سوخت بزرگ‌ترين رآكتور همجوشي هستهاي جهان آماده آزمايش است
آزمايش‌هاي همجوشي هستهاي با دوتريوم و تريتيوم در رآكتور آزمايشي جي‌اي‌تي (Joint European Torus) تمرين مهمي براي آزمايش بزرگي است كه در ايتر (راكتور گرماهسته‌اي آزمايشي بين‌المللي يا ITER) انجام خواهد شد.
منبع انرژي همجوشي هستهاي، خورشيد است و اگر فيزيكدانان بتوانند روي زمين اين انرژي را مهار كنند، منبع تقريبا بي‌نهايت انرژي خواهد بود. در ماه دسامبر، پژوهشگران جي‌اي‌تي آزمايش‌هاي همجوشي با تريتيوم را آغاز كردند كه ايزوتوپ راديواكتيو كمياب هيدروژن است. اين سازه ماكتي به اندازه‌ي يك‌دهم حجم پروژه‌ي ۲۲ ميليارد دلاري ايتر است و همان طراحي توكامك دونات‌شكلي را دارد كه پيشرفته‌ترين رويكرد جهان براي انرژي همجوشي محسوب ميشود.
به گزارش نيچر، از سال ۱۹۹۷ اين نخستين بار است كه پژوهشگران آزمايش‌هايي در يك توكامك با مقدار قابل توجهي تريتيوم انجام مي‌دهند. در ماه ژوئن، جي‌اي‌تي شروع به تركيب مقادير برابر تريتيوم و دوتريوم كرد كه يكي ديگر از ايزوتوپ‌هاي هيدروژن است. اين همان مخلوط سوختي است كه ايتر در تلاش براي توليد انرژي بيشتر از واكنش همجوشي، از آن استفاده خواهد كرد.
رآكتور بايد پلاسمايي از تريتيوم و دوتريوم را گرم و محصور كند؛ به‌طوري‌كه همجوشي ايزوتوپ‌ها به هليوم، گرماي كافي براي حفظ واكنش‌هاي همجوشي بيشتر توليد كند. جوئل ميلوكس، از سرپرستان اين برنامه‌ي علمي در جي‌اي‌تي، مي‌گويد: «بسيار هيجان‌انگيز است كه سرانجام به نقطه‌اي رسيديم كه مي‌توانيم آنچه اين همه سال در حال آماده كردن آن بوديم، عملي كنيم.»
اجراي آزمايشي
آزمايش‌هاي جي‌اي‌تي به دانشمندان كمك مي‌كند رفتار پلاسما در توكامك ايتر را پيش‌بيني و براساس آن، آزمايش اصلي و بزرگ را تنظيم و اجرا كنند. تيم لوس، دانشمند ارشد ايتر، مي‌گويد اين آزمايش‌ها حاصل تلاش تقريبا دو دهه كار هستند. ايتر با واكنش‌هاي هيدروژني داراي توان كم در سال ۲۰۲۵ آغاز خواهد شد؛ اما از سال ۲۰۳۵، با مخلوط ۵۰/۵۰ تريتيوم و دوتريوم كار خواهد كرد.
ايتر و جي‌اي‌تي كه در مركز انرژي همجوشي هستهاي كولهام (CCFE) در نزديكي آكسفورد واقع شده‌اند، از ميدان مغناطيسي قوي براي محصور كردن پلاسما درون يك حلقه و حرارت دادن آن تا زمان رخ دادن همجوشي استفاده مي‌كنند. دما در جي‌اي‌تي مي‌تواند به ۱۰۰ ميليون درجه‌ي سانتي‌گراد برسد كه چندين برابر جديد‌تر از دماي هسته‌ي خورشيد است.
آخرين آزمايش‌هاي همجوشي توكامك در جهان با استفاده از تريتيوم در جي‌اي‌تي انجام شد. آن زمان، هدف دستيابي به حداكثر توان بود و اين سازه موفق شد به نسبت بي‌سابقه‌ي توان خروجي به توان ورودي (مقدار Q) برابر ۰/۶۷ برسد. اين ركورد تا به امروز پابرجا است. اما امسال، هدف حفظ سطح مشابهي از توان همجوشي براي ۵ ثانيه يا بيشتر است تا پژوهشگران بتوانند به بيشترين داده‌هاي ممكن از اين آزمايش‌ها دست يابند و براساس آن، رفتار پلاسماي ماندگارتر را درك كنند.
كار با تريتيوم چالش‌هاي منحصربه‌فردي ايجاد مي‌كند. پژوهشگران جي‌اي‌تي بيش از دو سال صرف اصلاح اجزاي دستگاه خود و آماده‌سازي آن براي كار با اين ماده راديواكتيو كرده‌اند. ايزوتوپ مذكور به‌سرعت متلاشي ميشود؛ بنابراين فقط در مقادير بسيار ناچيزي در طبيعت وجود دارد و معمولا به‌عنوان محصول جانبي در رآكتورهاي همجوشي هستهاي توليد ميشود. موجودي جهاني آن فقط ۲۰ كيلوگرم است.
