آینده انرژی اتمی پس از پیشرفت اخیر در زمینه همجوشی هسته ای - وبلاگ هلو

به گزارش وبلاگ هلو، ایسنا نوشت: دانشمندان آمریکایی به تازگی از یک پیشرفت بزرگ در هدف دیرینه فراوری انرژی از فرآیند همجوشی هسته ای پرده برداشته اند و برای نخستین بار توانستند انرژی فراوریی این فرآیند را از انرژی مصرفی آن بیشتر نمایند، اما سوالی که پیش می آید این است که اکنون آینده این صنعت چه می گردد؟

دانشمندان آمریکایی آنچه را که یک پیشرفت بزرگ در فراوری انرژی از فرآیند همجوشی هسته ای می نامند، اعلام نموده اند.

وزارت انرژی ایالات متحده همین چند روز پیش در تاریخ 13 دسامبر 2022 گفت که دانشمندان آمریکایی پس از چندین دهه کوشش برای اولین بار توانسته اند انرژی بیشتری از آنچه این فرآیند مصرف می نماید، دریافت نمایند.

اما این توسعه چقدر قابل توجه است و رویای بهره برداری از همجوشی هسته ای که انرژی پاک را به میزان فراوان فراهم می نماید، چقدر دور است؟ کارولین کورانز، دانشیار مهندسی هسته ای در دانشگاه میشیگان که در آزمایشگاهی که به تازگی رکورد همجوشی را شکسته کار نموده است، به شرح این موضوع یاری می نماید.

در محفظه همجوشی چه گذشت؟

همجوشی یک واکنش هسته ای است که دو اتم را برای ایجاد یک یا چند اتم نو با جرم کلی کمی کمتر ترکیب می نماید. این تفاوت جرم به عنوان انرژی آزاد می گردد. همانطور که به وسیله معادله معروف اینشتین ینی E = mc2 شرح 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 میزان کمی از جرم به انرژی، مانند آنچه در همجوشی اتفاق می افتد، میزان بسیار زیادی انرژی فراوری می نماید.

پژوهشگران در آزمایشگاه احتراق ملی دولت ایالات متحده در کالیفرنیا برای اولین بار چیزی را به عنوان احتراق همجوشی نشان دادند. احتراق زمانی اتفاق می افتد که یک واکنش همجوشی، انرژی بیشتری نسبت به آن انرژی که از یک منبع خارجی برای واکنش وارد می گردد، فراوری می نماید و خودپایدار می گردد.

تکنیک مورد استفاده در مرکز احتراق ملی شامل شلیک 192 لیزر به یک گلوله 0.04 اینچی(1 میلی متری) از سوخت ساخته شده از دوتریوم و تریتیوم - دو نسخه از عنصر هیدروژن با نوترون های اضافی - بود که در یک قوطی طلا قرار داده شده بود.

هنگامی که لیزرها به قوطی برخورد می نمایند، پرتوی ایکس فراوری می نمایند که گلوله سوخت را تا حدود 20 برابر چگالی سرب و تا بیش از پنج میلیون درجه فارنهایت(3 میلیون درجه سانتیگراد) گرم و فشرده می نماید که حدود 100 برابر داغ تر از سطح خورشید است.

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

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

دانشمندان چه کار کردند؟

فیزیکدانان برای ارزیابی موفقیت یک آزمایش همجوشی، به نسبت بین انرژی آزاد شده از فرآیند همجوشی و میزان انرژی درون لیزرها نگاه می نمایند که این نسبت، بهره نامیده می گردد.

هر چیزی بالاتر از بهره یک به این معنی است که فرآیند همجوشی انرژی بیشتری نسبت به لیزرها آزاد می نماید.

دانشمندان در آزمایشگاه احتراق ملی در تاریخ پنجم دسامبر 2022 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 15 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 1.5 است که رکورد قبلی افزایش 0.7 را که در ماه اوت 2021 به دست آمده بود، شکست.

این موفقیت چقدر مهم است؟

انرژی همجوشی نزدیک به نیم قرن است که کعبه آمال دانشمندان برای فراوری انرژی پایدار و پاک است. در حالی که نرخ بهره 1.5 یک پیشرفت علمی واقعا تاریخی است، اما هنوز راه زیادی تا تبدیل شدن همجوشی به یک منبع انرژی قابل دوام به جای 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 فراوری لیزرهای مورد استفاده در این آزمایش نزدیک به 300 میلیون ژول انرژی مصرف کرد.

این نتیجه نشان داده است که احتراق همجوشی امکان پذیر است، اما برای بهبود بازده آن کار زیادی ضروری است، تا جایی که همجوشی بتواند با در نظر گرفتن کل سیستم خاتمه به خاتمه، 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 بوده اند تا به نتیجه حاضر برسند و کار بیشتر می تواند این فرآیند را کارآمدتر کند.

اول اینکه لیزرها تازه در سال 1960 اختراع شده اند. زمانی که دولت ایالات متحده ساخت تاسیسات احتراق ملی را در سال 2009 به خاتمه رساند، این نیروگاه قدرتمندترین تاسیسات لیزری در دنیا بود که قادر بود یک میلیون ژول انرژی را به یک هدف برساند. بنابراین دو میلیون ژولی که امروزه فراوری می نماید 50 برابر پرانرژی تر از لیزر قدرتمند بعدی روی زمین است.

لیزرهای قوی تر و روش های کم مصرف انرژی برای فراوری این لیزرهای قدرتمند می تواند کارایی کلی سیستم را تا حد زیادی بهبود بخشد.

حفظ شرایط همجوشی بسیار چالش برانگیز است و هر نقص کوچک در کپسول یا سوخت می تواند انرژی مصرفی مورد احتیاج 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 پیشرفت های زیادی نموده اند، اما در حال حاضر تنها حدود 10 تا 30 درصد از کل انرژی لیزر به کپسول و سوخت منتقل می گردد.

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 فراوری می نماید، بنابراین پژوهشگران امیدوارند که راه هایی برای برداشت مستقیم این تریتیوم ایجاد نمایند. در این میان روش های دیگری نیز برای فراوری سوخت مورد احتیاج وجود دارد.

قبل از اینکه همجوشی هسته ای بتواند برای خانه های ما برق فراوری کند، باید بر این موانع و سایر موانع علمی، فنی و مهندسی غلبه کرد. بعلاوه باید کار زیادی انجام گردد تا هزینه یک نیروگاه همجوشی از 3.5 میلیارد دلار که برای راه اندازی تاسیسات ملی احتراق خرج شده است، کاهش یابد. این مراحل احتیاجمند سرمایه گذاری قابل توجهی از سوی دولت فدرال و بخش خصوصی است.

شایان ذکر است که یک مسابقه دنیای پیرامون استحصال انرژی از همجوشی هسته ای وجود دارد و بسیاری از آزمایشگاه های دیگر در سراسر دنیا تکنیک های مختلفی را دنبال می نمایند. اما با نتیجه نوی که آزمایشگاه احتراق ملی آمریکا برای اولین بار در دنیا به آن رسیده است، شواهدی عیان شده که نشان می دهد رویای فراوری انرژی از همجوشی هسته ای قابل دستیابی است.

5858