بخش خصوصي در رؤياي ساخت اولين نيروگاه همجوشي هسته‌‌اي

در سال ۱۹۲۰، آرتور ادينگتون، اخترفيزيك‌‌شناس انگليسي، يك سخنراني در انجمن پيشرفت علوم درمورد ساختار دروني ستاره‌ها ايراد كرد. او در فرضيه‌‌ي خود گفت:

آنچه باعث درخشش خورشيد ما مي‌‌شود، نوعي واكنش هسته‌‌اي است. اين منبع انرژي، متفاوت از آن نوع انرژي زيراتمي است كه گمان مي‌‌رود در تمام مواد وجود دارد. ما گاهي در اين رؤيا به‌‌سر مي‌‌بريم كه روزي موفق به آزادسازي اين انرژي خواهيم شد و آن را به خدمت خود درخواهيم آورد. درصورت موفقيت در كنترل آن، اين منبع تمام‌‌نشدني خواهد بود.

ادينگتون اين فرض را مطرح كرد كه انرژي مورد انديشه متخصصين درخلال تبديل هسته‌‌ي اتم‌هاي هيدروژن به هسته‌ي اتم هليوم آزاد مي‌‌شود. او مي‌دانست كه يك جرم هسته‌‌ي هليوم كمي كم‌تر از جرم چهار هسته‌‌ي هيدروژن است و تصور مي‌‌كرد كه اين تفاوت جرم (مطابق فرمول E=mc2 كه بعدها توسط اينشتين كشف شد) بايد به انرژي تبديل شده باشد و همين انرژي براي حيات زرادخانه‌‌اي بزرگ همچون خورشيد كفايت مي‌‌كند. اتفاقا حق با او بود. او همچنين در مورد رؤياي مردم براي بهره‌برداري از اين انرژي نيز پيش‌‌بيني درستي كرده بود. اندكي پس اثبات انديشه متخصصينيات ادينگتون، جستجوي براي اين انرژي آغاز شد و تا همين امروز نيز رؤياي دستيابي به آن وجود دارد؛ چرا كه سوخت مورد نياز اين فرايند فراوان بوده و فرايند توليد انرژي كاملا عاري از كربن است.

تصويري از آرتور ادينگتون دركنار آلبرت ايشنتين

بااين‌حال، طي سال‌هاي اخير، روياي كنترل گداخت هسته‌اي توسط انسان با اندك تغييراتي مواجه شده است. از زمان ساخت راكتور زتا (ZETA) كه اولين تلاش ناشيانه‌‌ي بشر در دهه‌‌ي ۱۹۵۰ براي ساخت يك راكتور همجوشي در جنوب انگلستان بود، تا پروژه‌‌ي Iter، ماشين غول‌‌پيكري كه باصرف هزينه و بودجه‌‌ي فراوان اخيرا در جنوب فرانسه شروع به كار كرد، دولت‌‌ها تمام تلاش خود را براي سيطره بر اين فناوري به‌‌كار گرفته‌‌اند. اما امروزه ديگر روال كار تغيير يافته؛ چرا كه اكنون پاي منافع تجاري نيز به‌‌ميان آمده است. اكنون شركت‌هايي در آمريكاي شمالي و اروپا در حال طراحي و برنامه‌ريزي براي ساخت دستگاهي هستند كه اميدوارند روزي به‌‌عنوان راكتورهاي همجوشي سودآور به‌‌كار گرفته شود. براي هريك از اين پروژه‌ها، رويكردهايي متنوع و مقادير بودجه‌‌ي متفاوتي درانديشه متخصصين گرفته شده است؛ اما همه‌ي آن‌ها در يك ويژگي مشترك هستند: رؤياي به‌‌خاك‌‌سپاري اين ايده كه ما همچنان تا رسيدن‌‌به فرايند تجاري گداخت هسته‌‌اي بيش از ۳۰ سال فاصله داريم.