بخشي از چالش كار با تريتيوم اين است كه واكنش‌هاي آن با دوتريوم نسبت به واكنش‌هايي كه فقط دوتريوم در آن شركت دارد، نوترون بيشتري توليد مي‌كند. رآكتورهاي تجاري انرژي اين نوترون‌ها را براي توليد برق مي‌گيرند؛ اما در جي‌اي‌تي، ذرات پرانرژي به درون دستگاه پرتاب ميشود و به سيستم‌هاي تشخيصي آسيب مي‌رساند. ايان چاپمن، سرپرست CCFE، مي‌گويد گروه جي‌اي‌تي مجبور شده است دوربين‌ها و ديگر دستگاه‌ها را پشت حفاظ بتوني قرار بدهد و تمام فرايندهاي خود را از ذخيره‌سازي تا كنترل را اصلاح و نوسازي كند.
با شروع آزمايش‌هاي تريتيوم، بمباران نوتروني تأسيسات دروني را راديواكتيو مي‌كند كه در نتيجه، براي ۱۸ ماه به منطقه‌ي ممنوعه‌اي براي انسان‌ها تبديل ميشود؛ بنابراين كاركنان مجبور شدند به ذهنيتي شبيه مهندساني كه وسيله‌ي نقليه‌ي فضايي مي‌سازند، عادت كنند. به گفته‌ي چاپمن: «نمي‌توانيد وارد كار شويد و اشكالات را برطرف كنيد، دستگاه بايد از همان بار اول كار كند.»
پالس‌هاي تريتيوم
در عمليات جي‌اي‌تي از كمتر از ۶۰ گرم تريتيوم استفاده ميشود كه بازيافت خواهد شد. سوخت حاوي كسري از يك گرم تريتيوم است كه سه تا ۱۴ بار در روز درون توكامك پرتاب ميشود. ميلوكس مي‌گويد هر يك از اين شليك‌ها آزمايش جداگانه‌اي با پارامترهاي اندكي متفاوت خواهد بود و حدود ۳ تا ۱۰ ثانيه داده مفيد ايجاد مي‌كند. او مي‌گويد: «آنچه به دنبال آن هستيم، اطلاعات فيزيكي است كه بتوانيم از آن‌ها براي اعتبارسنجي درك خود استفاده كنيم و سپس آن را براي آماده كردن دستگاه آينده به كار ببريم.»
در برخي از آزمايش‌ها فقط از تريتيوم استفاده ميشود. در برخي ديگر تريتيوم و دوتريم در نسبت‌هاي مساوي با هم تركيب خواهند شد. هر دو آزمايش مهم هستند؛ زيرا يكي از اهداف اصلي، درك تأثير تريتيوم داراي جرم بيشتر روي رفتار پلاسما است (تريتيوم دو نوترون در هسته‌ي خود دارد؛ درحالي‌كه دوتريم يك نوترون و هيدروژن هيچ نوتروني ندارد). اين امر در پيش‌بيني تأثير استفاده از ايزوتوپ‌هاي مختلف در ايتر كمك خواهد كرد. جرم ايزوتوپ‌ها روي شرايط مورد نياز (مانند ميدان مغناطيسي، جريان و گرمايش خارجي) پلاسما براي رسيدن به وضعيت مهمي به نام محصور كردن پلاسما تأثير دارد (در اين حالت، ذرات داراي بيشترين انرژي درون گاز يونيزه باقي مي‌مانند و اين امر از انديشه متخصصين حفظ دماي پلاسما مهم است).
تفاوت مهم ديگر با آزمايش‌هاي سال ۱۹۹۷ اين است: جي‌اي‌تي به گونه‌اي بازسازي و اصلاح شده كه مواد داخلي كه از دستگاه دربرابر اثرات حرارت و بمباران نوتروني محافظت و ناخالصي‌ها را از پلاسما حذف مي‌كنند، با موادي كه در طراحي ايتر به كار رفته است، مطابقت داشته باشد. از آنجا كه اين مواد مي‌توانند به درون پلاسما بازتاب شوند و آن را سرد كنند، درك نحوه‌ي تعامل آن‌ها با فرايند همجوشي بسيار حياتي است. چاپمن مي‌گويد جديدترين نسل دانشمندان همجوشي هستهاي هرگز با تريتيوم كار نكرده‌اند؛ بنابراين انجام اين آزمايش‌ها اهميت بيشتري پيدا مي‌كند.
هم انديشي ها