همجوشي هسته‌اي؛ انرژي نامحدود و پاك

زماني‌كه دانشمندان در اوايل قرن بيستم، هسته‌ي اتم را شكافتند، تصور مي‌كردند كه توانسته‌اند نحوه‌ي شكل‌گيري عالم از ذرات كوچك را بشناسند. آنچه كه آن‌ها نمي‌دانستند اين بود كه به مكانيزمي دست يافته‌اند كه مي‌تواند در توليد انرژي و همچنين ساخت بمب متخصصد داشته باشد. ارنست رادرفورد، از اولين كساني بود كه آزمايش‌هاي مربوط به شناخت ساختار اتم را انجام داد. به‌گفته‌ي او، اين تصور اشتباه است كه مي‌توان با تغيير ساختار اتم به انرژي دست پيدا كرد. امروزه‌ ثابت شده است كه مي‌توان با تغيير ساختار اتم از آن انرژي گرفت؛ بنابراين رادرفورد در اشتباه بود.

براي نمونه بمب اتمي ابزاري است كه با تغيير دادن هسته‌ي اورانيوم يا پلوتونيوم، منجر به توليد انرژي مي‌شود. در حالت كلي مي‌توان به دو روش شكافت و همجوشي،‌ انرژي هسته‌اي توليد كرد. شكافت هسته‌اي (Nuclear Fission) روشي است كه منجر به توليد زباله‌هاي هسته‌اي خواهد شد، در حالي‌كه همجوشي هسته‌اي (Nuclear Fusion) روشي پاك‌تر و ايمن‌تر براي توليد انرژي هسته‌اي محسوب مي‌شود. 

شايد در ابتدا عجيب به انديشه متخصصين برسد، اما هر كاري كه هم‌اكنون انجام مي‌دهيد، مانند تنفس،‌ راه رفتن يا فكر كردن و هر پديده‌اي كه در اطراف خود مي‌بينيد، به‌طور غير مستقيم با فرايند جوش هسته‌اي رخ‌داده‌شده در خورشيد، ارتباط دارد. اگر مي‌توانستيد به درون هسته‌ي خورشيد سفر كنيد، خواهيد ديد كه در آنجا اتم‌هاي هيدروژن با يكديگر تركيب و منجر به توليد هليوم مي‌شوند. بنابراين جوش هسته‌اي، واكنشي است كه در آن دو يا چند اتم با يكديگر تركيب مي‌شوند و عنصر جديدي را ايجاد مي‌كنند.

اختلاف ميان جرم اتم‌هاي اوليه و اتم‌هاي جديد توليدشده، معادل با انرژي است كه مي‌تواند توليد يا جذب شود. تفاوت عمده‌اي ميان هسته‌ي خورشيد و يك نيروگاه وجود دارد، بنابراين چطور مي‌توان انرژي ناشي از جوش هسته‌اي را در زمين ايجاد كرد؟ پژوهش‌ها نشان داده كه روش بهتر، استفاده از ايزوتوپ‌هاي سنگين‌تر هيدروژن است. اين ايزوتوپ‌ها به دليل سنگين‌تر بودن، ناپايدار‌تر هستند و فرايند جوش هسته‌اي را مي‌توان با انرژي كم‌تري انجام داد.

اتم معمولي هيدروژن داراي يك پروتون و يك الكترون است و نوتروني در خود ندارد. اين در حالي است كه ايزوتوپ‌هاي تريتيوم و دوتريوم به ترتيب داراي دو و يك نوترون هستند. بنابراين مي‌توان با تركيب يك اتم از دوتريوم و يك اتم از تريتيوم، اتمي پايدار از هليوم ساخت. در واكنش‌هاي شيميايي، اگر مجموع جرم فرآورده‌ها سنگين‌تر از واكنش‌‌دهند‌ه‌ها باشد، فرايند، گرماده محسوب مي‌شود. در فرايند هجوشي هسته‌هاي هيدروژن نيز اين حالت وجود دارد. بنابراين با توجه به پايدار‌تر بودن اتم‌هاي هليوم، فرايند انرژي‌زا يا گرماده است.

انرژي آزادشده در نتيجه‌ي فرايند همجوشي معادل با انرژي ذخيره‌شده در چندين تن سوخت فسيلي محسوب مي‌شود. در دهه‌هاي اخير تلاش بر اين بوده است تا به‌جاي نيرو‌گا‌ه‌هاي مبتني بر فرايند شكافت هسته‌اي، از نيروگاه‌هايي استفاده شود كه انرژي آن‌ها در نتيجه‌ي فرايند همجوشي هسته‌اي توليد مي‌شود. همان‌طور كه اشاره شد، مبناي ايجاد فرايند همجوشي هسته‌اي در آزمايشگاه، استفاده از ايزوتوپ‌هاي هيدروژن است. از انديشه متخصصين تئوري اين امر ساده به انديشه متخصصين مي‌رسد، اما تاكنون كسي نتوانسته است با استفاده از اين فرايند، انرژي در مقياس صنعتي توليد كند؛ دليل اين امر، اشكال بودن كنترل انرژي توليدشده است.

براي ايجاد فرايند جوش هسته‌اي، بايد دو اتم هيدروژن را به‌اندازه‌ي كافي به يكديگر نزديك كرد. هسته‌ي اتم داراي بار خالص مثبت است، در نتيجه دو هسته يكديگر را دفع مي‌كنند و نزديك كردن آن‌ها به‌يكديگر كار اشكالي خواهد بود. هرچه دو هسته بيشتر به هم نزديك شوند، انرژي بيشتري براي نگه داشتن آن‌ها نياز است. در ستاره‌هايي مثل خورشيد، نيرويي كه دو اتم را كنار يكديگر نگه مي‌دارد، همان گرانش است.

در ابتدا با استفاده از ليزر‌ به لايه‌ي بيروني حرارت منتقل مي‌شود، سپس لايه‌ي حرارت ديده‌شده به سمت بيرون پرتاب و باعث مي‌شود كه اتم‌هاي درون آن فشرده شود و فرايند همجوشي رخ دهد. در حقيقت موج ضربه‌اي ايجادشده در درون كپسول باعث فشرده شدن اتم‌ها به يكديگر و رخ دادن همجوشي مي‌شود. نمونه‌اي از محصورسازي لختي در آزمايشگاه ملي بركلي در كاليفرنيا انجام شد. در اين روش به‌طور هم‌زمان از ۱۲۹ ليزر براي حرارت‌دهي به كپسول حاوي هيدروژن استفاده شد. علاقه‌مندي مهندسان و دانشمندان به استفاده از فرايند همجوشي هسته‌اي به‌جاي فرايند شكافت هسته‌اي، آينده هيجان‌انگيزي را در حوزه‌ي تأمين انرژي رقم خواهد زد، زيرا بشر در تلاش است تا خورشيدي مصنوعي را در زمين ايجاد كند.

شكافت هسته‌اي

شكافت هسته‌اي هنگامي اتفاق مي‌افتد كه نوترون با هسته‌ي برخي از اتم‌هاي سنگين برخورد مي‌كند. اين فرايند باعث مي‌شود كه هسته‌ي اصلي به دو يا چند عنصر نامساوي تقسيم شود؛ بيشتر انرژي شكافت به انرژي جنبشي تبديل مي‌گردد. در اين فرايند يك اتم سنگين مانند اورانيوم به دو اتم سبك‌تر تبديل مي‌شود. وقتي هسته‌اي با عدد اتمي زياد شكافته شود، براساس فرمول اينشتين، مقداري از جرم آن به شكل انرژي، آزاد مي‌گردد.

