تولید انرژی بی‌پایان با همجوشی هسته‌ای؛ آیا دانشمندان ناممکن را ممکن می‌کنند؟

دانشمندان در یک آزمایشگاه فیزیک پلاسمای ایالات متحده می‌گویند حلقه‌ای مفقوده در معادلات همجوشی هسته‌ای را کشف کرده‌اند که می‌تواند مسیر رسیدن به یک راکتور گرماهسته‌ای فعال را هموار کند. به گفته محققان آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL)، کشف تازه می‌تواند طراحی راکتور‌های عظیم همجوشی هسته‌ای موسوم به «توکامک» را بهبود دهد.

کد خبر: ۶۸۷۴۶۰

تاریخ: ۰۴ مرداد ۱۴۰۱ - ۲۱:۰۰

دانشمندان در یک آزمایشگاه فیزیک پلاسمای ایالات متحده می‌گویند حلقه‌ای مفقوده در معادلات همجوشی هسته‌ای را کشف کرده‌اند که می‌تواند مسیر رسیدن به یک راکتور گرماهسته‌ای فعال را هموار کند.

به گفته محققان آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL)، کشف تازه می‌تواند طراحی راکتور‌های عظیم همجوشی هسته‌ای موسوم به «توکامک» را بهبود دهد.

توکامک‌ها دستگاه‌هایی هستند که برای ایجاد پایداری پلاسما ساخته شده اند. دانشمندان در این دیگ‌های پیشرفته به یک عنصر، معمولاً هیدروژن، آنقدر حرارت می‌دهند که تبدیل به سوپی داغ از الکترون‌ها و هسته‌های اتم در حالت پلاسما ‌شود. در این شرایط است که «همجوشی هسته ای» امکان‌پذیر می‌شود. همجوشی هسته‌ای فرآیندی است که طی آن دو هسته اتم به منظور تشکیل یک هسته سنگین‌تر با یکدیگر جوش می‌خورند؛ برای مثال هم‌جوشی دو ایزوتوپ هیدروژن باعث ایجاد هلیوم می‌شود.

این فرآیندی است که در برخی ستارگان از جمله خورشید مدام در حال تکرار است و اگر بتوان آن را روی سطح زمین بازتولید کرد، انسان به منبعی بی پایان از انرژی دست خواهد یافت. با این حال تولید پایدار این انرژی تا کنون ممکن نبوده است چرا که چالش‌های فنی در برابر این مسیر بسیار زیاد هستند.

دانشمندان بیش از ۵۰ سال است در تلاش بوده‌اند تا همجوشی را عملی سازند اما تا به الآن هیچ‌یک از دستگاه های توکامک ساخته شده در دنیا نتوانسته بیش از ده ثانیه دمای بالای ۱۰۰ میلیون ‌درجه را نگه دارد چرا که در دماهای بالا نگه داشتن حالت پلاسمای پایدار برای زمان طولانی بسیار دشوار است.

این مرحله ای حیاتی در ساخت راکتورها محسوب می شود به این دلیل که باید دما در درون راکتور به ۱۰ برابر هسته خورشید برسد تا پلاسما بتواند شروع به چرخش کند و متعاقبا بتوان انرژی آزاد شده از آن را به خدمت گرفت.

پژوهشگران در سال‌های اخیر در قالب تیم‌های مختلف مشغول کار بوده‌اند تا با بهره‌گیری از مدل‌سازی‌های کامپیوتری دستگاه‌های توکامک را ارتقا دهند. اگر این مدل‌سازی‌های کامپیوتری نبودند، دانشمندان ناچار می‌شدند با روش آزمون و خطا و صرف هزینه زیاد فرضیه‌های پیشنهادی خود را آزمایش کنند.

در تازه‌ترین این تلاش‌ها پژوهشگران در آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون، وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده، دریافته‌اند که معادلات مورد استفاده برای ایجاد این مدل‌های کامپیوتری فاقد یک بخش مهم هستند: مقاومت.

در مطالعه جدید دانشمندان دریافته‌اند که در محاسبات پیشین خود، مقاومت پلاسما برای جلوگیری از جریان الکتریسته را در نظر نمی‌گرفته‌اند. در حالات عادی ماده، مقاومت به راحتی قابل مشاهده است. برای مثال همه می‌دانند که که حرکت یک سنگ در هوا راحت‌تر از حرکت سنگ در آب است. با این حال مشاهده این مقاومت در حالت پلاسمای ماده به مراتب سخت‌تر است.

به گفته دانشمندان مقاومت پلاسما در برابر جریان الکتریسیته می‌تواند باعث ایجاد ناپایداری‌هایی به نام حالت‌های موضعی لبه (ELMs) در این ماده شود که به شکل فوران‌هایی کوچک در پلاسما بروز می‌کنند. اگر این فوران‌ها کنترل نشوند، می‌توانند به راکتورهای همجوشی آسیب وارد کنند.

ناتانیل فرارو، پژوهشگر در آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون، گفت: «عدم تثبیت پلاسما می‌تواند منجر به آسیب یا کاهش طول عمر قطعات در این تجهیزات شود، بنابراین ما با رفع این مشکلات باید مطمئن شویم تأسیساتی که در آینده خواهیم ساخت تاسیساتی پایدار و بدون مشکل خواهند بود. چرا که ساخت نمونه‌های اولیه در مقیاس کامل، بسیار گران و زمان‌بر و بهتر است از قبل از رسیدن به آن مرحله این مشکلات مرتفع شده باشند.»

پژوهشگران امید دارند که با تحقق‌پذیر کردن انرژی همجوشی هسته ای بتوانند جرقه آغاز یک منبع انرژی پاک و ارزان را بزنند. یک مزیت همجوشی هسته‌ای نسبت به شکافت هسته‌ای که در نیروگاه‌های اتمی انجام می‌شود این است که در این فرایند زباله خطرناک رادیواکتیو تولید نمی‌شود. یک مزیت دیگر انرژی همجوشی این است که از هیدروژن برای تولید هلیوم استفاده می‌کند و ما به دلیل وجود دریاها در زمین، از منبع تقریبا بی‌پایانی هیدروژن برخوردار هستیم.

نتایج مطالعات تازه دانشمندان در نشریه علمی «همجوشی هسته‌ای» منتشر شده است.

منبع: یورونیوز