پروژه بزرگ و جنجالی ساخت خورشید روی زمین! - وبلاگ رضا

به گزارش وبلاگ رضا، دانشمندان توانسته اند بر یکی از بزرگترین چالش های رآکتورهمجوشی هسته ای که به قول خودشان پاشنه آشیل هم جوشی هسته ای بوده است، پیروز شوند.

به گزارش خبرآنلاین، دانشمندان توانسته اند با استفاده از سد حرارتی کم مصرف توکامک بزرگترین چالش رآکتور های همجوشی هسته ای را حل کنند. (توکامک (tokamak) یکی از گونه های مختلف از دستگاه های هم جوشی محصورسازی مغناطیسی، و یکی از نامزد ها برای تولید کنترل قدرت همجوشی گرما است که بیشترین تحقیق روی آن اجرا شده است. در توکامک ها، از میدان های مغناطیسی برای محصور کردن پلاسما استفاده می شود. زیرا که هیچ ماده جامدی نمی تواند درجه حرارت بسیار بالای پلاسما را تحمل کند.)

محققان توانستند به منظور محافظت از پلاسمای همجوشی در برابر ناخالصی های دیواره های رآکتور، که راندمان تولید انرژی را تا حد زیادی کاهش می دهد، محیطی را ایجاد کنند که سد گرمایی نازک اطراف آن را بهینه کند.

این کشف نشان می دهد که چطور می توان واکنش های همجوشی را تحت شرایط مناسب کارآمدتر کرد، و چقدر این موضوع در آینده در توسعه راکتور های همجوشی هسته ای، مانند رآکتوری نظیر ITER که قرار است بزرگترین رآکتور در نوع خود باشد و در حال حاضر در فرانسه در حال ساخته شدن است، در مقیاس بزرگ مهم خواهد بود.

همجوشی هسته ای چیست؟

همجوشی هسته ای در واقع فنآوری است که به روش خورشید، انرژی تولید می کند: یعنی زمانی که دو اتم با آن چنان نیرویی به سمت یکدیگر پرتاب می شوند، که با هم ترکیب شده و به یک اتم واحد و بزرگتر تبدیل می شوند. در این فرآیند مقدار زیادی انرژی آزاد می شود.

همجوشی هسته ای، بر خلاف شکاف هسته ای (واکنش هسته ای که در حال حاضر در بخش انرژی استفاده می شود)، زباله های رادیواکتیو تولید نمی کند؛ و طبق برآورد وزارت انرژی ایالات متحده، سه تا چهار برابر انرژی بیشتری نسبت به شکاف هسته ای تولید می کند، بعلاوه برخلاف انرژی حاصل از سوزاندن سوخت های فسیلی، دی اکسید کربنی را وارد جو زمین نمی کند. بعلاوه، همجوشی فرآیندی بسیار شکننده است که اگر در شرایط درستی انجام نگیرد، در کثری از ثانیه، خاموش می شود؛ بنابراین خطر ذوب هسته ای ناشی از این واکنش وجود ندارد.

با این حال یک مشکل وجود دارد: برای ایجاد شرایط همجوشی به مقدار زیادی انرژی نیاز است و تا به امروز نتوانسته ایم انرژی خروجی بیشتری، نسبت به انرژی ورودی بدست آوریم؛ بنابراین تمرکزمان بر این است که واکنش را تا حد امکان ساده و کارآمد کنیم تا اتلاف انرژی را به حداقل رسانده و انرژی تولیدی را به حداکثر برسانیم.

این پیشرفت از طریق اعضای سازمان انرژی اتمی بریتانیا (UKAEA) و کنسرسیوم EUROfusion که در کارخانه مشترک اروپایی (JET) در آکسفوردشایر و در محوطه دانشگاهی کولهام UKAEA کار می کنند، بدست آمده است.

