدی این شرکت، نسل ششم به نام کوپرنیک است که برای رسیدن به 100 تا 150 میلیون درجه طراحی شده.
کوپرنیک برای نشان دادن امکان تعادل انرژی مثبت – ضریب Q بیشتر از یک طراحی شده، به این معنی که انرژی بیشتری نسبت به مصرف روند همجوشی هسته‌ای تولید می کند.
صبر مورد نیاز سرمایه گذاران TAE در دنیای امروز بسیار زیاد است. این ماشین‌ها پیشرفته و گران هستند و سود تجاری آن در افق دور است.
TAE با کاهش بخشی از فشار بر سرمایه‌گذاران، فناوری‌های جانبی سودده ایجاد کرده است. به عنوان مثال، شتاب دهنده های ذرات به عنوان دستگاه های پرتودرمانی هدفمند برای بیماران سرطانی تغییر کاربری داده شده‌اند. سیستم های استیج و توزیع نیرو که عملکرد 80000 قطعه برقی را با دقت بالا همگام می‌کند، برای توسعه پیشرانه‌های برقی بهتر و کارآمدتر استفاده شده است.
واقعاً هزینه‌های یک راکتور تجاری اولیه هیدروژن-بور چقدر خواهد بود؟
اگر فرض کنیم همه چیز طبق برنامه پیش برود، این چیزها در اوایل تا اواسط دهه 2030 وارد بازار انرژی خواهند شد تا شبکه‌های برق مبتنی بر انرژی های تجدیدپذیر ارزان قیمت را ممکن کنند.
در ایالات متحده، برق گازی را می توان در محدوده یک تا دو سنت برای هر کیلووات ساعت تولید کرد. هزینه انرژی هسته‌ای 10-15 سنت است. انتظار می‌رود که نیروگاه نسل اول همجوشی با هزینه حدود 6-7 سنت در هر کیلووات ساعت برق تولید کند.
ایمنی یکی از مزایای کلیدی همجوشی نسبت به شکافت هسته‌ای است، اما وقتی برنامه‌ریزی راکتور برای دمای تقریباً 40 برابر داغ‌تر از هسته خورشید است، احساسات عمومی را نباید دست کم گرفت و مقامات سیاسی هم تصمیم را تحت تاثیر آرای مردم می‌گیرند.
اما نباید نگران این دما بود. به یاد داشته باشید، سرن در حال حاضر دمای بیش از پنج تریلیون درجه را بدون حادثه ایجاد کرده. مک‌نیل می‌گوید: «مردم باید بدانند که اتم‌ها چقدر کوچک هستند و این گرما چقدر سریع منتشر می‌شود. ما یک ابر کوچک و کم چگالی از آنها با انرژی بسیار بالا داریم که در یک قفس مغناطیسی معلق و در حال چرخش است و در تماس با محیط بیرون تمام انرژی خود را فورا از دست می‌دهند.»
“اگر پلاسمای 75 میلیون درجه ما را بردارید و یک تکه یخ از یخچال خود بیرون بیاورید، حدس بزنید چه اتفاقی می‌افتد؟” بایندرباوئر گفت. یخ تبدیل به آب می‌شود، اما حتی گرم نمی‌شود. فقط فاز آن تغییر می‌کند. اما این برای اکثر مردم اصلاً واضح نیست.»
او ادامه می‌دهد: “هیچ فرار حرارتی وجود ندارد. هیچ ذوب هسته ای وجود ندارد. با هیدروژن-بور، هیچ رادیواکتیویتی وجود ندارد.”
“سال گذشته، بریتانیا مقررات مربوط به همجوشی را قبلا وضع کرده است. آنها به این نتیجه رسیدند که این مانند شکافت نیست و به یک چارچوب نظارتی متفاوت نیاز دارد. کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای در آمریکا در سال گذشته جلسات استماع برگزار کرد. امیدواریم که آنها با ما متفاوت رفتار کنند، اما هیچ تضمینی وجود ندارد. فرآیند طولانی و پیچیده تایید می‌تواند 10 سال طول بکشد.»
درود بر شما
این نیروگاهها چقدر میتونن برق تولید کنن؟!