افزایش سرعت توسعه توان همجوشی برای تولید انرژی نامحدود در زمین
آیا تأسیسات همجوشی توکامک، دستگاه‌هایی با کاربرد گسترده برای انجام واکنش‌های همجوشی، می‌توانند با سرعت بیشتری برای تولید انرژی پاک و امن و بدون محدودیت به‌منظور تولید برق توسعه یابند؟ جان منارد، فیزیک‌دانی از آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون، این سؤال را با نگاهی دقیق به مفهوم توکامک متراکم مجهز به آهن‌رباهای ابررسانا دمابالا بررسی کرده است. چنین آهن‌رباهایی می‌توانند میدان‌های مغناطیسی بیشتری ایجاد کنند؛ میدان‌هایی که برای ایجاد و حفظ پایداری واکنش‌های همجوشی ضروری هستند و درمقایسه‌با به حالت متراکم در تأسیسات امکان‌پذیر است.
منارد مقاله‌ای که هم‌اکنون در مجله‌ی علمی «تبادلات فلسفی در جامعه‌ی سلطنتی» منتشر کرده، ابتدا در کارگاه انجمن سلطنتی در لندن ارائه داد. او با مقاله‌اش به تسریع در روند توسعه‌ی انرژی همجوشی تولیدشده با توکامک متراکم منجر شد. منارد گفت:
این اولین مقاله‌ای است که به‌صورت کمّی نشان می‌دهد چگونه ابررساناهای جدید در آینده، می‌توانند اثر متقابلی با فشار فراوان تولیدشده‌ی توکامک‌های متراکم به‌منظور تأثیرگذاری بر نحوه‌ی بهینه‌شدن آن‌ها داشته باشند. آنچه به‌دنبال توسعه‌ی آن بودیم، برخی مدل‌های ساده‌ای بود که ابعاد مهمی از طراحی یکپارچه‌ای را دربر دارد.
جان منارد فیزیک‌دان با مفاهیمی برای نسل بعدی تأسیسات همجوشی
یافته‌های بسیار مهم
بنابر گفته‌ی استیو کولِی، رئیس آزمایشگاه فیزیک پلاسما، این نتایج بسیار درخورتوجه است. کولِی خاطرنشان کرد استدلال‌های جان منارد در این مقاله و مقاله‌ی پیشین، در گزارش اخیر آکادمی ملی علوم آمریکا بسیار تأثیرگذار بوده است. منارد خواستار برنامه‌ای برای توسعه‌ی نیروگاه آزمایشی همجوشی متراکم برای تولید برق با کمترین هزینه‌ی ممکن است. کولِی ادامه داد:
منارد واقعا جنبه‌های فنی توکامک‌های بسیار کوچک‌تر را با استفاده از آهن‌رباهای دمابالا بیان کرده است.
توکامک‌های متراکم، شامل تأسیسات کروی‌مانند ارتقا‌آزمایش تورس کروی ملی (NSTX-U)، درحال‌حاضر در آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون در دست تعمیر است. این توکامک‌ها، توکامک کروی مگاآمپر (MAST) در بریتانیا را شامل می‌شوند و برخی از ویژگی‌های سودمند را ارائه می‌دهند. این دستگاه‌ها که شکل ظاهری آن‌ها با توکامک‌های سنّتی متفاوت است، می‌توانند پلاسماهایی با فشار بالا تولید کنند که برای واکنش‌های همجوشی با میدان‌های مغناطیسی نسبتا کم و مقرون‌به‌صرفه ضروری است.
چنین واکنش‌هایی به‌منظور آزادکردن انرژی، عناصر سبک را به‌شکل پلاسما ترکیب می‌کنند؛ یعنی حالت گرم و باردار ماده که از الکترون‌های آزاد و هسته اتمی تشکیل شده است. دانشمندان به‌دنبال تولید این فرایند و اساسا ایجاد ستاره‌ای روی زمین برای تولید برق فراوان برای خانه‌ها و مزارع و صنایع در سراسر جهان هستند. همجوشی می‌تواند میلیون‌ها سال با کمترین خطر و بدون تولید گازهای گلخانه‌ای دوام بیاورد.
