بخش خصوصی در رؤیای ساخت اولین نیروگاه همجوشی هسته‌‌ای

در سال ۱۹۲۰، آرتور ادینگتون، اخترفیزیک‌‌شناس انگلیسی، یک سخنرانی در انجمن پیشرفت علوم درمورد ساختار درونی ستاره‌ها ایراد کرد. او در فرضیه‌‌ی خود گفت:

آنچه باعث درخشش خورشید ما می‌‌شود، نوعی واکنش هسته‌‌ای است. این منبع انرژی، متفاوت از آن نوع انرژی زیراتمی است که گمان می‌‌رود در تمام مواد وجود دارد. ما گاهی در این رؤیا به‌‌سر می‌‌بریم که روزی موفق به آزادسازی این انرژی خواهیم شد و آن را به خدمت خود درخواهیم آورد. درصورت موفقیت در کنترل آن، این منبع تمام‌‌نشدنی خواهد بود.

ادینگتون این فرض را مطرح کرد که انرژی مورد نظر درخلال تبدیل هسته‌‌ی اتم‌های هیدروژن به هسته‌ی اتم هلیوم آزاد می‌‌شود. او می‌دانست که یک جرم هسته‌‌ی هلیوم کمی کم‌تر از جرم چهار هسته‌‌ی هیدروژن است و تصور می‌‌کرد که این تفاوت جرم (مطابق فرمول E=mc2 که بعدها توسط اینشتین کشف شد) باید به انرژی تبدیل شده باشد و همین انرژی برای حیات زرادخانه‌‌ای بزرگ همچون خورشید کفایت می‌‌کند. اتفاقا حق با او بود. او همچنین در مورد رؤیای مردم برای بهره‌برداری از این انرژی نیز پیش‌‌بینی درستی کرده بود. اندکی پس اثبات نظریات ادینگتون، جستجوی برای این انرژی آغاز شد و تا همین امروز نیز رؤیای دستیابی به آن وجود دارد؛ چرا که سوخت مورد نیاز این فرایند فراوان بوده و فرایند تولید انرژی کاملا عاری از کربن است.

تصویری از آرتور ادینگتون درکنار آلبرت ایشنتین

بااین‌حال، طی سال‌های اخیر، رویای کنترل گداخت هسته‌ای توسط انسان با اندک تغییراتی مواجه شده است. از زمان ساخت راکتور زتا (ZETA) که اولین تلاش ناشیانه‌‌ی بشر در دهه‌‌ی ۱۹۵۰ برای ساخت یک راکتور همجوشی در جنوب انگلستان بود، تا پروژه‌‌ی Iter، ماشین غول‌‌پیکری که باصرف هزینه و بودجه‌‌ی فراوان اخیرا در جنوب فرانسه شروع به کار کرد، دولت‌‌ها تمام تلاش خود را برای سیطره بر این فناوری به‌‌کار گرفته‌‌اند. اما امروزه دیگر روال کار تغییر یافته؛ چرا که اکنون پای منافع تجاری نیز به‌‌میان آمده است. اکنون شرکت‌هایی در آمریکای شمالی و اروپا در حال طراحی و برنامه‌ریزی برای ساخت دستگاهی هستند که امیدوارند روزی به‌‌عنوان راکتورهای همجوشی سودآور به‌‌کار گرفته شود. برای هریک از این پروژه‌ها، رویکردهایی متنوع و مقادیر بودجه‌‌ی متفاوتی درنظر گرفته شده است؛ اما همه‌ی آن‌ها در یک ویژگی مشترک هستند: رؤیای به‌‌خاک‌‌سپاری این ایده که ما همچنان تا رسیدن‌‌به فرایند تجاری گداخت هسته‌‌ای بیش از ۳۰ سال فاصله داریم.

خوشبختانه، راه میانبری نیز برای چنین واکنشی وجود دارد. بدین‌‌ترتیب که ابتدا با بارگذاری اتم‌‌های هیدروژن توسط نوترون‌‌های اضافی، ذراتی را با نام دوتریوم یا تریتیوم تولید کنیم. در حقیقت، یکی از هر ۶هزار اتم هیدروژن روی زمین، دوتریوم است. این بدان معنا است که این ماده را می‌‌توان از آب استخراج کرد. اما تریتیوم ماده‌‌ای رادیواکتیوی و نایاب به‌شمار می‌آید که نیاز است به‌‌شکلی مصنوعی تولید شود. بااین‌حال، انجام این فرایند آسان است و مواد خام موردنیاز برای آن، یعنی لیتیوم، به‌‌وفور در دسترس قرار دارد.