خوشبختانه، راه ميانبري نيز براي چنين واكنشي وجود دارد. بدين‌‌ترتيب كه ابتدا با بارگذاري اتم‌‌هاي هيدروژن توسط نوترون‌‌هاي اضافي، ذراتي را با نام دوتريوم يا تريتيوم توليد كنيم. در حقيقت، يكي از هر ۶هزار اتم هيدروژن روي زمين، دوتريوم است. اين بدان معنا است كه اين ماده را مي‌‌توان از آب استخراج كرد. اما تريتيوم ماده‌‌اي راديواكتيوي و ناياب به‌شمار مي‌آيد كه نياز است به‌‌شكلي مصنوعي توليد شود. بااين‌حال، انجام اين فرايند آسان است و مواد خام موردنياز براي آن، يعني ليتيوم، به‌‌وفور در دسترس قرار دارد.

دوتريوم و تريتيوم بسيار راحت‌‌تر از پروتون‌‌هاي ساده وارد واكنش مي‌‌شوند و به‌‌علاوه طي اين فرايند، تنها هليوم و يك نوترون اضافي توليد خواهد شد و هيچ‌‌گونه پوزيتروني نيز در كار نخواهد بود. تمام كاري كه براي داشتن يك راكتور همجوشي نياز است، طراحي و ساخت دستگاهي است كه بتواند تركيبي از دوتريوم و تريتيوم را براي مدت‌‌زمان كافي در در دما و دانسيته‌ي موردنياز براي شروع واكنش نگاه دارد؛ به‌‌گونه‌‌اي كه انرژي خروجي فرايند به‌‌ميزاني بيشتر از انرژي اوليه‌‌ي براي آغاز واكنش برسد. در هر ماشين پيشنهادي بايد نوعي مصالحه بين پارامترهاي دما، چگالي و زمان واكنش برقرار كرد. امروزه، تركيب مطلوب اين پارامترها در قالب مجموعه شرايطي با نام «معيار لاوسون» شناخته مي‌‌شود كه به‌‌افتخار تلاش‌‌هاي جان لاوسون در طراحي ماشين زتا نام‌‌گذاري شده است.

نمايي از پيشرفت پروژه‌ي Iter در سال ۲۰۱۵

اين روزها بيشتر تلاش‌ها براي رسيدن به معيار لاوسون با استفاده از ماشين‌هايي به‌نام توكامك (tokamak) انجام مي‌‌گيرند. اين دستگاه در دهه‌‌ي ۱۹۵۰ توسط آندري ساخاروف، فيزيكدان اهل شوروي ابداع شد. به‌‌واسطه‌‌ي ابداع همين مفهوم بود كه امروزه برخي از نمونه‌‌هاي تجاري مولد انرژي همجوشي همچنان به راه خود ادامه مي‌‌دهند. يكي از اين نمونه‌‌هاي دستگاه توكاماك، سيستم CFS) Commonwealth Fusion Systems)، محصولي از آزمايشگاه فيزيك پلاسماي مؤسسه‌‌ي تكنولوژي ماساچوست در كمبريج است. نمونه‌‌ي ديگر نيز دستگاه Tokamak Energy بوده كه توسط آزمايشگاه تحقيقاتي سازمان انرژي اتمي بريتانيا در كالهام طراحي شده است.

گذر از معيار لاوسن

دستگاه توكامك معمولي شامل يك تيوب توخالي (با ظاهري شبيه‌‌به يك دونات بزرگ) است كه نوعي الكترومگنت ابررسانا به‌‌دور آن پيچيده شده است. اين تيوب حاوي نوعي سوخت به‌‌شكل پلاسما حاوي دوتريوم و تريتيوم است (گازي كه در آن الكترون‌ها و هسته‌هاي اتمي از يكديگر جدا شده‌اند). آهن‌‌رباها باهدف گرم‌‌كردن پلاسما و محدود‌‌كردن آن به‌‌كار مي‌برند؛ بدين‌‌ترتيب كه چگالي پلاسما را حفظ مي‌‌كنند و آن را از ديواره‌‌ي تيوب دور نگه مي‌دارند؛ چراكه به‌‌محض تماس با ديواره، پلاسما دماي خود را از دست خواهد داد.