این کارخانه از ماشینی به نام توکامک حلقوی استفاده می کند. وسیله ای به شکل دونات که برای مهار جریان حلقه مانند پلاسمای فوق العاده داغ، از آهنربا های قدرتمندی استفاده می کند.

پلاسما حالت چهارم ماده، بعد از جامدات، مایعات و گاز ها است. این حالت شبیه به شعله می باشد، اما بسیار داغتر از آن است. پلاسما در دما های بسیار بالا تشکیل می شود و اساساً ترکیبی از الکترون ها با بار منفی و یون هایی با بار مثبت عناصر است که در دمای بسیار داغ از هم جدا شده اند.

همجوشی بکار گرفته شده در کارخانه JET شامل ترکیب سخت اتم های هیدروژن با یکدیگر، تا زمان ذوب آن ها است. (اگرچه در روش های مختلف همجوشی، می توان از عناصر مختلفی در این واکنش استفاده کرد.)

اتم هیدروژن استاندارد شما، حاوی یک ذره با بار مثبت به نام پروتون و یک ذره با بار منفی به نام الکترون است. وقتی اتم های هیدروژن تحت گرمای بسیار شدید به پلاسما تبدیل می شوند، از الکترون های خود جدا شده و به ذرات دارای بار مثبت به نام یون تبدیل می شوند که یکدیگر را دفع می کنند.

تحمل دما های بسیار بالا

در خورشید، نیرو های گرانشی شدید، فشار بسیار بالایی تولید می کنند که بر این نیروی دافعه غلبه می کند. اما ایجاد چنین فشار های بالایی بر روی زمین تقریبا غیرممکن است. بنابراین، ما باید پلاسما را تا دمایی حتی بالاتر از آنچه در JET اجرا شده گرم کنیم، (شاید 10 برابر گرمتر از مرکز خورشید) - تا این ذرات به معنای واقعی ایجاد همجوشی کنند.

برای مقاومت در برابر این دما های بسیار بالا، فلزات مورد استفاده در پوشش دیوار های داخلی دستگاه، باید دارای نقطه ذوب فوق العاده بالایی باشند. بخشی از رآکتور که در تماس مستقیم با پلاسما قرار می گیرد، منحرف کننده نامیده می شود که در واقع به نوعی شبیه یک سیستم اگزوز برای محفظه ای است که واکنش در آن انجام می شود. این بخش از دستگاه باید مقاوم ترین قسمت، در برابر دما های بالای پلاسمای همجوشی باشد.

فیلد، فیزیکدان ارشد UKAEA می گوید: از تنگستن به عنوان ماده مناسب برای قسمت منحرف کننده استفاده می شود، زیرا بالاترین نقطه ذوب را در بین سایر فلزات دارد، و در دمای 3400 درجه سانتیگراد ذوب می شود.

اگرچه تنگستن نیز مسائل خاص خود را دارد، و UKAEA یکی از نقاط ضعف این عنصر را اینگونه توصیف می کند: وقتی پلاسمای داغ، داخل منحرف کننده جریان پیدا می کند، با دیوار هایی که از جنس تنگستن هستند واکنش نشان می دهند، و تنگستن می تواند برخی از الکترون های خود را از دست داده و وارد پلاسما کند.

از آنجایی که اتم های تنگستن بسیار سنگین هستند (هر اتم حاوی 74 پروتون و 74 الکترون است)، جدا کردن تمام الکترون های آن بسیار سخت است. این یک مشکل بزرگ است، زیرا الکترون هایی که همچنان به تنگستن متصل می مانند، می توانند انرژی را از الکترون های پلاسما بگیرند، و این موضوع روند پایدار فرآیند کلی را بسیار سخت تر می کند؛ و اگر حفظ این روند پایدار سخت شود، امکان دریافت مقدار انرژی بیشتر از آنچه وارد واکنش شده، به خطر می افتد.