گسترش بررسی‌های قبلی
پژوهش منارد بررسی‌های قبلی خود درباره‌ی طراحی کروی‌ای را گسترش داد که می‌تواند مواد و اجزای راکتور همجوشی را توسعه دهد و به‌عنوان نیروگاهی آزمایشی برای تولید توان الکتریکی به‌کار رود. مقاله‌ی فعلی تحلیلی دقیق از ویژگی‌های پیچیده‌ای ارائه می‌دهد که آزمایش‌های آینده باید هنگام تلفیق توکامک‌های متراکم با آهن‌رباهای HTS آن را کشف کنند. منارد دراینباره گفت:
ما دریافتیم نوآوری واحدی وجود ندارد که بتوان از آن برای دستیابی به پیشرفت‌هایی درزمینه‌ی ساخت دستگاه‌های متراکم‌تر و ارزان‌تر استفاده کرد. شما باید به سیستم یکپارچه‌ای نگاه کنید تا بدانید از میدان‌های مغناطیسی بیشتر استفاده می‌کنید یا نه.
نسبت‌های منظری کمتر در توکامک‌ها، پایداری پلاسما را افزایش می‌دهد
این مقاله بر مسائل اصلی درباره‌ی اندازه‌ی حفره‌ای تمرکز کرده که در وسط توکامک قرار دارد و به‌عنوان «نسبت منظری» تعریف و باعث حفظ پایداری و شکل‌دادن به پلاسما می‌شود. در توکامک‌های کروی، این حفره باتوجه‌به طراحی جدید توکامک‌ها می‌تواند به‌اندازه‌ی نصف اندازه‌ی توکامک‌های سنّتی باشد. این درحالی است که فیزیک‌دانان باور دارند نسبت‌های منظری کمتر می‌تواند پایداری پلاسما و محصورسازی آن را بهبود ببخشد. مرناد دراینباره گفت:
تا وقتی آزمایش‌ها را در NSXT-U و MAST انجام ندهیم، درباره‌ی محصورسازی پلاسما مطمئن نیستیم.
نسبت‌های منظری کمتر محیط جذاب‌تری برای آهن‌رباهای HTS فراهم می‌کند که چگالی جریان قدرتمند آن‌ها می‌تواند میدان‌های مغناطیسی قدرتمندی تولید کند که همجوشی درون فضای نسبتا کم هر توکامک متراکم به آن نیاز دارد. بااین‌حال، آهن‌رباهای ابررسانا به حفاظی ضخیم برای حفاظت دربرابر آسیب ناشی از بمباران نوترون و گرمایش نیاز دارند که به کاهش فضای لازم برای ترانسفورماتور به‌منظور القا جریان در پلاسما منجر می‌شود و برای تکمیل میدان پیچشی هنگام کاهش اندازه‌ی دستگاه موردنیاز است. برای طراحی‌هایی با نسبت منظری کمتر، دانشمندان باید تکنیک‌های جدیدی برای تولید برخی یا همه‌ی جریان‌های اولیه پلاسما توسعه دهند.
تولید ۲۰۰ تا ۳۰۰ مگاوات توان الکتریکی
حفظ پایداری پلاسما برای تولید ۲۰۰ تا ۳۰۰ مگاوات توان الکتریکی بررسی‌شده در این مقاله درمقایسه‌با محصورسازی‌ای که ساختارهای عملیاتی توکامک‌های استاندارد به آن می‌رسند، به محصورسازی بیشتری نیاز دارد. تولید این مقدار توان می‌تواند به ایجاد شارهای همجوشی نوترون منجر شود که طول عمر تخمین‌زده‌شده‌ی آهن‌رباهای HTS را به یک تا دو سال از مدت زمان انجام عملیات با تمام توان محدود می‌کند. حفاظ ضخیم‌تر می‌تواند به‌طور درخورتوجهی این طول عمر را افزایش دهد؛ اما در‌عین‌حال، میزان قدرت تحویلی همجوشی را کاهش می‌دهد.
درحقیقت، پیشرفت‌های عمده‌ای درزمینه‌ی آهن‌رباهای HTS نیاز است که هنوز برای اندازه‌گیری ساخته نشده‌اند. منارد دراینباره گفت:
احتمالا ساخت مدلی از مؤلفه‌های اصلی موردنیاز در ابعاد آهن‌ربا و عوامل مرتبط به‌عنوان تابعی از نسبت منظری، چندین سال طول می‌کشد.
افزون‌براین، منارد معتق است براساس این نتایج نسبت منظری کمتر واقعا ارزش بررسی‌های بیشتر را دارد. همچنین، او خاطرنشان کرد مزایای بالقوه‌ی نسبت‌های منظری کمتر که تولید چگالی توان همجوشی (خروجی لازم توان همجوشی در هر حجم پلاسما) را نیز شامل می‌شود، بیش از میزان خروجی برای نسبت‌های منظری متعارف است. منارد دراینباره گفت:
موضوع همجوشی باید بیشتر بررسی شود؛ بنابراین، بسیار مهم است که مزایای نسبت‌های منظری کمتر و ویژگی‌های آن به‌درستی ارزیابی شود.