دوتریوم و تریتیوم بسیار راحت‌‌تر از پروتون‌‌های ساده وارد واکنش می‌‌شوند و به‌‌علاوه طی این فرایند، تنها هلیوم و یک نوترون اضافی تولید خواهد شد و هیچ‌‌گونه پوزیترونی نیز در کار نخواهد بود. تمام کاری که برای داشتن یک راکتور همجوشی نیاز است، طراحی و ساخت دستگاهی است که بتواند ترکیبی از دوتریوم و تریتیوم را برای مدت‌‌زمان کافی در در دما و دانسیته‌ی موردنیاز برای شروع واکنش نگاه دارد؛ به‌‌گونه‌‌ای که انرژی خروجی فرایند به‌‌میزانی بیشتر از انرژی اولیه‌‌ی برای آغاز واکنش برسد. در هر ماشین پیشنهادی باید نوعی مصالحه بین پارامترهای دما، چگالی و زمان واکنش برقرار کرد. امروزه، ترکیب مطلوب این پارامترها در قالب مجموعه شرایطی با نام «معیار لاوسون» شناخته می‌‌شود که به‌‌افتخار تلاش‌‌های جان لاوسون در طراحی ماشین زتا نام‌‌گذاری شده است.

نمایی از پیشرفت پروژه‌ی Iter در سال ۲۰۱۵

این روزها بیشتر تلاش‌ها برای رسیدن به معیار لاوسون با استفاده از ماشین‌هایی به‌نام توکامک (tokamak) انجام می‌‌گیرند. این دستگاه در دهه‌‌ی ۱۹۵۰ توسط آندری ساخاروف، فیزیکدان اهل شوروی ابداع شد. به‌‌واسطه‌‌ی ابداع همین مفهوم بود که امروزه برخی از نمونه‌‌های تجاری مولد انرژی همجوشی همچنان به راه خود ادامه می‌‌دهند. یکی از این نمونه‌‌های دستگاه توکاماک، سیستم CFS) Commonwealth Fusion Systems)، محصولی از آزمایشگاه فیزیک پلاسمای مؤسسه‌‌ی تکنولوژی ماساچوست در کمبریج است. نمونه‌‌ی دیگر نیز دستگاه Tokamak Energy بوده که توسط آزمایشگاه تحقیقاتی سازمان انرژی اتمی بریتانیا در کالهام طراحی شده است.

گذر از معیار لاوسن

دستگاه توکامک معمولی شامل یک تیوب توخالی (با ظاهری شبیه‌‌به یک دونات بزرگ) است که نوعی الکترومگنت ابررسانا به‌‌دور آن پیچیده شده است. این تیوب حاوی نوعی سوخت به‌‌شکل پلاسما حاوی دوتریوم و تریتیوم است (گازی که در آن الکترون‌ها و هسته‌های اتمی از یکدیگر جدا شده‌اند). آهن‌‌رباها باهدف گرم‌‌کردن پلاسما و محدود‌‌کردن آن به‌‌کار می‌برند؛ بدین‌‌ترتیب که چگالی پلاسما را حفظ می‌‌کنند و آن را از دیواره‌‌ی تیوب دور نگه می‌دارند؛ چراکه به‌‌محض تماس با دیواره، پلاسما دمای خود را از دست خواهد داد.

توکامک‌ها معمولا ماشین‌هایی با ابعاد بزرگ هستند. برای مثال، تیوب Iter حجمی معادل‌‌با ۸۳۰ متر مکعب دارد. حجم تیوب راکتور CFS حدود یک‌شصت‌‌وپنجم Iter است. علت توانایی کار چنین دستگاهی در این ابعاد کوچک، وجود مگنت‌‌های قوی‌‌تر در آن است که می‌‌تواند پلاسما را در فشار بیشتری قرار دهد. برای حفظ حالت ابررسانایی در این آهن‌ربا نیاز به خنک‌‌کردن آن‌‌ها است؛ بنابراین با استفاده از نیتروژن مایع که ارزان‌‌تر از هلیوم مایع است، می‌‌توان نسبت‌‌به خنک‌‌سازی اقدام کرد.