همجوشي هسته‌اي فرايند تركيب دو هسته‌ي سبك‌تر به يك هسته‌ي پايدار و سنگين‌تر است؛ در اين حالت مقدار زيادي انرژي نيز آزاد مي‌شود. اين موضوع به اين دليل است كه جرم هسته‌ي توليدي كمتر از جرم دو هسته‌اي است كه باهم تركيب شده‌اند؛ به اين معنا كه بخشي از جرم به انرژي تبديل شده است. انرژي توليدشده‌ي ناشي از همجوشي بسيار زياد است به‌نحوي كه آن را در قالب پلاسما كنترل مي‌كنند. در فرايند هم‌جوشي هسته‌اي، هسته‌هاي سبك مانند هيدروژن، دوتريوم و تريتيوم با يكديگر جوش داده مي‌شوند و هسته‌هاي سنگين‌تر و مقداري انرژي توليد مي‌شود.

دوتريوم يا هيدروژن سنگين همان عنصر هيدروژن است كه علاوه بر پروتون يك نوترون نيز درون هسته‌ي آن وجود دارد. حال اگر يك نوترون به دوتريوم اضافه كنيم، تريتيوم حاصل مي‌شود. بسياري اوقات، مردم فكر مي‌كنند همجوشي هسته‌اي شبيه به شكافت هسته‌اي است و اين دو تفاوت كمي با يكديگر دارند. شكافت هسته‌اي همان چيزي است كه هم‌اكنون در نيروگاه‌هاي هسته‌اي مرسوم، از آن استفاده مي‌كنيم، ولي همجوشي هسته‌اي پديده‌اي كاملا متفاوت است. شكافت هسته‌اي به‌معني تبديل اتم‌هاي بزرگي مثل اورانيوم ۲۳۵ به اتم‌هاي كوچك‌تر است. اين واكنش انرژي زيادي آزاد مي‌كند، ولي نقاط ضعف بسياري هم دارد.

واقعيت اين است كه خارج از نيروگاه‌هاي همجوشي و در طبيعت، ما هر روز اثر اين واكنش را احساس مي‌كنيم؛ همجوشي هسته‌اي همان چيزي است كه در مركز خورشيد رخ مي‌دهد. خورشيد يك رآكتور عظيم همجوشي هسته‌اي است كه هيدروژن را به عناصر سنگين تبديل مي‌كند و نور و گرماي حاصل از واكنش را براي ما كه روي زمين هستيم، ارسال مي‌كند. همجوشي هسته‌اي يك منبع انرژي عالي و بي‌نقص است. يك نيروگاه همجوشي مي‌تواند به‌اندازه‌ي سه تا چهار برابر نيروگاه شكافت هسته‌اي مشابه، برق توليد كند.

انرژي همجوشي هسته‌اي اصلا آلاينده نيست و ماده‌ي خام خوراك رآكتورهاي همجوشي هسته‌اي عناصر وافري چون هيدروژن هستند؛ هيدروژن فراوان‌ترين عنصر جهان ما است. اين نيروگاه‌ها تقريبا هيچ پسماند راديواكتيوي از خود باقي نمي‌گذارند و بنابراين آلايندگي آن‌ها صفر است. پسماند هيدروژن، يكي ديگر از عناصر فراوان دنيا يعني هليوم است. اگر در نيروگاه‌هاي همجوشي هسته‌اي اشكالي ايجاد شود، انفجار و فاجعه‌هاي پس از آن به‌وجود نمي‌آيد، آن‌ها فقط از كار مي‌افتند. دانيل كلري در مقايسه با نيروگاه‌هاي همجوشي هسته‌اي و نيروگاه‌هاي سوخت فسيلي مي‌گويد:

يك نيروگاه يك گيگاواتي زغالي در هر روز به ۱۰ هزار تن زغال‌سنگ احتياج دارد. در عوض، مقدار ليتيومي كه در باتري يك لپ‌تاپ معمولي وجود دارد و مقدار دوتريومي كه در ۴۵ ليتر آب موجود است، مي‌تواند از طريق فرايند همجوشي آن‌قدر انرژي توليد كند كه براي مصرف ۳۰ سال كل بريتانيا كافي باشد.

طنز تلخ درباره‌ي همجوشي هسته‌اي است كه هميشه گفته‌ايم فناوري استحصال اقتصادي و گسترده‌ي آن، تا ۳۰ سال ديگر محقق مي‌شود و دهه‌ها است آن را تكرار مي‌كنيم. چيزي كه باعث مي‌شود رسيدن به فناوري همجوشي اشكال باشد، عدم علاقه‌ي هسته‌ي اتم‌ها به جوش خوردن با يكديگر است. هسته‌ي اتم هيدروژن داراي يك پروتون است و بنابراين بار الكتريكي مثبت دارد و وقتي مي‌خواهيد يك هسته‌ي اتم هيدروژن ديگر را به آن جوش بدهيد، به‌دليل اينكه هر دو داراي بار مثبت هستند، در برابر جوش خوردن مقاومت مي‌كنند. تنها راه اين است كه به زور اين كار را انجام دهيد و آن‌قدر دماي اتم‌ها را بالا ببريد كه به پلاسما تبديل شوند.

اگر پلاسمايي خيلي جديد داشته  باشيد، بعضي از هسته‌ها چنان محكم به يكديگر برخورد مي‌كنند كه به يكديگر جوش مي‌خورند. براي انجام اين فرايند، به دما و فشار خيلي زيادي احتياج است. اشكال اين است كه ما روي زمين بايد شرايط قسمت مركزي خورشيد را بازسازي كنيم؛ خورشيدي كه جرمش ۳۳۰ هزار برابر زمين است و دماي مركز آن به ۱۷ ميليون درجه‌ي سانتيگراد مي‌رسد. نكته‌ي بد اين‌جا است كه چون روي زمين به‌اندازه‌ي خورشيد سوخت هيدروژن در اختيار نداريم، بايد دما را به ۱۰۰ ميليون درجه‌ي سانتيگراد برسانيم.

اشكال دوم اين است كه ماده در شكل پلاسما رفتارهاي عجيبي از خود نشان مي‌دهد؛ پلاسما شكل چهارم ماده است و نه مايع است، نه جامد و نه گاز. وقتي پلاسما را در دما و فشار خيلي زياد قرار مي‌دهيد، به‌شدت ناپايدار مي‌شود. براي كنترل شرايط ناپايدار آن نيز از تجهيزات معمولي نمي‌توان استفاده كرد چرا كه در دماي ۱۰۰ ميليون درجه، هر ماده‌ي جامدي را نه مذاب، بلكه بخار مي‌كند. به نوعي ما بايد روي زمين يك ستاره بسازيم و آن‌قدر اين كار چالش‌برانگيز است كه بشر براي رسيدن به آن، بايد پيچيده‌‌ترين و بزرگ‌ترين فناوري‌هاي تاريخ را درست كند. مزيت همجوشي هسته‌اي نسبت به شكافت هسته‌اي عبارت است از:

خورشيد و ستار‌ه‌ها

دانشمندان واكنشي را كه در خورشيد و ستارگان رخ داده است و در آن انرژي توليد مي‌كند، سال‌ها پيش كشف كرده‌اند. اين واكنش عبارت است از تركيب (برخورد) هسته‌هاي چهار اتم هيدروژن معمولي و توليد يك هسته اتم هليوم؛ اما اشكالي سر راه اين انديشه متخصصينيه است. بالاترين دمايي كه در خورشيد وجود دارد مربوط به مركز آن است كه برابر ۱۵ ضرب در ۱۰ به توان ۶ است. در حالي كه در ستارگان بزرگتر اين دما به ۲۰ ضرب در ده به توان ۶ مي‌رسد. به‌ همين دليل تصور بر اين است كه آن واكنش معروف تركيب چهار اتم هيدروژن معمولي و توليد يك اتم هليوم در ساير ستارگان بزرگ نيست كه باعث توليد انرژي مي‌شود، بلكه احتمالا چرخه‌ي كربن در آن‌ها به كمك آمده است و كوره‌ي آن‌ها را روشن نگه مي‌دارد.