توكامك‌ها معمولا ماشين‌هايي با ابعاد بزرگ هستند. براي مثال، تيوب Iter حجمي معادل‌‌با ۸۳۰ متر مكعب دارد. حجم تيوب راكتور CFS حدود يك‌شصت‌‌وپنجم Iter است. علت توانايي كار چنين دستگاهي در اين ابعاد كوچك، وجود مگنت‌‌هاي قوي‌‌تر در آن است كه مي‌‌تواند پلاسما را در فشار بيشتري قرار دهد. براي حفظ حالت ابررسانايي در اين آهن‌ربا نياز به خنك‌‌كردن آن‌‌ها است؛ بنابراين با استفاده از نيتروژن مايع كه ارزان‌‌تر از هليوم مايع است، مي‌‌توان نسبت‌‌به خنك‌‌سازي اقدام كرد.

پژوهشگران در Tokamak Energy هم از ابررساناهاي خنك‌‌سازي‌‌شده توسط نيتروزن مايع براي مگنت‌‌هاي خود استفاده مي‌‌كنند. بااين‌حال، اين شركت بنابر دلايلي، از متخصصد شكل متعارف توكامك خودداري كرده است. دستگاه موردكاربرد شبيه سيبي است كه هسته‌‌هاي آن خارج شده باشند. انديشه متخصصينيه‌‌ي آن‌‌ها مي‌‌گويد پلاسما در چنين ساختار كروي‌شكلي، پايدارتر خواهد بود و درنتيجه راحت‌تر مي‌توان آن را كنترل كرد. همچنين برخلاف CFS، اين شركت در حال حاضر توانسته مجموعه‌اي از نمونه‌هاي اوليه‌‌ي در حال كار را بسازد كه آخرين آن‌ها تحت‌‌عنوان ST40، به دماي پلاسماي ۱۵ ميليون درجه‌‌ي سانتي‌‌گراد نيز دست يافته است. هدف اين شركت در عرض چند سال آينده آن است كه به دماي ۱۰۰ ميليون درجه‌‌ي سانتي‌‌گراد برسد. چنين چيزي، به‌‌معناي طي دوسوم از مسيري است كه براي رسيدن به دماي ۱۵۰ ميليون درجه‌‌اي (مطابق معيار لاوسون) نياز داريم.

تصوير مفهومي از ابعاد راكتور CFS

بااين‌حال، توكامك‌‌ها تنها راكتورهاي موجود نيستند. در ونكوور كانادا، شركتي به‌نام جنرال‌فيوژن در حال كار روي نوعي راكتور است كه از پديده‌اي به‌نام پيكربندي ميدان معكوس (FRC) استفاده مي‌كند. در اين شيوه، نيروي مغناطيسي محدودكننده توسط حركت ذرات باردار الكتريكي در پلاسما توليد مي‌شود؛ به‌‌طوري كه پلاسما در گردبادي مشابه حلقه‌‌ي دود مي‌چرخد.

در ماشين ساخته‌‌شده توسط جنرال‌‌فيوژن، پلاسماي تزريق‌‌شده به محفظه‌‌ي كروي راكتور، با اعمال نيروي هم‌زمان ازسوي صدها پيستون‌ متصل به اتاقك بيروني به‌‌سرعت فشرده مي‌‌شود. اين كار موجب ايجاد يك موج ضربه‌اي مي‌‌شود كه با فشرده‌‌سازي سوخت متشكل از دوتريوم و ترتيوم، چگالي پلاسما را به هزار برابر افزايش داده و دماي آن را از ۵ ميليون به ۱۵۰ ميليون درجه‌‌ي سانتي‌‌گراد مي‌‌رساند. بهبود چشمگير اين دو پارامتر مهم در معيار لاوسن بدان معنا خواهد بود كه كوچك‌‌بودن عامل سوم، يعني زمان ديگر تاثير چنداني نخواهد داشت. كريستوفر ماوري، رئيس شركت ژنرال فيوژن، اميدوار است با ساختن يك نمونه‌‌ي آزمايشي بتواند درست‌‌بودن ايده‌ي مذكور را اثبات كند.