فیلد می گوید: اگر در مقدار تعیینی از پلاسما، بیشتر از یک مقدار تعیین و محدود تنگستن وجود داشته باشد، حفظ روند پایدار واکنش غیرممکن می شود.

در مرحله اول، برای جلوگیری از ورود ناخالصی های تنگستن به داخل پلاسما، باید مانعی در قسمت خارجی پلاسما قرار داده شود تا از ورود تنگستن به آن جلوگیری کند.

دهه ها پیش فرض بر این بود که کاهش شدید دما بین هسته پلاسما و دیواره های منحرف کننده می تواند به عنوان نوعی سد حرارتی برای محافظت از پلاسما در برابر این نوع آلودگی عمل کند. اکنون، فیلد و تیمش نشان داده اند که نظریه قراردادن سد حرارتی در اطراف لبه پلاسما، عملی است.

فیلد گفت: این کشف بسیار هیجان انگیز بود، زیرا پدیده غربالگری ناخالصی، قبلا پیش بینی شده بود، اما هرگز در یک توکامک واقعی در لبه پلاسما مشاهده نشده بود.

او اضافه کرد: این مشاهدات نگرانی های آینده ما را در مورد یکی از عدم قطعیت های بزرگ پوششی در اطراف پلاسما که مربوط به عملکرد یک رآکتور همجوشی توکامک می شود، کاهش خواهد داد.

به گفته فیلد: سد گرمایی، یک لایه نازک و عایق از جریان برش قوی، به طول 2 تا 3 سانتیمتر است که درست در لبه داخلی پلاسما شکل می گیرد. این مکانیسم درست مشابه روشی است که جت استریم های موجود در لایه های بالایی جو زمین، از حرکت جریانات هوای سرد از منطقه ها قطبی به سمت منطقه ها معتدل و بالعکس جلوگیری می کنند.

برای اینکه این مانع گرمایی بتواند ناخالصی ها را به خوبی از بین ببرد، باید اختلاف دمای کافی بین پلاسمای محصور و لبه پلاسما وجود داشته باشد. فیلد می گوید این اختلاف دما برابر با 22 میلیون درجه سانتیگراد، با ضخامت یک پنجره سه جداره است!

فیلد گفت که تأیید این فرضیه، برداشتن گام مهمی به سوی جام مقدس تولید نیرو از همجوشی است.

این روش بخشی از سری آزمایش هایی بود که به JET اجازه داد تا رکورد جهانی تولید انرژی همجوشی پایدار را در فوریه 2022 بشکند، و در مدت زمان 5 ثانیه، 59 مگاژول همجوشی پایدار تولید کند.

در حالی که تنگستن در همه راکتور های همجوشی هسته ای استفاده نمی شود، اما به طور کلی اثبات این نظریه گامی بزرگ برای پیشرفت صنعت همجوشی هسته ای است. استیون مک نامارا، مدیر علمی توکامک در توکامک انرژی، یکی دیگر از شرکت های همجوشی که از آهنربا برای پشتیبانی از فرآیند همجوشی استفاده می کند، در گفتگو با نیوزویک گفت: هر چالشی که بر آن غلبه می کنیم گامی به سوی هدف جمعی ما برای داشتن و تولید انرژی همجوشی پاک و بدون مقدار برای جهانیان است. ما این پیروزی را به تیم های UKAEA و EUROfusion تبریک می گوییم و هر نکته آموزشی مربوط به دستگاه های آینده توکامک انرژی را به کار خواهیم گرفت.

این آزمایشات که در مقیاس کوچک در JET برای بهینه سازی کارایی ITER (بزرگترین ماشین توکامک جهان)، که در حال حاضر در فرانسه در حال ساخت می باشد، اجرا شده است. طبق گفته وب سایت ITER، انتظار می رود ITER اولین پلاسمای خود را تا انتها سال 2025 تولید کند و فعالیت های کامل آن از سال 2035 آغاز شود.

منبع:newsweek