انرژی همجوشی: یک انقلاب تولید برق پاک

جستجو برای انرژی پاک، پایدار و فراوان یکی از بزرگترین چالش های بشریت است. سوخت های فسیلی، در حالی که در حال حاضر غالب هستند، به طور قابل توجهی به تغییرات آب و هوایی کمک می کنند. منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشید و باد جایگزین های امیدوارکننده ای ارائه می دهند، اما عدم قطعیت و نیازهای زمینی آنها محدودیت هایی را ایجاد می کند. انرژی همجوشی، فرآیندی که خورشید و ستارگان را تغذیه می کند، این پتانسیل را دارد که یک تغییر دهنده بازی باشد و یک منبع انرژی تقریباً نامحدود و پاک را ارائه دهد. این مقاله علم پشت همجوشی، پیشرفت های حاصل شده در جهت مهار آن و چالش هایی را که هنوز باید بر آنها غلبه کرد، بررسی می کند.

انرژی همجوشی چیست؟

همجوشی فرآیندی است که در آن دو هسته اتمی سبک با هم ترکیب می شوند و یک هسته سنگین تر را تشکیل می دهند و مقدار زیادی انرژی در این فرآیند آزاد می شود. این همان فرآیندی است که خورشید و سایر ستارگان را تغذیه می کند. امیدوار کننده ترین واکنش همجوشی برای تولید انرژی روی زمین شامل ایزوتوپ های هیدروژن، دوتریوم (D) و تریتیوم (T) است. این ایزوتوپ ها نسبتاً فراوان هستند. دوتریوم را می توان از آب دریا استخراج کرد و تریتیوم را می توان از لیتیوم تولید کرد.

واکنش همجوشی D-T هلیوم و یک نوترون و همچنین مقدار زیادی انرژی تولید می کند. سپس از این انرژی می توان برای گرم کردن آب استفاده کرد و بخار ایجاد کرد تا توربین ها را به حرکت درآورد و برق تولید کند، مشابه نیروگاه های متعارف، اما بدون انتشار گازهای گلخانه ای مضر.

چرا همجوشی جذاب است

همجوشی چندین مزیت قابل توجه نسبت به سایر منابع انرژی دارد:

• سوخت فراوان: دوتریوم به راحتی در آب دریا موجود است و تریتیوم را می توان از لیتیوم تولید کرد که نسبتاً فراوان است. این امر عرضه سوخت تقریباً نامحدود را تضمین می کند.
• انرژی پاک: واکنش های همجوشی گازهای گلخانه ای تولید نمی کنند و آن را به یک منبع انرژی بدون کربن تبدیل می کنند و به طور قابل توجهی به کاهش تغییرات آب و هوایی کمک می کنند.
• ایمن: راکتورهای همجوشی ذاتاً ایمن هستند. اگر اختلالی وجود داشته باشد، واکنش همجوشی بلافاصله متوقف می شود. هیچ خطر واکنش خارج از کنترل مانند راکتورهای شکافت هسته ای وجود ندارد.
• حداقل ضایعات: همجوشی زباله های رادیواکتیو بسیار کمی تولید می کند و زباله های تولید شده نیمه عمر نسبتاً کوتاهی نسبت به زباله های شکافت هسته ای دارند.
• بار پایه: بر خلاف خورشید و باد، نیروگاه های همجوشی می توانند به طور مداوم کار کنند و یک منبع انرژی بار پایه قابل اطمینان را فراهم می کنند.

علم همجوشی: محصور و گرمایش

دستیابی به همجوشی روی زمین یک چالش علمی و مهندسی بزرگ است. مسئله اصلی ایجاد و حفظ شرایط شدید لازم برای وقوع همجوشی است. این شرایط عبارتند از:

• دمای بسیار بالا: سوخت باید تا دمای میلیون ها درجه سانتیگراد (بیش از 150 میلیون درجه فارنهایت) گرم شود تا بر دافعه الکترواستاتیکی بین هسته های بار مثبت غلبه کرده و به آنها اجازه دهد با هم ترکیب شوند.
• چگالی بالا: سوخت باید به اندازه کافی متراکم باشد تا اطمینان حاصل شود که واکنش های همجوشی کافی رخ می دهد.
• زمان محصور کافی: پلاسما داغ و متراکم باید به اندازه کافی محصور شود تا واکنش های همجوشی انرژی بیشتری نسبت به گرم کردن و محصور کردن پلاسما آزاد کند (به دست آوردن انرژی خالص).

دو رویکرد اصلی برای محصور کردن و گرم کردن پلاسما دنبال می شود:

محصور مغناطیسی

محصور مغناطیسی از میدان های مغناطیسی قوی برای محصور کردن پلاسمای داغ و باردار الکتریکی استفاده می کند. رایج ترین دستگاه محصور مغناطیسی، توکامک، یک دستگاه دونات شکل است که از میدان های مغناطیسی برای مجبور کردن ذرات پلاسما به مارپیچ در اطراف خطوط میدان مغناطیسی استفاده می کند و از تماس آنها با دیواره های راکتور جلوگیری می کند.