منظور از چرخه‌ي كربن آن چرخه‌اي نيست كه روي زمين اتفاق مي‌افتد، بلكه به اين صورت است كه ابتدا يك اتم هيدروژن معمولي با يك اتم C۱۲ تركيب مي‌شود (همجوشي) و يك اتم N۱۳ را به‌همراه يك واحد پرتو گاما آزاد مي‌كند. بعد اين اتم با يك واپاشي به يك اتم C۱۳، يك پوزيترون و يك نوترينو تبديل مي‌شود. سپس اين C۱۳ دوباره با يك اتم هيدروژن تركيب مي‌شود و N۱۴ و يك واحد گاما حاصل مي‌شود. دوباره در اثر تركيب اين نيتروژن با يك هيدروژن معمولي، اتم O۱۵ و يك واحد گاما توليد مي‌شود. سپس در اثر واپاشي N۱۵ ،O۱۵، يك پوزيترون و يك نوترينو به‌وجود مي‌آيد.

نوترون بدون بار و پروتون با بار مثبت كه ساير بارهاي مثبت را به‌شدت از خود مي‌راند. اگر پروتون‌ها (هسته‌هاي هيدروژن) يكديگر را دفع مي‌كنند، چگونه مي‌توان آن‌ها را در همجوشي شركت داد؟ همان‌طور كه حدس زديد راه‌حل اساسي آن است كه به اين پروتون‌ها آن قدر انرژي بدهيم كه انرژي جنبشي آن‌ها بيشتر از نيروي دافعه كولني آن‌ها شود و پروتون‌ها بتوانند به‌اندازه‌ي كافي به هم نزديك شوند. حال چگونه اين انرژي جنبشي را توليد كنيم؟ گرما راه‌حل خوبي است. در اثر افزايش دما جنب‌و‌جوش يا انرژي جنبشي ذرات بيشتر و بيشتر مي‌شود، به‌طوري كه تعداد برخوردها و شدت آن‌ها بيشتر مي‌شود. به انديشه متخصصين شما آيا ديگر اشكالي وجود ندارد؟ 

يك سماور پر از آب را تصور كنيد؛ وقتي سماور را روشن مي‌كنيد با اين كار به آب درون سماور گرما مي‌دهيد (انرژي منتقل مي‌كنيد). در اثر اين انتقال انرژي دماي آب رفته‌رفته بالاتر مي‌رود و جنب‌و‌جوش مولكول‌هاي آب زياد مي‌شود. در اين حالت بين مولكول‌هاي آب برخوردهايي پديد مي‌آيد. هر مولكول كه از شعله (يا هر چيز ديگري) مقداري انرژي دريافت كرده است آنقدر جنب‌و‌جوش مي‌كند تا بالاخره (به‌علت محدود بودن محيط سماور و آب) انرژي خود را به ديگري بدهد. مولكول بعدي نيز به‌نوبه‌ي خود همين عمل را انجام مي‌دهد. در نتيجه رفته‌رفته انرژي منبع گرما در تمام آب پخش مي‌شود و دماي آب بالا مي‌رود.

آيا وقتي بدنه‌ي سماور را لمس مي‌كنيم هيچ گرمايي حس نمي‌كنيم؟ بله حس مي‌كنيم. دليلش برخورد مولكول‌هاي پرانرژي آب با بدنه‌ي سماور و انتقال انرژي خود به آن است؛ هدف ما از روشن كردن سماور گرم كردن آب بود نه سماور. اميدوارم تا اينجا پاسخ اولين اشكال اساسي بر سر راه همجوشي را دريافت كرده باشيد. بله اگر با صرف هزينه و زحمت بالا سوخت را به دمايي معادل ميليون‌ها درجه كلوين برسانيم آيا اين اتم‌ها آنقدر صبر خواهند كرد تا با ديگر اتم‌ها وارد واكنش شوند يا در اولين فرصت انرژي بالاي خود را به ديواره مي‌دهد و آن را نابود مي‌كند؟ بنابراين نياز به محصورسازي داريم، يعني بايد به طريقي اجازه ندهيم كه اين گرما به ديواره منتقل شود؛ شروع واكنش همجوشي به دماي بسيار بالايي نيازمند است.

درست است كه دماي ۱۵ ميليون درجه دماي بسيار بالايي است و تصور به‌وجود آوردنش روي زمين اشكال و كمي هم وحشتناك است، ولي معمولا در زندگي روزمره اطرافمان دماهاي خيلي بالايي وجود دارند و ما از آن‌ها غافل هستيم. مثلا وقتي در اثر اتصالي سيم‌هاي برق داخل جعبه‌تقسيم مي‌سوزد و شما صداي جرقه‌ي آن‌را مي‌شنويد و پس از مطالعه متوجه مي‌شويد كه كاملا ذوب شده است فقط به‌دليل دماي وحشتناكي بوده كه آن داخل به‌وجود آمده است. اين دما به‌حدود چهل هزار درجه‌ي كلوين مي‌رسد؛ البته اين دما براي همجوشي حكم طفل ني‌سواري را دارد.

همچنين مي‌توانيم با استفاده از ولتاژهاي بسيار بالا قوس‌هاي الكتريكي را از درون لوله‌هاي موئين عبور بدهيم. به اين ترتيب دماي هواي داخل لوله كه اكنون به پلاسما تبديل شده است حدود چند ميليون درجه مي‌رسد (كه باز هم براي همجوشي كم است). يكي از بهترين راه‌ها استفاده از ليزر است و مي‌دانيد كه ليزرهايي با توان‌هاي بسيار بالا ساخته شده‌اند، مثلا نوعي از ليزر به‌نام ليزر نوا (NOVA) مي‌تواند در مدت كوتاهي انرژي معادل ۱۰ به توان پنج ژول توليد كند.

تا به حال معمولا دو ايزوتوپ هيدروژن، يعني دوتريوم و تريتيوم انتخاب مي‌شدند. كار كردن با اين اتم‌ها ساده‌تر است چرا كه در دماي نسبتا كم ۱۰۰ ميليون درجه‌ي سانتي‌گراد دچار همجوشي مي‌شوند؛ به‌كارگيري اين اتم‌ها نيز خالي از اشكال نيست. مسئله‌ي اول اين است كه تريتيوم، ايزوتوپي نسبتا نادر است. دوم اينكه واكنش دوتريوم-تريتيوم در كنار توليد پسماند ايزوتوپي از هليوم، يك نوترون هم باقي مي‌‌گذارد. اين به خودي خود اشكال‌زا است، چراكه وقتي تعداد زيادي نوترون آزاد را به سمت چيزي پرتاب مي‌كنيد، در نهايت پرتوزا مي‌شود، در نهايت شما نياز خواهيد داشت كه مرتب قسمت‌هايي از رآكتور را به‌دليل پرتوزا شدن تعويض كنيد. بيندرباور، انتقادهاي زيادي را به استفاده از دوتريوم و تريتيوم وارد مي‌كند او مي‌گويد:

اصلا فرض كنيم كه پروژه‌ي ITER با موفقيت به اتمام برسد. حتي آن زمان هم بايد سال‌هاي زيادي را صرف يافتن موادي براي ساخت قسمت‌هاي مختلف رآكتور بكنيم كه بتواند در آن اوضاع جهنمي بمباران شديد نوتروني، ۶ تا ۹ ماه دوام آورد.