پژوهشگران در Tokamak Energy هم از ابررساناهای خنک‌‌سازی‌‌شده توسط نیتروزن مایع برای مگنت‌‌های خود استفاده می‌‌کنند. بااین‌حال، این شرکت بنابر دلایلی، از کاربرد شکل متعارف توکامک خودداری کرده است. دستگاه موردکاربرد شبیه سیبی است که هسته‌‌های آن خارج شده باشند. نظریه‌‌ی آن‌‌ها می‌‌گوید پلاسما در چنین ساختار کروی‌شکلی، پایدارتر خواهد بود و درنتیجه راحت‌تر می‌توان آن را کنترل کرد. همچنین برخلاف CFS، این شرکت در حال حاضر توانسته مجموعه‌ای از نمونه‌های اولیه‌‌ی در حال کار را بسازد که آخرین آن‌ها تحت‌‌عنوان ST40، به دمای پلاسمای ۱۵ میلیون درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد نیز دست یافته است. هدف این شرکت در عرض چند سال آینده آن است که به دمای ۱۰۰ میلیون درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد برسد. چنین چیزی، به‌‌معنای طی دوسوم از مسیری است که برای رسیدن به دمای ۱۵۰ میلیون درجه‌‌ای (مطابق معیار لاوسون) نیاز داریم.

تصویر مفهومی از ابعاد راکتور CFS

بااین‌حال، توکامک‌‌ها تنها راکتورهای موجود نیستند. در ونکوور کانادا، شرکتی به‌نام جنرال‌فیوژن در حال کار روی نوعی راکتور است که از پدیده‌ای به‌نام پیکربندی میدان معکوس (FRC) استفاده می‌کند. در این شیوه، نیروی مغناطیسی محدودکننده توسط حرکت ذرات باردار الکتریکی در پلاسما تولید می‌شود؛ به‌‌طوری که پلاسما در گردبادی مشابه حلقه‌‌ی دود می‌چرخد.

در ماشین ساخته‌‌شده توسط جنرال‌‌فیوژن، پلاسمای تزریق‌‌شده به محفظه‌‌ی کروی راکتور، با اعمال نیروی هم‌زمان ازسوی صدها پیستون‌ متصل به اتاقک بیرونی به‌‌سرعت فشرده می‌‌شود. این کار موجب ایجاد یک موج ضربه‌ای می‌‌شود که با فشرده‌‌سازی سوخت متشکل از دوتریوم و ترتیوم، چگالی پلاسما را به هزار برابر افزایش داده و دمای آن را از ۵ میلیون به ۱۵۰ میلیون درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد می‌‌رساند. بهبود چشمگیر این دو پارامتر مهم در معیار لاوسن بدان معنا خواهد بود که کوچک‌‌بودن عامل سوم، یعنی زمان دیگر تاثیر چندانی نخواهد داشت. کریستوفر ماوری، رئیس شرکت ژنرال فیوژن، امیدوار است با ساختن یک نمونه‌‌ی آزمایشی بتواند درست‌‌بودن ایده‌ی مذکور را اثبات کند.

شرکت دیگری که از رویکرد FRC استفاده می‌کند، TAE نام دارد که واقع‌در فوت‌‌هیل رنچ کالیفرنیا است. آخرین محصول این شرکت که در ژوئیه‌‌ی ۲۰۱۷ رونمایی شد، یک ماشین ۲۵ متری به‌نام نورمن است که به افتخار نورمن روستوکر، فیزیکدان پلاسما در دانشگاه کالیفرنیا نام‌‌گذاری شد. وی که بنیان‌‌گذار شرکت TAE بود، در سال ۲۰۱۴ چشم از جهان فرو بست.

نورمن یک راکتور استوانه‌ای است. تزریق‌‌کننده‌‌های پلاسما در دو سوی سیلندر به‌‌طور هم‌زمان جریان‌های FRC را با سرعتی حدود یک میلیون کیلومتربرثانیه به‌‌سوی هم شلیک می‌‌کنند. هنگامی‌که این جریان‌‌ها به‌‌یکدیگرمی‌رسند، یک توده‌‌ی ابر سیگاری شکل به‌‌طول سه متر و عرض ۰.۵ متر تشکیل می‌شود و باکمک پرتوهایی از اتم‌‌های دوتریوم که از خارج به‌‌سوی آن شلیک می‌‌شود، به گردش خود ادامه می‌‌دهد و به این ترتیب حرارت و پایداری آن حفظ خواهد شد.

