رقابت برای همجوشی هسته ای در حال داغ شدن است

پیشرفت های اخیر در تحقیقات گداخت هسته ای، به ویژه در ایالات متحده و بریتانیا، امیدها را برای آینده انرژی پاک افزایش داده است همچنین توسعه این صنعت و سرمایه گذاری های قابل توجه در چین در فناوری همجوشی هسته ای، چین را به عنوان پیشرو در رقابت جهانی برای تجاری سازی قرار داده است.

دانشمندان ده ها سال است که به دنبال راهی برای تولید واکنش همجوشی هسته ای بوده اند تا عملیات تجاری را توسعه دهند که بتواند انرژی پاک فراوانی را فراهم کند، چندین پیشرفت در ایالات متحده و بریتانیا در دو سال گذشته نویدهای زیادی برای آینده همجوشی هسته ای نشان داده است، اما بسیاری از دانشمندان معتقدند که ما هنوز راه درازی تا بکارگیری این فناوری در مقیاس تجاری در پیش داریم.

در همین حال، سرمایه‌گذاری سنگین چین در تحقیق و توسعه فیوژن می‌تواند این کشور را در سال‌های آینده به رهبری جهانی در صنعت همجوشی هسته ای تبدیل کند.

دولت ها و شرکت های خصوصی چندین دهه است که سطوح عظیمی از سرمایه گذاری را برای تحقیقات علمی با هدف دستیابی به همجوشی هسته ای انجام می دهند و این به این دلیل است که همجوشی می تواند در هر کیلوگرم سوخت حدود چهار برابر بیشتر از شکافت هسته ای انرژی تولید کند، که این فرآیند مخالفی است که در حال حاضر در گیاهان استفاده می شود.

آژانس بین المللی انرژی، همجوشی هسته‌ای را فرآیندی تعریف می‌کند که طی آن دو هسته اتمی سبک با هم ترکیب می‌شوند و یک هسته سنگین‌تر را تشکیل می‌دهند و در عین حال مقادیر زیادی انرژی آزاد می‌کنند.

واکنش‌های همجوشی هسته ای در حالتی از ماده به نام پلاسما انجام می‌شود، گازی داغ و باردار ساخته شده از یون‌های مثبت و الکترون‌های با حرکت آزاد با خواص منحصربه‌فرد متمایز از جامدات، مایعات یا گازها... هسته‌ها باید در دماهای بسیار بالا با یکدیگر برخورد کنند - حدود ده میلیون درجه سانتیگراد - وقتی هسته‌ها در فاصله بسیار نزدیکی از یکدیگر قرار می‌گیرند، نیروی هسته‌ای جذاب بین آنها بیشتر از دافعه الکتریکی خواهد بود و به آنها اجازه می‌دهد تا همجوشی رخ دهد و تبدیل به یک هسته بزرگ تر شوند.

در دسامبر 2022، گروهی از دانشمندان آمریکایی در تأسیسات احتراق ملی (NIF) در آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور (LLNL) در کالیفرنیا از پیشرفت در فناوری همجوشی هسته‌ای خبر دادند، در طی یک آزمایش همجوشی، آنها توانستند خروجی بالاتری از انرژی نسبت به گداخت هسته ای تولید کنند.

آزمایش NIF شامل قرار دادن مقدار ناچیز هیدروژن در کپسولی به اندازه یک دانه فلفل و انفجار آن با لیزر 192 پرتو برای گرم کردن و فشرده‌سازی بود، سوخت لیزر کپسول را تا حدود 100 میلیون درجه سانتیگراد گرم می کند و آن را به بیش از 100 میلیارد برابر معادل جو زمین فشرده می کند.

این باعث می شود کپسول روی خود منفجر شود تا اتم های هیدروژن بتوانند با هم ترکیب شوند و انرژی آزاد کنند، مجموع انرژی ورودی 2.05 مگاژول بود و گروه شاهد خروجی 3.15 مگاژول انرژی همجوشی بود. (پس از این موفقیت اولیه، دانشمندان NIF موفقیت بیشتری را هنگام تکرار آزمایش تجربه کردند)

در سال 2024، دانشمندان آزمایشگاه JET مستقر در بریتانیا، پس از چهار دهه تحقیق در مورد همجوشی هسته ای، بیش از هر زمان دیگری از طریق فرآیند همجوشی به تولید انرژی بیشتری دست یافتند.