مهندسان هم‌اكنون نيز در حال كار كردن روي راه‌حل‌هايي هستند. گرداب فلز مايع در رآكتور جنرال فيوژن تركيبي از سرب و ليتيوم است كه مي‌تواند نوترون‌هاي آزاد را جذب كند. هرچند اين كار جايزه هم دارد، يعني اينكه وقتي نوترون‌ها به ليتيوم برخورد مي‌كنند، تريتيوم به‌وجود مي‌آيد. رآكتور شركت هليون انرژي، دوتريوم و هليوم ۳ را همجوشي مي‌دهد كه اين باعث مي‌شود نوترون‌هاي آزاد كمتري توليد شود. با اين حال اشكال اين است كه اين همجوشي به دماي بيشتري احتياج دارد و هليوم ۳ هم خيلي نادر است. شركت تري‌آلفا قصد دارد كه در آينده، پروتون‌ها (همان هسته‌ي هيدروژن) را با بورون ۱۱ همجوشي دهد. اين واكنش هيچ نوتروني توليد نمي‌كند و هر دو عنصر در طبيعت فراوان هستند. بيندرباور در ادامه مي‌گويد:

ما هميشه مي‌گوييم كه اگر كسي مي‌خواهد نيروگاه ما را بخرد، مي‌توانيم به‌صورت مادام‌العمر سوخت آن را مجاني تأمين كنيم.

اما اشكال بزرگ اين واكنش آنجا است كه همجوشي پروتون-بورون ۱۱ به دماي وحشتناك بالاي ۳ ميليارد درجه‌ي سانتيگراد احتياج دارد؛ به‌همين دليل است كه هيچ‌كس به جز تري‌آلفا دوست ندارد سراغ اين ايده برود؛ كسي نمي‌داند در اين دما پلاسما چگونه رفتار مي‌كند. تقريبا همه به ايده‌ي تري‌آلفا بدبين هستند و چالش‌هاي مهندسي همجوشي دوتريوم و تريتيوم را ترجيح مي‌دهند. دنيس وايت، كه مدير مركز همجوشي و علوم پلاسما در MIT است، مي‌گويد:

همين الان ايجاد فرايند همجوشي، حتي با دوتريوم و تريتيوم كار بسيار اشكالي است. هر عنصر ديگري را كه مي‌خواهيم انتخاب كنيم، بايد ببينيم همجوشي دادن آن چند برابر سخت‌تر از دوتريوم و تريتيوم است.

لابرژ نيز همينطور فكر مي‌كند؛ او مي‌گويد:

انگار قبل از اينكه ياد گرفته باشيم راه برويم، بخواهيم بدويم. يا حتي قبل از اينكه بتوانيم راه‌برويم، بخواهيم پرواز كنيم. مي‌توان گفت همين الان شركت جنرال فيوژن خيلي بلند‌پرواز است كه مي‌خواهد همجوشي انجام بدهد، ولي تري‌آلفا ديگر واقعا به‌طرز ديوانه‌واري بلند‌پرواز است.

توكامك‌ها و استلراتورها

ماشين عظيم يك ميليارد يورويي كه آلماني‌ها براي ۲۰ سال روي آن كار مي‌كردند، چند سال پيش به كار افتاد. اين ماشين نوعي رآكتور همجوشي هسته‌اي به‌نام استلراتور است؛ ماشيني كه آلماني‌ها اسمش را وندلشتان هفت-ايكس (Wendelstein 7-X) گذاشته‌اند. در آغاز، دانشمندان به مدت دو ماه اين ماشين را با گاز هليوم پر مي‌كنند. هليوم يك گاز بي‌اثر است و پژوهشگران با استفاده از آن مي‌خواهند مطمئن شوند كه مي‌توانند به‌طور مؤثر، اين گاز را كنترل كنند و دماي آن را بالا ببرند. در پايان ماه ژانويه‌ي سال بعد، آزمايش‌ها با گاز هيدروژن آغاز مي‌شود.

در نتيجه دانشمندان مي‌توانند با همجوشي ايزوتوپ‌هاي هيدروژن، به منبعي قابل اعتماد براي به دست آوردن انرژي پاك و بي‌انتها دست يابند. اين ماشين يك ميليارد يورويي در حقيقت حلقه‌اي به قطر ۱۶ متر دارد كه تجهيزات مختلف عجيب‌و‌غريبي به بدنه‌ي آن نصب شده و سيم‌هاي زيادي از آن آويزان است. همچنين تكنسين‌هاي زيادي مرتب در حال كار كردن با قسمت‌هاي مختلف آن هستند.

با اين حال ساخت استلراتورها اشكال‌تر است و ممكن است برخلاف انتظار، هزينه و تأخير در ساخت آن‌ها بيشتر از ساخت توكامك‌ها شود. وندلشتاين 7-X مي‌تواند يك نقطه‌ي عطف باشد. اين ماشين كه در مؤسسه‌ي تحقيقات فيزيك پلاسماي مكس‌پلانك آلمان قرار دارد، اولين مثال بزرگ از استلراتورهايي است كه توسط ابركامپيوترها طراحي شده‌اند. اگر اين ماشين بتواند مثل توكامكي در همين اندازه عملكرد داشته باشد، پژوهشگران اين حوزه مي‌توانند مسير جديدي در همجوشي هسته‌اي ترسيم كنند. ديويد اندرسون، از دانشگاه ويسكانسين مديسون مي‌گويد:

كساني كه روي توكامك‌ها كار مي‌كنند، خيلي دوست دارند ببينند نتيجه چه مي‌شود و هيجان‌زده هستند.

وندلشتاين 7-X نخستين استلراتور بزرگ جهان است و با استفاده از پيچيده‌ترين مدل‌هاي مهندسي ساخته شده است و مي‌تواند بازه‌هاي دمايي خيلي زياد و نيروهاي شديد را تحمل كند. اگر درباره‌ي انرژي همجوشي هسته‌اي مطالعه كرده باشيد، حتما در مورد توكامك‌ها هم خوانده‌ايد. اين ماشين‌ها براي اين ساخته شده‌اند كه بتوانند گاز يونيزه‌شده به‌نام پلاسما را در ميدان‌هاي مغناطيسي به دام بيندازند و آن را به دماي بسيار زياد برسانند. بدين ترتيب هسته‌هاي هيدروژن به‌هم جوش مي‌خورند. 

راكتور گرماهسته‌اي آزمايشي بين‌المللي (ITER) يا آيتر، بزرگ‌ترين طرح يك رآكتور همجوشي هسته‌اي است كه تاكنون طراحي شده است.