راکتور همجوشی طراحی‌شده توسط ژنرال فیوژن

تاکنون، دستگاه نورمن توانسته جریان‌‌هایی با دمای ۳.۵ میلیون درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد تولید کند که حدود ۱۰ میلی‌ثانیه دوام آورده‌‌اند؛ مدت‌زمانی مناسب که نسبت‌‌به پایداری چند میکروثانیه‌‌ای FRCهای رایج موفقیت چشمگیر به‌‌شمار می‌‌آید. TAE امیدوار است تا پایان سال جاری بتواند به دمای حدود ۳۰ میلیون درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد دست یابد و در عین حال، عمر آن را به سه‌برابر برساند. همه این‌ اقدامات هوشمندانه به نظر می‌‌رسند؛ اما آنچه رویکرد شرکت را خاص می‌سازد، این است که می‌خواهد به‌‌جای دوتریوم از هیدروژن معمولی و بور استفاده کند. این واکنش به‌‌جای تولید هسته‌‌ی هلیوم و یک نوترون، سه هسته‌‌ی هلیوم تولید خواهد کرد. درواقع، نام TAE در اصل به انرژی TRI Alpha (به‌‌معنای سه آلفا) اشاره دارد؛ چراکه در رشته‌‌ی‌ فیزیک هسته‌ای، هسته‌‌ها‌‌ی منفرد هلیوم به‌‌عنوان ذرات آلفا شناخته می‌شوند.

مشکل روش جدید آن است که سایر راکتور نوترون‌ها را جذب خواهد کرد و کل آن را تبدیل به یک منبع رادیواکتیو می‌کند و درنهایت به ساختار آن آسیب می‌رساند (هرچند این میزان رادیواکتیویته، با آنچه در نیروگاه‌‌های شکافت هسته‌‌ای رخ می‌‌دهد، اصلا قابل قیاس نیست). همچنین هر گام از این فرایند با اتلاف انرژی همراه است. بااین‌حال، روش پروتون-بور راهکار زیرکانه‌‌تری برای تولید الکتریسیته ارائه می‌کند؛ چراکه ذرات آلفا به‌‌طور مثبت باردار می‌‌شوند و درنتیجه می‌توانند جریانی را به‌‌شکل مستقیم درون یک رسانای خارجی القاء کنند؛ هیچ گرمایی در کار نخواهد بود و ذرات آلفا هرگز راهی برای فرار و آسیب به نقاط دیگر نخواهند داشت.

البته دراین‌میان، مشکلاتی هم پیش‌‌رو است. گداخت به‌‌روش پروتون-بور نیازبه حرارتی در مقیاس میلیاردها درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد خواهد داشت. این میزان حرارت، بااختلاف، چندبرابر بزرگ‌تر از هر دمایی است که تاکنون در آزمایش‌‌های گداخت به ثبت رسیده است. اگرچه این دماهای پلاسما تاکنون در مقیاس آزمایشگاهی تحت شرایط محیطی دیگری استحصال شده است، اما هنوز مشخص نیست که TAE چگونه می‌‌خواهد در تجهیزات مورداستفاده‌ی خود بدان دست یابد.

میگوی بزرگ

TAE در انتخاب سوخت مورد نیاز برای فرایند گداخت خود کمی غیرمتعارف عمل کرده؛ اما دیگر شکل‌هایی از افراط‌گرایی نیز برای چنین فرایندی قابل‌‌تصور است و آن به طراحی خود راکتور بازمی‌‌گردد. افراطی‌‌ترین طرح ممکن احتمالا ازسوی شرکت First Light Fusion از دانشگاه آکسفورد در حال پیگیری است. با اینکه این شرکت قصد دارد انرژی را از یک مخلوط معمولی از دوتریوم و ترتیوم استخراج کند، اما فناوری مورد استفاده ازسوی آن‌‌ها دراصل از یک میگو الهام گرفته شده است.

نمایی از دستگاه نورمن طراحی‌شده از سوی TAE

میگوهای تپانچه‌‌ای موردتوجه نیکلایس هاوکر، بنیان‌‌گذار شرکت First Light Fusion قرار گرفتند. دکتر هاوکر بااستنادبه نتایج مطالعه‌‌ی خود، به این فکر افتاد که آیا می‌تواند از این روش شکار میگو برای ایجاد پلاسمایی بهره ببرد که بتواند به معیارهای لاوسن دست یابد یا خیر.

هسته‌‌ی اولین طراحی راکتور First Light، وسیله‌ای است که در آن نیمی از یک چنگال میگو با پرتابه‌‌ای از یک دیسک کوچک آلومینیومی یا مسی جایگزین شده است. این پرتابه توسط نیم دیگر چنگال که متشکل‌‌از یک مکعب با ابعاد ۱۰ میلی‌‌متر با حفره‌‌ای از سوخت در میان آن است، با سرعت ۳۰ کیلومتر در ثانیه پرتاب می‌‌شود. ضربه‌‌ی این پرتابه، باعث ایجاد امواج شوک و درنتیجه حباب‌های کاویتاسیون می‌شود. بنابر محاسبات، وقتی که این حباب‌ها می‌‌ترکند، دوتریوم و تریتیوم درون حباب‌‌ها برای مدت زمان کافی در فضایی فشرده قرار خواهند گرفت که برای انجام یک فرایند گداخت کفایت می‌‌کند. آزمایش‌‌های طراحی‌شده در پایان سال جاری مشخص خواهند کرد که آیا این محاسبات واقعا صحیح بوده‌‌اند یا خیر.