رویکرد دیگر محصور مغناطیسی، استلاراتور است که از یک پیکربندی میدان مغناطیسی پیچیده تر و پیچ خورده تر برای محصور کردن پلاسما استفاده می کند. استلاراتورها ذاتاً پایدارتر از توکامک ها هستند، اما ساخت آنها نیز دشوارتر است.

محصور اینرسی

محصور اینرسی از لیزرها یا پرتوهای ذرات قدرتمند برای فشرده سازی و گرم کردن یک گلوله کوچک سوخت به چگالی و دمای بسیار بالا استفاده می کند. گرمایش و فشرده سازی سریع باعث می شود سوخت منفجر شود و با هم ترکیب شود. برجسته ترین نمونه محصور اینرسی، مرکز احتراق ملی (NIF) در ایالات متحده است.

پروژه های جهانی انرژی همجوشی

پیشرفت های قابل توجهی در تحقیقات همجوشی در سراسر جهان در حال انجام است. در اینجا برخی از پروژه های اصلی آورده شده است:

ITER (راکتور آزمایشی گرماهسته‌ای بین‌المللی)

ITER که در حال ساخت در فرانسه است، یک همکاری چند ملیتی است که شامل چین، اتحادیه اروپا، هند، ژاپن، کره، روسیه و ایالات متحده می شود. این برای نشان دادن امکان سنجی علمی و فناوری قدرت همجوشی طراحی شده است. ITER یک دستگاه توکامک است و انتظار می رود 500 مگاوات توان همجوشی از 50 مگاوات توان گرمایش ورودی تولید کند که نشان دهنده ده برابر افزایش انرژی (Q=10) است. ITER برای تولید برق طراحی نشده است، اما یک گام اساسی به سمت ساخت یک نیروگاه همجوشی است.

مثال: محفظه خلاء ITER یکی از بزرگترین و پیچیده ترین شاهکارهای مهندسی است که تا کنون انجام شده است و نیازمند ساخت دقیق و همکاری بین المللی برای مونتاژ است.

JET (Joint European Torus)

JET که در بریتانیا واقع شده است، بزرگترین توکامک عملیاتی جهان است. این شرکت در تحقیقات همجوشی به نقاط عطف مهمی دست یافته است، از جمله اولین نمایش قدرت همجوشی با استفاده از مخلوط سوخت دوتریوم-تریتیوم در سال 1991. JET به عنوان یک زمین آزمایش مهم برای فناوری هایی عمل کرده است که در ITER استفاده خواهد شد.

مثال: در سال 2021، JET رکورد 59 مگاژول انرژی همجوشی پایدار را به دست آورد که پتانسیل قدرت همجوشی را نشان می دهد.

مرکز احتراق ملی (NIF)

NIF که در ایالات متحده واقع شده است، بزرگترین و قدرتمندترین سیستم لیزر جهان است. از محصور اینرسی برای فشرده سازی و گرم کردن گلوله های سوخت به شرایط همجوشی استفاده می کند. در دسامبر 2022، NIF با نشان دادن افزایش انرژی خالص (تراز علمی) یک نقطه عطف تاریخی به دست آورد، جایی که انرژی تولید شده توسط واکنش همجوشی از انرژی تحویل داده شده به گلوله سوخت توسط لیزرها بیشتر شد.

مثال: موفقیت NIF در دستیابی به احتراق، رویکرد محصور اینرسی را تأیید کرده و راه های جدیدی را برای تحقیقات انرژی همجوشی باز کرده است.

وندلستین 7-X

وندلستین 7-X که در آلمان واقع شده است، یک دستگاه استلاراتور پیشرفته است. این برای نشان دادن امکان سنجی استفاده از استلاراتورها به عنوان راکتورهای همجوشی طراحی شده است. وندلستین 7-X نتایج چشمگیری در محصور کردن و گرم کردن پلاسما به دست آورده است.

مثال: پیکربندی میدان مغناطیسی پیچیده Wendelstein 7-X امکان محصور شدن پلاسما با مدت زمان طولانی را فراهم می کند، که یک نیاز کلیدی برای یک نیروگاه همجوشی است.

شرکت های خصوصی همجوشی

علاوه بر تحقیقاتی که توسط دولت تامین می شود، تعداد فزاینده ای از شرکت های خصوصی در حال پیگیری انرژی همجوشی هستند. این شرکت ها در حال توسعه طرح های نوآورانه راکتور همجوشی هستند و سرمایه گذاری قابل توجهی را جذب می کنند. برخی از شرکت های خصوصی همجوشی قابل توجه عبارتند از:

• سیستم های همجوشی مشترک المنافع (CFS): CFS در حال توسعه یک راکتور توکامک جمع و جور با استفاده از آهنرباهای ابررسانای با دمای بالا است.
• همجوشی عمومی: General Fusion در حال پیگیری یک رویکرد همجوشی هدف مغناطیسی است.
• Helion Energy: Helion Energy در حال توسعه یک راکتور همجوشی پالسی است.
• Tokamak Energy: Tokamak Energy در حال توسعه یک راکتور توکامک کروی است.