توكامك‌ها، ستون فقرات پيشبرد پژوهش‌هاي هسته‌اي هستند و ساخت آن‌ها نسبتا آسان است، با اين حال از زماني‌كه به‌وجود آمده‌اند، پيشرفت خيلي زيادي نكرده‌اند. يكي از راه‌هاي رايج‌تر براي ايجاد همجوشي، كنترل پلاسما به‌صورت مغناطيسي است. پلاسما حساسيت زيادي نسبت به ميدان مغناطيسي دارد، بنابراين ميدان مغناطيسي باعث مي‌شود بتوانيم بدون برقراري تماس فيزيكي با اين ماده‌ي جديد، آن را كنترل كنيم. اين همان كاري است كه در ماشين توكامك 

اكنون در شهر كوچكي خارج از مارسي فرانسه، توكامكي بزرگ در حال ساخته شدن است (شكل بالا) كه وقتي كامل شود، ۳۰ متر ارتفاع و ۲۳ هزار تن وزن خواهد داشت؛ با راه‌اندازي‌اش هزاران نفر در رابطه با آن مشغول به كار خواهند شد. در اين توكامك، ۸۴۰ متر مكعب پلاسما قرار خواهد گرفت و آهنرباهاي الكتريكي آن به ۱۰۰ هزار كيلومتر سيم از جنس نيوبيوم-قلع احتياج خواهند داشت. هزينه‌ي آن نيز توسط كنسرسيومي بين‌المللي از كشورهاي آمريكا، روسيه، اتحاديه اروپا، چين، ژاپن، كره‌ي جنوبي و هند تأمين مي‌شود.

بسياري اوقات نيز بودجه‌ي تعيين‌شده‌ي اوليه، كفاف پروژه را نمي‌دهد و برنامه با كمبود بودجه مواجه مي‌شود. براي مثال پروژه‌‌اي كه تأسيسات ملي احتراق و علوم فوتوني آن را اجرا كرد، هفت سال بعد از موعد مقرر و با بودجه‌ي پنج ميليارد دلار به پايان رسيد؛ دقيقا دو برابر بودجه‌اي كه اول كار برايش در انديشه متخصصين گرفته شده بود. پروژه‌ي آيتر نيز همين وضعيت را دارد و در حالي كه قرار بود سال ۲۰۱۶ به پايان برسد، بهره‌برداري كامل از آن به سال ۲۰۲۷ موكول شد؛ البته باز هم ممكن است به تعويق بيافتد. بودجه‌ي اوليه‌ي آن ۵ ميليارد دلار بود و اكنون به ۲۰ ميليارد دلار رسيده است. اين را مقايسه كنيد با آزمايشگاه بزرگ LHC در سرن كه كارش با ۴.۷۵ ميليارد دلار به پايان رسيد. بيندرباور مي‌گويد:

دانشگاه‌ها نمي‌توانند به برنامه‌ريزي‌ پروژه‌هاي همجوشي پايبند باشند و در زمان مقرر و با بودجه‌ي تعيين‌شده، پروژه را تكميل كنند.

هدف همه‌ي اين ماشين‌ها آن است كه بتوانند بيشتر از اينكه انرژي مصرف كنند، انرژي توليد كنند. بعضي از توكامك‌هاي بزرگ در دهه‌ي ۱۹۹۰ توانستند به نقطه‌ي سر به سر نزديك شوند، ولي تا به حال هيچ‌كدام از آن گذر نكرده‌اند. پژوهش‌ها در زمينه‌ي فناوري همجوشي هسته‌اي بسيار آرام پيش مي‌روند و خيلي هزينه‌بر هستند. به‌گفته‌ي مايكل لابرژ، بنيانگذار شركت جنرال فيوژن در كانادا، در پژوهش‌هاي دانشگاهي، هدف آخر رسيدن به مقاله‌هاي پژوهشي است.

اين درحالي است كه مردم دوست دارند هدف نهايي پژوهش‌هاي همجوشي، دستيابي به انرژي الكتريكي باشد، ولي هدف نخست دانشگاه‌ها، ارائه‌ي مقاله‌‌هاي متعدد در كنفرانس‌ها و سر درآوردن از جزييات مختلف فرايند همجوشي است. سر در آوردن از جزييات و درك بهتر فرايند همجوشي خيلي خوب است، ولي در دنياي واقعي، مردم به انرژي فراوان و پاك احتياج دارند. يكي از افراد بسيار تأثير‌گذار در تأسيس شركت تري‌آلفا، فيزيك‌داني به‌نام نورمن روستوكر (Norman Rostoker) است.

روستوكر كه در سال ۲۰۱۴ فوت كرد، يك فيزيك‌دان پلاسما بود كه در رياضيات نيز بسيار استاد بود و البته مي‌توانست علم خود را خيلي خوب به‌صورت عملي پياده كند بيندرباور يكي از شاگردان او است. حتي در اوايل دهه‌ي ۱۹۹۰، روستوكر به توكامك‌ها بدبين بود؛ در يك توكامك، ذرات ماده‌ي پلاسما در مدارهايي مارپيچي و باريك به دور خطوط جريان الكتريكي گردش مي‌كنند، ولي اغتشاشات الكترومغناطيسي باعث مي‌شود كه ذرات از مدار دقيق خود خارج و پلاسما ناپايدار شود. در نتيجه‌ي اين ناپايداري، پلاسما دماي خود را از دست مي‌دهد؛ نگه داشتن ذرات در مدار كار بسيار اشكالي است.

يكي از راه‌هايي كه دانشمندان براي مقابله با اين عدم پايداري برگزيده‌اند، ساخت توكامك‌هاي بزرگ و بزرگتر است. اما مسئله اين است كه هرچه توكامك‌ها بزرگتر مي‌شوند، پيچيده‌ و گران‌تر مي‌شوند و به انرژي بيشتري احتياج دارند، به همين دليل روستوك فكر كرد كه شايد راه‌حل بهتري هم وجود داشته باشد. او يكي از اين راه‌حل‌ها را در شتاب‌دهنده‌هاي ذرات ديد. شتاب‌دهنده‌هايي مثل برخورد دهنده‌ي بزرگ هادروني، كه در آن ذرات زيراتمي در تونل‌هاي طولاني و حلقوي با شدت زياد به‌يكديگر برخورد مي‌كنند؛ در شتاب‌دهنده‌ها ذرات در مدار‌هايي بسيار پايدار گردش مي‌كنند. روستوكر و بيندرباور فكر كردند كه شايد بتوان چنين مدارهايي را در رآكتورهاي همجوشي استفاده كرد. آن‌ها دو سال به اين موضوع فكر كردند. بيندرباور مي‌گويد:

اگر بتوانيم شتاب‌دهنده‌ها را به دنياي همجوشي هسته‌اي بياوريم، شايد بتوانيم كاري كنيم كه پلاسما رفتار بهتري از خودش نشان دهد. در نهايت مي‌توان به يك پلاسماي پايدار دست يافت.

روستوكر در ضمن اعتقاد داشت كه پژوهش‌هاي همجوشي بايد به بخش خصوصي واگذار شوند، زيرا با سرعت بيشتري نسبت به مراكز دانشگاهي و دولتي پيش مي‌روند. او اعتقاد داشت كه انرژي همجوشي هسته‌اي بايد به شكل يك محصول قابل خريد و فروش درآيد. بيندرباور مي‌گويد:

اشكال همجوشي اين است كه علم آن‌ را پيش مي‌برد. به همين دليل هم پيشرفت كندي دارد و دقيقا با نيازهاي جامعه منطبق نيست. در حالي‌كه بايد به هدف و نتيجه‌ي نهايي فكر كرد.

