انرژی همجوشی: رویای دستیابی به منبعی بی‌پایان و پاک

خورشید را در یک بطری زندانی کنید!

انرژی همجوشی با تقلید از فرآیندهای قلب خورشید، وعده منبعی تقریباً بی‌پایان، ایمن و پاک را می‌دهد. پس از دهه‌ها تحقیق، آیا پروژه‌های عظیمی مانند «ایتر» در آستانه دستیابی به این رویای دیرینه هستند؟

کد خبر: ۱۳۲۰۶۵۵

تاریخ: ۲۴ آذر ۱۴۰۴ - ۰۹:۰۱

به گزارش پایگاه خبری دانا، گروه دانش و فناوری:

انرژی همجوشی، «جام مقدس» علم انرژی، رویای تولید قدرت از همان فرآیندی است که خورشید و ستارگان را روشن می‌کند. برخلاف انرژی هسته‌ای رایج (شکافت) که با شکستن اتم‌های سنگین، مقادیر زیادی زباله رادیواکتیو تولید می‌کند، همجوشی هسته‌ای اتم‌های سبک (مانند هیدروژن) را تحت دما و فشار فوق‌العاده بالا به هم جوش می‌دهد تا اتم‌های سنگین‌تر (هلیوم) بسازد و در این فرآیند، مقادیر عظیمی انرژی آزاد کند. سوخت اولیه آن، دوتریوم و تریتیوم (ایزوتوپ‌های هیدروژن) است که اولی به راحتی از آب دریا استخراج می‌شود و دومی را می‌توان از لیتیوم تولید کرد—منابعی که برای تأمین انرژی بشریت به مدت میلیون‌ها سال کافی هستند. مزایای آن خیره‌کننده است:

۱) انرژی عظیم:

یک گرم سوخت همجوشی می‌تواند انرژی معادل ۸ تن نفت تولید کند.

۲) ایمنی ذاتی:

فرآیند همجوشی به دلیل نیاز به شرایط فوق‌دقیق، ذاتاً ناپایدار است و در صورت بروز اختلال، به سادگی متوقف می‌شود—هیچ خطر ذوب شدن یا انفجار فاجعه‌باری وجود ندارد.

۳) پاک‌بودن:

محصول نهایی آن هلیوم بی‌ضرر است و زباله رادیواکتیو بلندمدت تولید نمی‌کند (اگرچه سازه رآکتور به دلیل بمباران نوترونی، رادیواکتیو می‌شود، اما مواد آن نسبت به زباله‌های شکافت، دوره فعالیت کوتاه‌تری دارند).

۴) عدم تولید گازهای گلخانه‌ای.

اما چرا با وجود این وعده درخشان، هنوز حتی یک نیروگاه همجوشی تجاری وجود ندارد؟ پاسخ در چالش‌های فنی خارق‌العاده نهفته است. برای وقوع همجوشی، باید سوخت را به حالتی به نام پلاسما (گاز یونیزه شده داغ) تبدیل کرد و آن را تا دمای بیش از ۱۵۰ میلیون درجه سلسیوس—ده برابر داغ‌تر از هسته خورشید—گرم نمود. سپس، این ابر خورشیدی داغ باید برای مدت کافی در یک مکان محبوس و فشرده شود تا اتم‌ها با هم برخورد کنند و همجوشی اتفاق بیفتد. مشکل اصلی این است که هیچ ماده فیزیکی نمی‌تواند چنین پلاسمایی را لمس کند بدون اینکه ذوب شود. راه حل، استفاده از میدان‌های مغناطیسی فوق‌قوی برای به دام انداختن و فشرده کردن پلاسما در یک فضای خالی است—دستگاهی به نام توکامک. شرط دستیابی به «آستانه تحقق همجوشی» این است که حاصلضرب سه فاکتور—چگالی پلاسما، دما و زمان محصورسازی از یک حد بحرانی فراتر رود. برای دهه‌ها، دانشمندان در تلاش بوده‌اند تا به این نقطه دست یابند، اما تاکنون هیچ دستگاه‌ای نتوانسته است انرژی بیشتری نسبت به انرژی مصرفی برای راه‌اندازی و نگهداری فرآیند تولید کند.

اکنون، نقطه عطفی تاریخی در حال وقوع است. پروژه بین‌المللی «ایتر» (ITER) در جنوب فرانسه، بزرگترین و بلندپروازانه‌ترین آزمایش همجوشی جهان است. این پروژه که یک همکاری بین ۳۵ کشور است، در حال ساخت بزرگترین توکامک جهان است. هدف ITER نه تولید برق، بلکه اثبات امکان‌پذیری علمی و فنی همجوشی در مقیاس بزرگ است: تولید انرژی خالص ده برابر بیشتر از انرژی ورودی (یعنی ضریب بهره‌دهی Q=10). اگرچه پروژه با تأخیرها و افزایش هزینه‌ها مواجه شده، اما اولین پلاسما تا سال ۲۰۳۵ برنامه‌ریزی شده است. موفقیت ITER راه را برای «دمو» (DEMO)، نخستین نیروگاه نمایشی همجوشی که برق را به شبکه تزریق می‌کند، هموار خواهد کرد.

در کنار ITER، رویکردها و شرکت‌های خصوصی نوآورانه‌تری نیز در حال ظهور هستند. برخی بر روی محرک‌های لیزری کار می‌کنند (مانند تأسیسات ملی احتراق در آمریکا)، که در آن پرتوهای لیزر قدرتمند یک کپسول کوچک سوختی را منفجر می‌کنند تا همجوشی را برای یک لحظه بسیار کوتاه ایجاد کنند. شرکت‌های خصوصی مانند «TAE Technologies» در حال توسعه دستگاه‌های مبتنی بر پرتوهای ذرات هستند، و «Commonwealth Fusion Systems» (زیرمجموعه MIT) در حال ساخت توکامک‌های کوچک‌تر با استفاده از آهنرباهای ابررسانای جدید با قابلیت میدان مغناطیسی بسیار بالا است تا زودتر به نتایج عملی دست یابد.

با این وجود، حتی پس از حل چالش تولید انرژی خالص، موانع مهندسی عظیمی بر سر راه تجاری‌سازی وجود خواهد داشت: مواد مقاوم در برابر بمباران نوترونی سیستم‌های استخراج حرارت کارآمد، و ساخت رآکتورهای مقرون‌به‌صرفه. بسیاری از کارشناسان معتقدند که انرژی همجوشی تا نیمه دوم این قرن به طور گسترده در دسترس نخواهد بود.

اما چرا با وجود همه این مشکلات، همچنان به سرمایه‌گذاری کلان ادامه می‌دهیم؟ زیرا جایزه نهایی بسیار بزرگ است: یک منبع انرژی پایه‌بار (همیشه در دسترس)که می‌تواند بدون انتشار کربن، به طور نامحدود و در هر نقطه از جهان، انرژی برق را تأمین کند. این فناوری می‌تواند به طور اساسی وابستگی ما به سوخت‌های فسیلی را پایان دهد، تغییرات آب‌وهوایی را معکوس کند و توسعه پایدار جهانی را ممکن سازد. انرژی همجوشی رویایی دور اما ضروری است—نماد امیدواری بشر برای حل بزرگترین چالش‌های خود از طریق اوج علم و همکاری بین‌المللی. اگر موفق شویم، نه تنها انرژی، بلکه آینده سیاره خود را دگرگون کرده‌ایم.