در حالی که این نویدبخش بود، دانشمندانی که این آزمایش را انجام دادند به سرعت به موانع استقرار فناوری همجوشی هسته‌ای در مقیاس تجاری اشاره کردند، دکتر عنیقا خان (پژوهشگر در همجوشی هسته ای، دانشگاه منچستر) توضیح داد: برای اینکه اتم‌ها روی زمین با هم ترکیب شوند، به دمای ده برابر گرمتر از خورشید - حدود 100 میلیون سانتی‌گراد - نیاز داریم و به چگالی کافی از اتم‌ها و برای مدت زمان کافی نیاز داریم.

در حالی که ایالات متحده و بریتانیا گام های مهمی در زمینه همجوشی هسته ای برداشته اند، این یک قدرت آسیایی است که انتظار می رود در سال های آینده جلوتر از رقبا حرکت کند، در چین دولت مقادیر زیادی بودجه را برای تحقیقات گداخت هسته‌ای - بین 1 تا 1.5 میلیارد دلار در سال - اختصاص می‌دهد و در مقایسه، دولت ایالات متحده حدود 800 میلیون دلار در سال تأمین مالی می کند.

در حالی که شرکت‌های خصوصی در ایالات متحده و چین بر این باورند که تا اواسط دهه 2030 می‌توان از انرژی همجوشی استفاده کرد، چین با سرعتی بی‌سابقه در حال حرکت است و استارت آپ انرژی سینگولاریتی مستقر در شانگهای، توکاماک خود را - یک ماشین استوانه ای یا دونات شکل پیچیده که هیدروژن را تا دمای شدید گرم می کند - در سه سال اول فعالیت خود ساخت که سریعتر از هر شرکت دیگری است که راکتور مشابهی ساخته است. (این تنها یکی از چندین شرکتی است که از جاه طلبی های هسته ای چین حمایت می کنند)

Energy Singularity 112 میلیون دلار سرمایه گذاری خصوصی جذب کرده و از این بودجه برای اولین بار در جهان استفاده کرده است که از آهنرباهای پیشرفته در آزمایش پلاسما در توکامک خود استفاده می کند.

اینها ابررساناهایی با دمای بالا هستند که از آهنرباهای مسی مورد استفاده در توکامک های معمولی قوی تر هستند، این می‌تواند به توکامک‌های کوچکتر به اندازه راکتورهای بزرگتر انرژی همجوشی تولید کند.

این شرکت امیدوار است که نسل دوم توکاماک را توسعه دهد تا نشان دهد که روش های آن تا سال 2027 از نظر تجاری قابل دوام هستند و قصد دارد یک رآکتور نسل سوم بسازد که بتواند قبل از سال 2035 برق شبکه را تامین کند.

در مقابل، بسیاری از توکامک‌های ایالات متحده قدیمی هستند، که این امر باعث شده است که این کشور برای پیشبرد تحقیقات خود به ماشین‌های جدیدتر در ژاپن، اروپا و بریتانیا تکیه کند، اندرو هالند مدیر عامل انجمن صنعت فیوژن مستقر در واشنگتن، توضیح داد: آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون به مدت 10 سال است که توکاماک خود را ارتقا داده است، توکامک دیگر در ایالات متحده، DIII-D، یک دستگاه 30 ساله است. (هیچ امکانات مدرن همجوشی هسته ای در آزمایشگاه‌های ملی آمریکا وجود ندارد)

با این وجود، ایالات متحده به پیشرفت تحقیقات فیوژن خود با استفاده از لیزر ادامه می دهد و در این ماه، ساخت تأسیسات جدید 150 میلیون دلاری در دانشگاه ایالتی کلرادو آغاز شد که هدف آن توسعه همجوشی هسته‌ای لیزری است.

تأسیسات لیزرهای فناوری پیشرفته برای کاربردها و علوم (ATLAS) از سه سیستم لیزری برای آزادسازی همزمان تقریباً 7 پتاوات توان - بیش از 5000 برابر کل ظرفیت تولید برق ایالات متحده - در پالس هایی با طول تنها 100 کوادریلیونم ثانیه استفاده می کند. (انتظار می رود عملیات در این کارخانه در سال 2026 آغاز شود)

این مسابقه به توسعه فناوری همجوشی هسته‌ای با قابلیت تولید انرژی پاک فراوان ادامه می‌دهد، که می‌تواند پایان وابستگی جهانی به سوخت‌های فسیلی باشد و علیرغم گام‌های قابل توجه ایالات متحده و متحدانش در دهه‌های اخیر، سطح عظیمی از بودجه در چین می‌تواند غول آسیایی را در زمینه استقرار گداخت هسته‌ای در دهه‌های آینده پیشی بگیرد.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.