جذب بودجه كار بسيار اشكالي است و توكامك‌ها همه‌ي پول اختصاص داده‌شده را بالا مي‌كشند و اين سرمايه‌گذاران خصوصي را مي‌ترساند. به‌خصوص اينكه سرمايه‌گذاران در سيليكون‌ولي عادت كرده‌اند كه استارتاپ‌ آن‌ها خيلي زود به سوددهي برسد. جذب نيروي انساني هم اشكال است؛ ساخت يك رآكتور همجوشي نياز به همكاري فيزيك‌دان‌ها و مهندسان زيادي دارد، دو گروهي كه در طول تاريخ هم خيلي رابطه‌ي خوبي با يكديگر نداشتند. پژوهشگراني كه در استارتاپ‌هايي مثل تري‌آلفا كار مي‌كردند، برخلاف آزمايشگاه‌هاي دانشگاهي، خود را از مباحثه‌هاي انديشه متخصصيني خلاص كردند. تا وقتي يك روش كار مي‌كرد، ديگر به‌دنبال پژوهش بر اينكه چرا آن روش كار مي‌كند، نبودند. آن‌ها خيلي عملگرايانه با مسائل برخورد مي‌كردند و در نتيجه سرعت كار بالا رفت. 

ممكن است بعضي از مراكز آكادميك با روش‌هاي علمگرايانه‌ي آن‌ها مخالف باشند، ولي كسي نمي‌تواند انكار كند كه شركت تري‌آلفا توانسته با بودجه‌اي خيلي كم، يك رآكتور همجوشي آزمايشي درست كند. خوشبختانه تري‌آلفا مشاوران علمي خيلي خوبي دارد كه مي‌توان به بورتون ريشتر (Burton Richter) برنده‌ي نوبل فيزيك ۱۹۷۶ و رونالد ديويدسون (Ronald Davidson)، مدير پيشين آزمايشگاه‌هاي همجوشي در MIT و پرينستون، اشاره كرد. بيندرباور به ياد مي‌آورد كه در سال ۲۰۰۸ نخستين رآكتور آزمايشي همجوشي را در حضور آن‌ها رونمايي كرد. او مي‌گويد:

به ياد دارم كه همه‌ي آن‌ها تعجب كردند و با خودشان گفتند كه آيا اين‌ بچه‌ها توانسته‌اند رآكتور را بسازند؟

رآكتور تري‌آلفا كاملا با توكامك‌هايي كه امروز در جبهه‌ي پژوهش‌هاي همجوشي وجود دارند يا حتي ليزر تأسيسات ملي احتراق و علوم فوتوني متفاوت است. اين رآكتور، توپي براي شليك حلقه‌هاي پلاسماي جديد دارد. اين حلقه‌ها با سرعتي نزديك به يك ميليون كيلومتر بر ساعت شليك مي‌شوند. اين رآكتور يك توپ ديگر نيز دارد كه روبه‌روي توپ اول قرار گرفته است؛ اين دو، هم‌زمان حلقه‌هاي پلاسمايي را به‌سوي يكديگر شليك مي‌كنند. دو حلقه‌ي پلاسما به‌شدت با يكديگر برخورد مي‌كنند و در مركز محفظه با يكديگر تركيب مي‌شوند.

شدت اين برخورد به‌حدي است كه دماي پلاسما به ۱۰ ميليون درجه‌ي سانتي‌گراد مي‌رسد. دو حلقه‌ي پلاسمايي به يك توده‌ي واحد ۷۰ تا ۸۰ سانتي‌متري به شكل توپ راگبي تبديل مي‌شوند كه يك سوراخ بزرگ درون آن است. اين توده بر سر جاي خود چرخش مي‌كند اما كار همين‌جا تمام نمي‌شود. پيرامون محفظه‌ي مركزي، ۶ عدد تفنگ كوچك وجود دارد كه اتم‌هاي هيدروژن را به لبه‌هاي توده‌ي پلاسمايي شليك مي‌كنند تا پلاسما پايدار و جديد بماند. دو نكته درباره‌ي اين توده وجود دارد، يكي اينكه ذرات در مداري عريض‌تر نسبت به مدار موجود در توكامك‌ها گردش مي‌كنند و بنابراين در برابر اغتشاشات پايدار‌تر هستند.

حدود ۱۰ هزار مهندس نيز به‌طور مداوم سلامت ماشين را كنترل مي‌كنند. اين ماشين در هر ۵ ميليونيوم ثانيه، داده‌هايي به حجم يك گيگابايت توليد مي‌كند. در ماه اوت سال ۲۰۱۵ تري‌آلفا اعلام كرد كه اين ماشين داده‌هاي خيلي جالبي توليد كرده است. تا به حال تلاش شركت بر اين بوده است كه بتواند پلاسما را به‌مدت طولاني‌تري در حالت پايدار قرار دارد و كمتر بر پايدار نگه داشتن آن در دماي بالاتر تمركز كرده است. پايدار نگه داشتن به‌مدت زمان طولاني‌تر، كار سخت‌تري محسوب مي‌شود. اكنون بيندرباور اعتقاد دارد كه به اين هدف رسيده‌اند. آن‌ها در ماه ژوئن توانستند به مدت ۵ ميلي‌ثانيه پلاسما را پايدار نگه دارند. بيندرباور مي‌گويد:

ما كاملا بر اين فناوري غالب شده‌ايم و مي‌توانيم پلاسما را ۱۰۰ درصد پايدار نگه داريم.

                                                                  راكتور تري‌آلفا (Tri Alpha)

استلراتورها در برابر همان چالش‌هايي قرار دارند كه ديگر ماشين‌هاي همجوشي مثل توكامك‌ها با آن‌ها درگير‌ هستند. آن‌ها بايد بتوانند دماي گاز را تا ۱۰۰ ميليون درجه‌ي سانتيگراد، يعني هفت برابر دماي هسته‌ي خورشيد بالا ببرند و آن را نگه دارند. اين ميزان دما، الكترون‌ها را از اتم‌ها جدا مي‌كند و پلاسمايي از الكترون‌ها و يون‌ها برجاي مي‌گذارد. اين باعث مي‌شود يون‌ها بتوانند آن‌قدر سريع حركت كنند كه با يكديگر برخورد كنند و به هم جوش بخورند. اين كار باعث بي‌ثبات شدن گاز مي‌شود؛ به همين دليل گاز را در يك قفس مغناطيسي نگه مي‌دارند.

سيم‌پيچي به دور تونل‌هاي مملو از گاز پيچيده شده است كه وقتي جريان برق از آن عبور مي‌كند، ميدان مغناطيسي ايجاد مي‌شود و در نتيجه گاز از بدنه‌ي تونل دور مي‌ماند و درون آن هدايت مي‌شود. در ضمن تونل به‌صورت حلقه ساخته شده است تا هيچ خط پاياني براي گاز وجود نداشته باشد. يكي از اشكالاتي كه اين شكل حلقوي ايجاد مي‌كند اين است كه سيم‌پيچ‌هاي نزديك به مركز دونات به هم نزديك‌تر هستند و در نتيجه ميدان مغناطيسي در آنجا قوي‌تر است. اين عدم تعادل مغناطيسي باعث مي‌شود كه پلاسما به ديواره‌هاي تونل برخورد كند.

اين جريان، نوعي ميدان مغناطيسي عمومي چنبره‌اي ايجاد مي‌كند كه وقتي به ميدان موجود در طول تونل اضافه مي‌شود، خطوط مارپيچي ميدان درون تونل را ايجاد مي‌كند. توكامك و استلراتور هر دو به خوبي كار مي‌كنند، ولي توكامك‌ها در ثبات نگه‌داشتن پلاسما بهتر هستند. قسمتي از آن به دليل تقارن مغناطيسي توكامك‌ها است كه باعث مي‌شود ذرات گاز مسير مستقيم‌تري را بپيمايند. اندرسون مي‌گويد كه در استلراتور، ذرات دچار تكان‌ و انحراف زيادي مي‌شوند و اين باعث مي‌شود كه بسياري از آن‌ها از مسير خارج شوند.