مثال: سیستم های همجوشی مشترک المنافع قصد دارد یک نیروگاه همجوشی از نظر تجاری تا اوایل دهه 2030 بسازد و پیشرفت فزاینده در بخش خصوصی را نشان می دهد.

چالش ها و موانع

علیرغم پیشرفت های قابل توجه، چندین چالش وجود دارد که قبل از اینکه انرژی همجوشی به یک واقعیت تجاری تبدیل شود، باقی مانده است:

• دستیابی به احتراق پایدار: دستیابی به احتراق پایدار، جایی که واکنش همجوشی خودپایدار است، یک چالش بزرگ است. ITER برای نشان دادن احتراق پایدار طراحی شده است، اما تحقیقات بیشتری برای بهبود کارایی و قابلیت اطمینان راکتورهای همجوشی مورد نیاز است.
• علوم مواد: شرایط شدید داخل یک راکتور همجوشی، از جمله دماهای بالا، شار نوترونی شدید و میدان های مغناطیسی قوی، تقاضاهای زیادی را بر روی مواد مورد استفاده برای ساخت راکتور وارد می کند. توسعه موادی که بتوانند این شرایط را تحمل کنند بسیار مهم است.
• تولید تریتیوم: تریتیوم یک ایزوتوپ رادیواکتیو هیدروژن است و به طور طبیعی فراوان نیست. راکتورهای همجوشی باید تریتیوم خود را با استفاده از لیتیوم تولید کنند. توسعه سیستم های تولید تریتیوم کارآمد و قابل اعتماد ضروری است.
• هزینه: ساخت راکتورهای همجوشی پیچیده و گران است. کاهش هزینه انرژی همجوشی برای رقابت با سایر منابع انرژی ضروری است.
• مقررات: توسعه یک چارچوب نظارتی روشن برای قدرت همجوشی برای اطمینان از استقرار ایمن و مسئولانه آن مهم است. این چارچوب باید به مسائلی مانند صدور مجوز، دفع زباله و اثرات زیست محیطی رسیدگی کند.

آینده انرژی همجوشی

انرژی همجوشی نوید عظیمی به عنوان یک منبع انرژی پاک، پایدار و فراوان برای آینده دارد. در حالی که چالش های قابل توجهی باقی مانده است، پیشرفت های حاصل شده در تحقیقات همجوشی امیدوارکننده است. با سرمایه گذاری و نوآوری مداوم، انرژی همجوشی می تواند در دهه های آینده به یک واقعیت تبدیل شود و به رفع نیازهای رو به رشد انرژی جهان در عین کاهش تغییرات آب و هوایی کمک کند.

سیاست و سرمایه گذاری

سیاست ها و سرمایه گذاری های دولتی نقش مهمی در تسریع توسعه انرژی همجوشی دارند. دولت ها می توانند از تحقیقات همجوشی از طریق تامین مالی علوم پایه، توسعه فناوری و پروژه های نمایشی در مقیاس بزرگ مانند ITER حمایت کنند. آنها همچنین می توانند سرمایه گذاری خصوصی در انرژی همجوشی را از طریق اعتبارات مالیاتی، تضمین وام و سایر مکانیسم ها تشویق کنند.

مثال: برنامه افق اروپا اتحادیه اروپا بودجه قابل توجهی را برای تحقیق و توسعه همجوشی فراهم می کند.

همکاری بین المللی

انرژی همجوشی یک چالش جهانی است که نیاز به همکاری بین المللی دارد. به اشتراک گذاشتن دانش، منابع و تخصص می تواند توسعه انرژی همجوشی را تسریع کرده و هزینه را کاهش دهد. ITER نمونه ای عالی از همکاری بین المللی موفق در تحقیقات همجوشی است.

آگاهی عمومی

افزایش آگاهی عمومی در مورد پتانسیل انرژی همجوشی برای ایجاد حمایت از توسعه آن مهم است. آموزش مردم در مورد علم، مزایا و چالش های انرژی همجوشی می تواند به اطمینان از دریافت توجه و منابع لازم کمک کند.

نتیجه

انرژی همجوشی به عنوان چراغ امید در تلاش جهانی برای انرژی پاک و پایدار است. در حالی که مسیر به سوی قدرت همجوشی تجاری با چالش هایی همراه است، پاداش های بالقوه عظیم است. یک آینده انرژی همجوشی موفق، جهانی را نوید می دهد که توسط یک منبع انرژی تقریباً نامحدود، ایمن و سازگار با محیط زیست تغذیه می شود. همانطور که محققان و مهندسان همچنان مرزهای علم و فناوری را پیش می برند و با همکاری و سرمایه گذاری جهانی پایدار، نوید انرژی همجوشی به واقعیت نزدیک می شود و آینده ای روشن تر و پایدارتر را برای نسل های آینده ارائه می دهد.