شركت ديگري كه از رويكرد FRC استفاده مي‌كند، TAE نام دارد كه واقع‌در فوت‌‌هيل رنچ كاليفرنيا است. آخرين محصول اين شركت كه در ژوئيه‌‌ي ۲۰۱۷ رونمايي شد، يك ماشين ۲۵ متري به‌نام نورمن است كه به افتخار نورمن روستوكر، فيزيكدان پلاسما در دانشگاه كاليفرنيا نام‌‌گذاري شد. وي كه بنيان‌‌گذار شركت TAE بود، در سال ۲۰۱۴ چشم از جهان فرو بست.

نورمن يك راكتور استوانه‌اي است. تزريق‌‌كننده‌‌هاي پلاسما در دو سوي سيلندر به‌‌طور هم‌زمان جريان‌هاي FRC را با سرعتي حدود يك ميليون كيلومتربرثانيه به‌‌سوي هم شليك مي‌‌كنند. هنگامي‌كه اين جريان‌‌ها به‌‌يكديگرمي‌رسند، يك توده‌‌ي ابر سيگاري شكل به‌‌طول سه متر و عرض ۰.۵ متر تشكيل مي‌شود و باكمك پرتوهايي از اتم‌‌هاي دوتريوم كه از خارج به‌‌سوي آن شليك مي‌‌شود، به گردش خود ادامه مي‌‌دهد و به اين ترتيب حرارت و پايداري آن حفظ خواهد شد.

راكتور همجوشي طراحي‌شده توسط ژنرال فيوژن

تاكنون، دستگاه نورمن توانسته جريان‌‌هايي با دماي ۳.۵ ميليون درجه‌‌ي سانتي‌‌گراد توليد كند كه حدود ۱۰ ميلي‌ثانيه دوام آورده‌‌اند؛ مدت‌زماني مناسب كه نسبت‌‌به پايداري چند ميكروثانيه‌‌اي FRCهاي رايج موفقيت چشمگير به‌‌شمار مي‌‌آيد. TAE اميدوار است تا پايان سال جاري بتواند به دماي حدود ۳۰ ميليون درجه‌‌ي سانتي‌‌گراد دست يابد و در عين حال، عمر آن را به سه‌برابر برساند. همه اين‌ اقدامات هوشمندانه به انديشه متخصصين مي‌‌رسند؛ اما آنچه رويكرد شركت را خاص مي‌سازد، اين است كه مي‌خواهد به‌‌جاي دوتريوم از هيدروژن معمولي و بور استفاده كند. اين واكنش به‌‌جاي توليد هسته‌‌ي هليوم و يك نوترون، سه هسته‌‌ي هليوم توليد خواهد كرد. درواقع، نام TAE در اصل به انرژي TRI Alpha (به‌‌معناي سه آلفا) اشاره دارد؛ چراكه در رشته‌‌ي‌ فيزيك هسته‌اي، هسته‌‌ها‌‌ي منفرد هليوم به‌‌عنوان ذرات آلفا شناخته مي‌شوند.

اشكال روش جديد آن است كه ساير راكتور نوترون‌ها را جذب خواهد كرد و كل آن را تبديل به يك منبع راديواكتيو مي‌كند و درنهايت به ساختار آن آسيب مي‌رساند (هرچند اين ميزان راديواكتيويته، با آنچه در نيروگاه‌‌هاي شكافت هسته‌‌اي رخ مي‌‌دهد، اصلا قابل قياس نيست). همچنين هر گام از اين فرايند با اتلاف انرژي همراه است. بااين‌حال، روش پروتون-بور راهكار زيركانه‌‌تري براي توليد الكتريسيته ارائه مي‌كند؛ چراكه ذرات آلفا به‌‌طور مثبت باردار مي‌‌شوند و درنتيجه مي‌توانند جرياني را به‌‌شكل مستقيم درون يك رساناي خارجي القاء كنند؛ هيچ گرمايي در كار نخواهد بود و ذرات آلفا هرگز راهي براي فرار و آسيب به نقاط ديگر نخواهند داشت.