به همين دليل بيشتر پژوهش‌هاي همجوشي در دهه‌ي ۱۹۷۰ روي توكامك‌ها متمركز شد. نتيجه‌ي آن را مي‌توانيم در توكامك آيتر كه در فرانسه ساخته مي‌شود، ببينيم. اين توكامك‌ مي‌تواند راه ما به سوي رسيدن به رآكتورهاي همجوشي اقتصادي را هموار كند. ولي توكامك‌ها هم اشكالات زيادي دارند؛ يك ترنسفورماتور مي‌تواند در پالس‌هايي كوتاه جريان را از درون پلاسما عبور دهد و اين براي ساخت رآكتورهاي اقتصادي مناسب نيست. جريان موجود در پلاسما ممكن است دچار اشكال شود و در نتيجه به فروپاشي مغناطيسي بيانجامد.

سرانجام، قوام پلاسما از دست مي‌رود و نيروهاي مغناطيسي آن‌قدر زياد مي‌شوند كه به توكامك آسيب مي‌رسد. در عوض استلراتورها خيلي ايمن هستند، يعني ميدان مغناطيسي آن‌ها به‌طور كامل از سيم‌پيچ‌هاي خارجي تأمين مي‌شود كه نياز به پالس‌هاي جريان الكتريكي ندارند؛ هيچ جريان پلاسمايي وجود ندارد كه منجر به فروپاشي شود. اين دو عامل باعث شده است كه بعضي گروه‌هاي پژوهشي، استلراتورها را رها نكنند. پيش از استلراتور آلماني، بزرگ‌ترين استلراتور جهان به نام ماشين عظيم مارپيچي (LHD) سال ۱۹۹۸ در ژاپن ساخته شده بود.

اين استلراتور، نوعي از همان طراحي كلاسيك استلراتوري است كه ليمان اسپيتزر ساخته بود. LHD نيز داراي دو سيم‌پيچ مارپيچي بزرگ براي اعمال نيرو به پلاسما و سيم‌پيچ‌هاي ديگر جهت كنترل آن است. اين استلراتور همه‌ي ركوردها را از آن خود كرده و كاملا باثبات است و تقريبا با توان توكامكي به‌اندازه‌ي خودش كار مي‌كند. دو پژوهشگر آلماني به نام يورگن نورنبرگ و آلن بوزر، فكر كردند مي‌توانند با نوعي طراحي متفاوت كاري كنند كه پلاسما در ميدان مغناطيسي با نيروي ثابت ولي جهات متغير، پايدار بماند. پر هرالندر، از مؤسسه‌ي تحقيقات فيزيك‌ پلاسماي مكس پلانك مي‌گويد:

اين ميدان شبه‌متقارن براي به دام انداختن ذرات كاملا مناسب نيست. ولي مي‌توانيد با آن به حالت كامل نزديك شويد و به سطحي قابل قبول برسيد.

به‌طور كلي مي‌توان كاري كرد كه يك استلراتور به خوبي توكامك كار كند. استراتژي طراحي اين ماشين كه با نام بهينه‌سازي (Optimization) شناخته مي‌شود، يافتن بهترين شكل ميدان مغناطيسي است كه مي‌تواند پلاسما را به دام بيندازد. سپس بايد آهنرباهايي طراحي كرد كه بتوانند اين ميدان را به‌وجود بياورند؛ اين كار نياز به توان پردازشي بالايي دارد و تا دهه‌ي ۱۹۸۰ ابركامپيوترهايي ساخته نشده بودند، كه بتوانند اين كار را انجام دهند. نخستين تلاش براي ساخت استلراتوري بهينه‌سازي‌شده، به ماشين وندلشتاين 7-AS انجاميد كه توسط مؤسسه‌ي مكس پلانك آلمان ساخته شد و بين سال‌هاي ۱۹۸۸ تا ۲۰۰۲ كار كرد.

آزمايشگاه فيزيك پلاسماي پرينستون تصميم گرفت در سال ۲۰۰۴ و با استفاده از استراتژي بهينه‌سازي ولي متفاوت با آن‌چه در مؤسسه‌ي تحقيقات فيزيك پلاسماي مكس پلانك صورت گرفته بود، ماشين آزمايش استلراتور ملي كوچك (NCSX) را بسازد. ولي اشكالات در قطعات پيچيده‌ي ماشين، باعث شد كه هزينه‌ها بالا برود و برنامه عقب بيافتد. سال ۲۰۰۸ درحالي كه ۸۰ درصد قسمت‌هاي مهم اين دستگاه ساخته يا خريده شده بود، وزارت انرژي آمريكا اين پروژه را متوقف كرد. هاچ نيلسون، مدير NCSX، مي‌گويد:

ما هزينه‌ها را دست كم گرفته بوديم و از برنامه عقب افتاديم.

همان زمان، پروژه‌ي W7-X در آلمان انجام مي‌شد. دولت اين كشور كه با فروپاشي ديوار برلين تازه يكپارچه شده بود، در سال ۱۹۹۳ به پروژه چراغ سبز نشان داد. آلماني‌ها در سال ۱۹۹۴ تصميم گرفتند شعبه‌ي جديدي از مؤسسه‌ي مكس پلانك را در گرايفسوالد (Greifswald) جايي كه قبلا در آلمان شرقي بود راه‌اندازي كنند و ماشين را در آنجا بسازند. ۵۰ نفر از پژوهشگران و تكنسين‌هاي مؤسسه‌ي مكس پلانك به گرايفسوالد رفتند و ساير نيز مرتب رفت‌و‌آمد مي‌كردند. بعدها افراد ديگري هم استخدام شدند و در كل تعداد نفراتي كه روي ماشين كار مي‌كردند به ۴۰۰ نفر رسيد.

قرار بود كه W7-X در سال ۲۰۰۶ با هزينه‌اي ۵۵۰ ميليون يورويي آغاز به كار كند، ولي درست مثل استلراتور آمريكايي، پروژه‌ي آلماني‌ها هم دچار اشكالاتي وخيم شد. اين ماشين داراي ۴۲۵ تن آهنرباي ابررسانا است كه بايد تا دماي نزديك به صفر مطلق سرد شوند. كلينگر مي‌گويد كه سرد كردن آهنرباها با هليوم مايع، مثل ساختن جهنم روي زمين است. همه‌ي اجزاي سردشده بايد به‌خوبي كار كنند و نبايد هيچ‌گونه نشتي داشته باشند و به‌دليل ساختار پيچيده، دسترسي به قسمت‌هاي مختلف آن اشكال است.

در ميان آهنرباهاي عجيب  و غريب، مهندسان بايد ۲۵۰ پنجره‌ي دسترسي براي تغذيه و تخليه‌ي سوخت، جديد كردن پلاسما و دسترسي به دستگاه‌هاي سنجش در انديشه متخصصين بگيرند. همه‌چيز نيازمند يك مدل‌سازي سه‌بعدي بسيار پيچيده است. گلينگر مي‌گويد كه اين كار را فقط كامپيوتر مي‌تواند انجام دهد. در سال ۲۰۰۳، پروژه‌ي W7-X به اشكال خورد و يك-سوم آهنرباهايي كه ساخته شده بودند در آزمايش‌ها نتوانستند عملكرد درستي داشته باشند و سرانجام كار به تأخير افتاد؛ در واقع نيروهايي كه به رآكتور اعمال مي‌شدند، بيشتر از مقدار محاسبه شده بود.

