نحوه نگاه دانشمندان به همجوشی در سال 1401 برای همیشه تغییر کرد؛ زمانی که آنچه برخی «آزمایش قرن» نامیدند، برای اولین بار نشان داد که همجوشی میتواند یک منبع پایدار و پاک انرژی باشد.
این آزمایش در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور توانست به اشتعال دست یابد: واکنشی که انرژی بیشتری نسبت به ورودی تولید کرد.
علاوه بر این، در سالهای اخیر سرمایهگذاریهای خصوصی چند میلیارد دلاری در این حوزه، عمدتاً در ایالات متحده، افزایش یافته است.
با این حال، چالشهای مهندسی متعددی باید حل شوند تا همجوشی به منبعی ایمن و مقرونبهصرفه برای تولید انرژی پاک تقریباً نامحدود تبدیل شود. به عبارت دیگر، اکنون «زمان مهندسی» فرا رسیده است.
بهعنوان مهندسانی که دههها در زمینه علوم پایه و مهندسی کاربردی همجوشی هستهای کار کردهایم، شاهد بودهایم که بسیاری از جنبههای علمی و فیزیکی همجوشی در ۱۰ سال گذشته به بلوغ رسیدهاند.
اما برای اینکه همجوشی به منبعی عملی برای تولید انرژی تجاری تبدیل شود، مهندسان اکنون باید با چالشهای عملی متعددی روبهرو شوند. اینکه آیا ایالات متحده میتواند از این فرصت استفاده کند و به رهبر جهانی در زمینه انرژی همجوشی تبدیل شود، تا حدی به میزان سرمایهگذاری این کشور در حل این مشکلات عملی، بهویژه از طریق همکاریهای دولتی-خصوصی بستگی دارد.
ساخت رآکتور همجوشی
همجوشی زمانی رخ میدهد که دو نوع اتم هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم، در شرایط بسیار شدید با هم برخورد کنند. این دو اتم با دمایی حدود ۱۸۰ میلیون درجه فارنهایت (۱۰۰ میلیون درجه سلسیوس)، یعنی ۱۰ برابر داغتر از هسته خورشید، به یک اتم تبدیل میشوند.
برای انجام این واکنشها، زیرساختهای انرژی همجوشی باید شرایط فوقالعاده سخت را تحمل کنند.
دو روش اصلی برای دستیابی به همجوشی در آزمایشگاه وجود دارد:
۱. همجوشی با محصورسازی اینرسی که از لیزرهای قدرتمند استفاده میکند.
۲. همجوشی با محصورسازی مغناطیسی که از مغناطیسهای قوی بهره میگیرد.
در حالی که «آزمایش قرن» از روش محصورسازی اینرسی استفاده کرد، روش محصورسازی مغناطیسی هنوز نتوانسته است در تولید انرژی به نقطه تعادل برسد.
چندین آزمایش خصوصی در نظر دارند این هدف را در همین دهه محقق کنند و یک پروژه بزرگ بینالمللی در فرانسه به نام ITER نیز امیدوار است تا اواخر دهه 1409 به تعادل انرژی برسد. هر دوی این پروژهها از روش محصورسازی مغناطیسی استفاده میکنند.
چالشهای پیش رو
هر دو روش همجوشی با مجموعهای از چالشهای مشترک روبهرو هستند که حل آنها هزینهبر خواهد بود. بهعنوان مثال، پژوهشگران باید مواد جدیدی توسعه دهند که بتوانند دماها و شرایط تابشی شدید را تحمل کنند.
مواد رآکتور همجوشی نیز با بمباران ذرات پرانرژی رادیواکتیو میشوند. پژوهشگران باید موادی طراحی کنند که سطح رادیواکتیویته آنها طی چند سال به حدی کاهش یابد که دفع آنها ایمنتر و آسانتر شود.
تولید سوخت کافی و به روش پایدار نیز چالشی مهم است. دوتریوم فراوان است و میتوان آن را از آب معمولی استخراج کرد. اما افزایش تولید تریتیوم، که معمولاً از لیتیوم به دست میآید، بسیار دشوارتر خواهد بود. یک رآکتور همجوشی به صدها گرم تا یک کیلوگرم تریتیوم در روز نیاز دارد.
در حال حاضر، رآکتورهای هستهای معمولی، تریتیوم را بهعنوان محصول جانبی شکافت تولید میکنند، اما این مقدار برای پشتیبانی از تعداد زیادی رآکتور همجوشی کافی نیست.
بنابراین، مهندسان باید توانایی تولید تریتیوم در خود دستگاه همجوشی را توسعه دهند. این ممکن است شامل محصور کردن رآکتور همجوشی با مواد حاوی لیتیوم باشد که واکنش آن را به تریتیوم تبدیل کند.
مقایسه محصورسازی اینرسی و مغناطیسی
برای گسترش روش محصورسازی اینرسی، مهندسان باید لیزرهایی توسعه دهند که بتوانند چندین بار در ثانیه، یک هدف سوخت همجوشی متشکل از دوتریوم و تریتیوم یخزده را هدف بگیرند. اما در حال حاضر، هیچ لیزری به اندازه کافی قدرتمند نیست که این کار را با این سرعت انجام دهد. همچنین، مهندسان باید سیستمهای کنترل و الگوریتمهایی طراحی کنند که این لیزرها را با دقت بالایی به هدف هدایت کنند.
چشمانداز سرمایهگذاری
سرمایهگذاریهای خصوصی در سراسر جهان افزایش یافتهاند و احتمالاً همچنان نقشی کلیدی در پیشبرد پژوهشهای همجوشی ایفا خواهند کرد. در پنج سال گذشته، شرکتهای خصوصی بیش از ۷ میلیارد دلار سرمایه جذب کردهاند.
اگرچه سرمایهگذاریهای بخش خصوصی رشد کردهاند، دولت ایالات متحده همچنان نقشی کلیدی در توسعه فناوری همجوشی داشته و انتظار میرود این نقش در آینده نیز ادامه یابد.