البته دراين‌ميان، اشكالاتي هم پيش‌‌رو است. گداخت به‌‌روش پروتون-بور نيازبه حرارتي در مقياس ميلياردها درجه‌‌ي سانتي‌‌گراد خواهد داشت. اين ميزان حرارت، بااختلاف، چندبرابر بزرگ‌تر از هر دمايي است كه تاكنون در آزمايش‌‌هاي گداخت به ثبت رسيده است. اگرچه اين دماهاي پلاسما تاكنون در مقياس آزمايشگاهي تحت شرايط محيطي ديگري استحصال شده است، اما هنوز مشخص نيست كه TAE چگونه مي‌‌خواهد در تجهيزات مورداستفاده‌ي خود بدان دست يابد.

ميگوي بزرگ

TAE در انتخاب سوخت مورد نياز براي فرايند گداخت خود كمي غيرمتعارف عمل كرده؛ اما ديگر شكل‌هايي از افراط‌گرايي نيز براي چنين فرايندي قابل‌‌تصور است و آن به طراحي خود راكتور بازمي‌‌گردد. افراطي‌‌ترين طرح ممكن احتمالا ازسوي شركت First Light Fusion از دانشگاه آكسفورد در حال پيگيري است. با اينكه اين شركت قصد دارد انرژي را از يك مخلوط معمولي از دوتريوم و ترتيوم استخراج كند، اما فناوري مورد استفاده ازسوي آن‌‌ها دراصل از يك ميگو الهام گرفته شده است.

نمايي از دستگاه نورمن طراحي‌شده از سوي TAE

ميگوهاي تپانچه‌‌اي موردتوجه نيكلايس هاوكر، بنيان‌‌گذار شركت First Light Fusion قرار گرفتند. دكتر هاوكر بااستنادبه نتايج مطالعه‌‌ي خود، به اين فكر افتاد كه آيا مي‌تواند از اين روش شكار ميگو براي ايجاد پلاسمايي بهره ببرد كه بتواند به معيارهاي لاوسن دست يابد يا خير.

هسته‌‌ي اولين طراحي راكتور First Light، وسيله‌اي است كه در آن نيمي از يك چنگال ميگو با پرتابه‌‌اي از يك ديسك كوچك آلومينيومي يا مسي جايگزين شده است. اين پرتابه توسط نيم ديگر چنگال كه متشكل‌‌از يك مكعب با ابعاد ۱۰ ميلي‌‌متر با حفره‌‌اي از سوخت در ميان آن است، با سرعت ۳۰ كيلومتر در ثانيه پرتاب مي‌‌شود. ضربه‌‌ي اين پرتابه، باعث ايجاد امواج شوك و درنتيجه حباب‌هاي كاويتاسيون مي‌شود. بنابر محاسبات، وقتي كه اين حباب‌ها مي‌‌تركند، دوتريوم و تريتيوم درون حباب‌‌ها براي مدت زمان كافي در فضايي فشرده قرار خواهند گرفت كه براي انجام يك فرايند گداخت كفايت مي‌‌كند. آزمايش‌‌هاي طراحي‌شده در پايان سال جاري مشخص خواهند كرد كه آيا اين محاسبات واقعا صحيح بوده‌‌اند يا خير.