به‌گفته‌ي كلينگر، ممكن بود كل ماشين آسيب ببيند، بنابراين بعضي از قطعات اصلي نيازمند طراحي و ساخت دوباره بودند؛ در همين حين يكي از سازندگان آهنرباها ورشكست شد. كلينگر مي‌گويد كه سال‌هاي ۲۰۰۳ تا ۲۰۰۷ بحران اقتصادي شديد حاكم بود و پروژه نزديك بود متوقف شود، اما با تلاشي كه همه انجام دادند، وزير علوم اجازه داد كه پروژه با سقف بودجه‌ي ۱.۰۶ ميليارد يورو ادامه پيدا كند و در سال ۲۰۱۵ به نتيجه برسد. در نهايت اين ماشين در سال ۲۰۱۴ آماده به كار شد و يك سال زمان برد كه قسمت‌هاي مختلف آن چك شود. خوشبختانه همه‌ي اجزاي آن بدون هيچ اشكالي كار مي‌كرد. آزمايش‌هاي الكتروني نشان مي‌دهد كه ميدان مغناطيسي در رآكتور به شكلي درست قرار دارد. 

چشم‌انداز همجوشي هسته‌اي

قرار است در آينده نيروگاهي آزمايشي به نام "DEMO" ساخته شود. بيشتر متخصص كارشناسان مي‌گويند كه اين نيروگاه نوعي توكامك خواهد بود اما اكنون با موفقيت وندلشتاين 7-X بعضي‌ها فكر مي‌كنند كه شايد اين نيروگاه نوعي استلراتور باشد.هليون انرژي كه يكي ديگر از استارتاپ‌ها در اين زمينه است، تاكنون چهار نسل از رآكتورهاي آزمايشي خود را ساخته است. روش‌ آن‌ها تا حدي شبيه به تري‌آلفا است و دو حلقه‌ي پلاسما را در يك محفظه‌ي مركزي به يكديگر برخورد مي‌دهند؛ با اين حال آن‌ها اين كار را در بازه‌هاي زماني خيلي كوتاه و متناوب انجام مي‌دهند و توده‌ي پلاسما را به مدت زمان زياد حفظ نمي‌كنند.

هليون انرژي بر ساخت رآكتوري كوچك به‌اندازه‌ي يك كاميون تمركز مي‌كند و مي‌خواهد خيلي سريع آن را درست كند. آن‌طور كه در وب‌سايت اين شركت آمده است، اصلا بعيد نيست هليون انرژي بتواند تا ۶ سال آينده يك رآكتور كاملا اقتصادي بسازد. جالب اين‌جا است كه شركت هليون انرژي به گزارشگر تايم گفته بود كه سر پرسنل‌اش بسيار شلوغ است و نمي‌توانند در نوشتن اين گزارش همكاري كنند.

به‌طور كلي شركت‌هاي خصوصي زيادي در زمينه‌ي همجوشي فعاليت مي‌كنند. از آن جمله مي‌توان به اينداستريال هيت (Industrial Heat) و توكامك انرژي (Tokamak Energy) اشاره كرد. قسمتي از شركت لاكهيد مارتين (Lockheed Martin) كه در اصل يك شركت سازنده‌ي هواپيماهاي نظامي است، رآكتوري به‌نام رآكتور همجوشي فشرده مي‌سازد؛ رآكتوري كه مي‌تواند در قسمت بار يك كاميون جا شود. آن‌ها ادعا كرده‌اند كه تا امسال يك نمونه‌ي آزمايشي از آن را مي‌سازند.

طبق گفته‌ي يكي از دانشمندان ارشد حاضر در پروژه‌ي توليد انرژي هم‌جوشي هسته‌اي، چين قصد دارد توليد انرژي از رآكتور آزمايشي هم‌جوشي هسته‌اي را تا سال ۲۰۴۰ كامل كند. چين براي راه‌اندازي مجدد برنامه‌ي تعليقي رآكتور هسته‌اي بومي خود در‌حال‌آمادگي است اما در يكي از آزمايشگاه‌هاي ايالتي در استان آن‌هويي، دانشمندان چيني به‌دنبال چيزي فراتر از شكافتن اتم‌ها و هم‌جوشي هسته‌اي و توليد انرژي هستند.

چندي سال قبل، در نقطه‌‌ي كوچكي از چين و تنها براي چند لحظه، ميزان حرارت به‌‌اندازه‌‌اي رسيد كه حتي حرارت خورشيد نيز ديگر در برابر آن به چشم نمي‌‌آمد. دانشمندان سال گذشته اعلام كردند كه راكتور تحقيقاتي پيشرفته‌‌ي ابررسانايي توكامك (EAST) در شهر هفئي چين، به دماي نهايي بيش از ۱۰۰ ميليون درجه‌‌ي سلسيوس دست يافته و با ثبت يك ركورد جديد در فناوري هم‌‌جوشي، ما را يك گام ديگر به عصر نوين انرژي نزديك‌تر كرده است. مهار اين مقدار عظيم از انرژي آزاد‌‌شده از هم‌‌جوشي اتم‌ها، اصلاً كار آساني نيست. براي پرتاب اين ذرات با نيروي كافي، شما بايد ذرات را تحت فشاري غيرقابل‌‌تصور قرار دهيد يا آن‌‌ها را با شدت بسيار به يكديگر بكوبيد. در حال حاضر، مؤسسه‌‌ي علوم فيزيكي هفئي در آكادمي علوم چين نشان داده است كه دستيابي به چنين برخوردي امكان‌‌پذير است.

همچنين گروهي از پژوهشگران يك فرايند زير اتمي جديد را كشف كرده‌اند كه ميزان انرژي آزادشده آن هشت برابر همجوشي هسته‌اي است. منبع اين انرژي از گداخت ذرات زيراتمي به‌نام كوارك سرچشمه مي‌گيرد. كوارك‌ها ذرات اصلي سازنده‌ي پروتون و نوترون هستند و به ۶ گروه مختلف تقسيم مي‌شوند. دانشمندان اين گروه‌ها را «طعم» نيز مي‌نامند كه عبارت‌اند از: بالا، پايين، عجيب، افسون، فوقاني و زيرين. اين تيم پژوهشي اتم‌ها را در برخورددهنده‌ي هادروني بزرگ با سرعت بالا به سمت هم گسيل كرده‌اند تا كوارك‌هاي آن‌ها از يكديگر جدا شود. كوارك‌ها پس از جدا شدن دوباره تمايل به تشكيل پيوندهاي جديد دارند كه منجر به ايجاد ذراتي به نام «باريون» مي‌شود. 

پژوهشگران سپس با تمركز روي كوارك زيرين كه سنگين‌تر از ديگر طعم‌ها است، دريافتند كه باريون‌هاي حاصل‌شده توانايي توليد ۱۳۸ مگاالكترون ولت انرژي خالص را دارند كه هشت برابر انرژي توليدشده در همجوشي هسته‌اي است. انرژي اين فرايند به‌حدي زياد است كه ممكن است مورد سوء استفاده قرار گيرد، به‌همين دليل پژوهشگران در ابتدا نسبت به رسانه‌اي كردن آن ترديد داشته‌اند. با اين حال آن‌ها تأكيد كرده‌اند كه با طراحي و توسعه‌ي ابزارهاي لازم مي‌توان از اين روش براي توليد انرژي پاك و نامحدود بهره برد؛ انرژي‌اي كه براي هميشه وجود خواهد داشت.