فرصتی برای سرازیرکردن سرمایه‌ها

با این تفاسیر، به‌‌نظر می‌‌رسد امروزه هیچ‌‌گونه کمبودی ازلحاظ ایده‌‌های مربوط‌به نحوه‌‌ی ساخت یک راکتور هم‌‌جوشی وجود ندارد. اما اولین پرسشی که هر سرمایه‌گذاری با آن مواجه است، شاید این باشد که چه‌زمانی چنین ایده‌‌هایی به مرحله‌‌ی عملی خواهند رسید. در زمینه‌‌ی فناوری گداخت، مهم‌‌ترین چشم‌‌انداز پیش‌‌رو این است که بتوانیم به مرحله‌‌ی صرفه برسیم؛ یعنی نقطه‌‌ای که انرژی خروجی از گداخت پلاسما بیشتر از انرژی واردشده به آن شود.

در این داستان، هرکدام از بازیگران، چشم‌‌انداز روشن خود را به تصویر می‌‌کشند. CFS قصد دارد تا سال ۲۰۲۵ به این چشم‌‌انداز دست یابد. Tokamak Energy نیز هدفی مشابه دارد. TAE می‌گوید که دستگاه بعدی این شرکت نه‌تنها به مرحله‌‌ی صرفه خواهد رسید، بلکه نمونه‌ای نمایشی از یک نیروگاه برق خواهد بود. درحقیقت، این شرکت ادعا دارد که تا سال ۲۰۳۰ اولین نیروگاه هم‌‌جوشی خود را وارد مدار شبکه‌‌ی سراسری برق خواهد کرد. توکامک نیز می‌‌گوید این همان سالی خواهد بود که اولین نیروگاه هم‌‌جوشی در مقیاس شبکه با ظرفیت ۱۰۰ مگاوات برق آغاز به‌‌کار خواهد کرد. First Light Fusion نیز پیش‌بینی می‌کند که راکتورهای دارای این فناوری از دهه‌‌ی ۲۰۳۰ وارد مدار خواهند شد.

ساختگاه گداخت هسته‌ای شرکت First Light Fusion

البته باید تمامی این خوش‌‌بینی‌‌ها را باید به‌‌دیده‌‌ی احتیاط نگریست؛ به‌‌خصوص اینکه ما با شرکت‌‌هایی خصوصی طرف هستیم که برای انجام آزمایش‌‌های آتی خود نیازمند سرمایه‌‌گذاری‌هایی کلان‌تر هستند. بااین‌حال، سرمایه‌‌گذاری‌‌ها در حال افزایش‌ هستند. TAE تاکنون توانسته بیش‌‌از ۶۰۰ میلیون دلار سرمایه از بخش خصوصی جذب کند. جنرال فیوژن نیز بیش از ۱۰۰ میلیون دلار، Tokamak Energy، مبلغ ۶۵ میلیون دلار و First Light که هنوز در مراحل اولیه‌‌ی پیشرفت است، توانسته حدود ۳۲ میلیون دلار سرمایه جذب کند.

بی‌‌شک، در این راه با چالش‌های مختلفی مواجه خواهیم بود. همان‌‌طور که استفن دین از اتحادیه‌‌ی انرژی هم‌‌جوشی می‌‌گوید:

تاریخ فناوری هم‌‌جوشی نمی‌‌تواند با قاطعیت به شما بگوید مشکلی در این مسیر وجود نخواهد داشت. شما می‌دانید که مدت ۵۰ سال است که در آن بوده‌ایم و همیشه مشکلی وجود داشته است.

با این وجود، او همچنین می‌گوید که هیچ‌‌گونه‌ مانع جدی‌ بر سر راه این شرکت‌‌های خصوصی نمی‌‌بیند: «همه‌‌ی آن‌‌ها براساس اصول فیزیکی خوبی بنا شده‌‌اند و افراد خوبی برای هدایت این پروژه‌‌ها گمارده شده‌‌اند.» نهایتا دستاورد این تلاش، در تصورها هم نخواهد گنجید. اگر حتی یکی از این شرکت‌های نوپا هم موفق شود، تأمین برق جهان به‌‌شیوه‌‌ای بدون کربن و برای همیشه تضمین خواهد شد.