فرصتي براي سرازيركردن سرمايه‌ها

با اين تفاسير، به‌‌انديشه متخصصين مي‌‌رسد امروزه هيچ‌‌گونه كمبودي ازلحاظ ايده‌‌هاي مربوط‌به نحوه‌‌ي ساخت يك راكتور هم‌‌جوشي وجود ندارد. اما اولين پرسشي كه هر سرمايه‌گذاري با آن مواجه است، شايد اين باشد كه چه‌زماني چنين ايده‌‌هايي به مرحله‌‌ي عملي خواهند رسيد. در زمينه‌‌ي فناوري گداخت، مهم‌‌ترين چشم‌‌انداز پيش‌‌رو اين است كه بتوانيم به مرحله‌‌ي صرفه برسيم؛ يعني نقطه‌‌اي كه انرژي خروجي از گداخت پلاسما بيشتر از انرژي واردشده به آن شود.

در اين داستان، هركدام از بازيگران، چشم‌‌انداز روشن خود را به تصوير مي‌‌كشند. CFS قصد دارد تا سال ۲۰۲۵ به اين چشم‌‌انداز دست يابد. Tokamak Energy نيز هدفي مشابه دارد. TAE مي‌گويد كه دستگاه بعدي اين شركت نه‌تنها به مرحله‌‌ي صرفه خواهد رسيد، بلكه نمونه‌اي نمايشي از يك نيروگاه برق خواهد بود. درحقيقت، اين شركت ادعا دارد كه تا سال ۲۰۳۰ اولين نيروگاه هم‌‌جوشي خود را وارد مدار شبكه‌‌ي سراسري برق خواهد كرد. توكامك نيز مي‌‌گويد اين همان سالي خواهد بود كه اولين نيروگاه هم‌‌جوشي در مقياس شبكه با ظرفيت ۱۰۰ مگاوات برق آغاز به‌‌كار خواهد كرد. First Light Fusion نيز پيش‌بيني مي‌كند كه راكتورهاي داراي اين فناوري از دهه‌‌ي ۲۰۳۰ وارد مدار خواهند شد.

ساختگاه گداخت هسته‌اي شركت First Light Fusion

البته بايد تمامي اين خوش‌‌بيني‌‌ها را بايد به‌‌ديده‌‌ي احتياط نگريست؛ به‌‌خصوص اينكه ما با شركت‌‌هايي خصوصي طرف هستيم كه براي انجام آزمايش‌‌هاي آتي خود نيازمند سرمايه‌‌گذاري‌هايي كلان‌تر هستند. بااين‌حال، سرمايه‌‌گذاري‌‌ها در حال افزايش‌ هستند. TAE تاكنون توانسته بيش‌‌از ۶۰۰ ميليون دلار سرمايه از بخش خصوصي جذب كند. جنرال فيوژن نيز بيش از ۱۰۰ ميليون دلار، Tokamak Energy، مبلغ ۶۵ ميليون دلار و First Light كه هنوز در مراحل اوليه‌‌ي پيشرفت است، توانسته حدود ۳۲ ميليون دلار سرمايه جذب كند.

بي‌‌شك، در اين راه با چالش‌هاي مختلفي مواجه خواهيم بود. همان‌‌طور كه استفن دين از اتحاديه‌‌ي انرژي هم‌‌جوشي مي‌‌گويد:

تاريخ فناوري هم‌‌جوشي نمي‌‌تواند با قاطعيت به شما بگويد اشكالي در اين مسير وجود نخواهد داشت. شما مي‌دانيد كه مدت ۵۰ سال است كه در آن بوده‌ايم و هميشه اشكالي وجود داشته است.

با اين وجود، او همچنين مي‌گويد كه هيچ‌‌گونه‌ مانع جدي‌ بر سر راه اين شركت‌‌هاي خصوصي نمي‌‌بيند: «همه‌‌ي آن‌‌ها براساس اصول فيزيكي خوبي بنا شده‌‌اند و افراد خوبي براي هدايت اين پروژه‌‌ها گمارده شده‌‌اند.» نهايتا دستاورد اين تلاش، در تصورها هم نخواهد گنجيد. اگر حتي يكي از اين شركت‌هاي نوپا هم موفق شود، تأمين برق جهان به‌‌شيوه‌‌اي بدون كربن و براي هميشه تضمين خواهد شد.