همجوشی هسته ای

همجوشی هسته‌ای (Nuclear Fusion) فرآیندی است که طی آن دو هسته اتمی سبک با هم ترکیب می‌شوند و یک هسته سنگین‌تر را تشکیل می‌دهند در حالی که مقادیر زیادی انرژی آزاد می‌کنند.

واکنش‌های همجوشی در حالتی از ماده به نام پلاسما انجام می‌شود - گازی داغ و باردار که از یون‌های مثبت و الکترون‌های آزاد با حرکت آزاد با خواص منحصر به‌ فرد متمایز از جامدات، مایعات یا گازها ساخته شده است.

خورشید به همراه تمام ستارگان دیگر از این واکنش نیرو می گیرند

برای همجوشی در خورشید، هسته ها باید در دمای بسیار بالا (حدود 10 میلیون درجه سانتیگراد) با یکدیگر برخورد کنند.

دمای بالا انرژی کافی برای غلبه بر دافعه الکتریکی متقابل خود را در اختیار آنها قرار می دهد و هنگامی که هسته ها در فاصله بسیار نزدیکی از یکدیگر قرار می گیرند، نیروی هسته ای جذاب بین آنها بیشتر از دافعه الکتریکی خواهد بود و اجازه می دهد تا همجوشی واقع شود.

برای اینکه این اتفاق بیفتد، هسته ها باید در یک فضای کوچک محصور شوند تا احتمال برخورد افزایش یابد، در خورشید، فشار شدید ناشی از گرانش بسیار زیاد آن شرایط را برای همجوشی ایجاد می کند.

چرا دانشمندان در حال مطالعه انرژی همجوشی هستند؟

از زمانی که نظریه همجوشی هسته‌ای در دهه 1930 درک شد، دانشمندان - و به طور فزاینده‌ای مهندسان - در تلاش برای بازآفرینی و مهار آن بودند.

زیرا اگر بتوان همجوشی هسته ای را در مقیاس صنعتی روی زمین تکرار کرد، می تواند انرژی پاک، ایمن و مقرون به صرفه تقریباً بی حد و حصری را برای پاسخگویی به تقاضای جهان فراهم کند.

همجوشی می تواند چهار برابر بیشتر از شکافت هسته ای (fission nuclear)  که مورد استفاده در نیروگاه های هسته ای است، انرژی به ازای هر کیلوگرم سوخت و تقریباً چهار میلیون برابر بیشتر از سوختن نفت یا زغال سنگ تولید کند.

بسیاری از مفاهیم راکتور همجوشی در حال توسعه از مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم - اتم های هیدروژن که حاوی نوترون های اضافی هستند - استفاده می کنند، در تئوری، تنها با چند گرم از این واکنش‌ دهنده‌ها، می‌توان یک تراژول انرژی تولید کرد که تقریباً انرژی مورد نیاز یک نفر در یک کشور توسعه‌ یافته در طول شصت سال است.

سوخت همجوشی فراوان است و به راحتی قابل دسترسی است: دوتریوم را می توان به طور ارزان از آب دریا استخراج کرد و تریتیوم را می توان به طور بالقوه از واکنش نوترون های تولید شده از همجوشی با لیتیوم طبیعی فراوان تولید کرد.

این ذخایر سوخت میلیون ها سال دوام می آورد.

راکتورهای همجوشی آینده نیز ذاتاً ایمن هستند و انتظار نمی رود که فعالیت زیاد یا زباله های هسته ای با عمر طولانی تولید کنند.

علاوه بر این، از آنجایی که شروع و حفظ فرآیند همجوشی دشوار است، هیچ خطری برای واکنش فرار و ذوب وجود ندارد و همجوشی تنها می تواند تحت شرایط عملیاتی سختگیرانه ای رخ دهد که خارج از آن (مثلاً در مورد تصادف یا خرابی سیستم) پلاسما به طور طبیعی خاتمه می یابد، انرژی خود را خیلی سریع از دست می دهد و قبل از وارد شدن هر گونه آسیب پایدار به راکتور خاموش می شود.

نکته مهم این است که همجوشی هسته ای - درست مانند شکافت - دی اکسید کربن یا سایر گازهای گلخانه ای را در جو منتشر نمی کند، بنابراین می تواند منبع بلند مدت برق کم کربن از نیمه دوم این قرن به بعد باشد.

داغتر از خورشید

در حالی که نیروی گرانشی عظیم خورشید به طور طبیعی همجوشی را القا می کند، بدون این نیرو دمایی حتی بالاتر از خورشید برای انجام واکنش لازم است.

در زمین، ما به دمای بیش از 100 میلیون درجه سانتیگراد نیاز داریم تا دوتریوم و تریتیوم را با هم ترکیب کنیم، در حالی که فشار و نیروهای مغناطیسی را به طور همزمان تنظیم کنیم، تا پلاسما را محدود کنیم و واکنش همجوشی را به اندازه کافی حفظ کنیم تا انرژی بیشتری تولید کنیم.

در حالی که شرایط بسیار نزدیک به شرایط مورد نیاز در یک راکتور همجوشی اکنون به طور معمول در آزمایش‌ها به دست می‌آیند، بهبود خواص محصور شدن و پایداری پلاسما همچنان برای حفظ واکنش و تولید انرژی به شیوه‌ای پایدار مورد نیاز است.

دانشمندان و مهندسان از سراسر جهان به توسعه و آزمایش مواد جدید و طراحی فن آوری های جدید برای دستیابی به انرژی همجوشی خالص ادامه می دهند.

در توسعه فناوری فیوژن کجا ایستاده ایم؟

تحقیقات همجوشی هسته ای و فیزیک پلاسما در بیش از 50 کشور انجام می شود و واکنش های همجوشی با موفقیت در بسیاری از آزمایش ها تولید شده است، البته تا کنون بدون تولید انرژی بیشتر از آنچه برای شروع فرآیند واکنش لازم بود.

کارشناسان طرح‌ها و ماشین‌های مبتنی بر آهنربا را ارائه کرده‌اند که در آنها همجوشی انجام می‌شود، مانند ستاره‌ها و توکامک‌ ها، اما همچنین رویکردهایی متکی به لیزر، دستگاه‌های خطی و سوخت‌های پیشرفته است.

اینکه چقدر طول می کشد تا انرژی همجوشی با موفقیت عرضه شود به بسیج منابع از طریق مشارکت و همکاری جهانی و اینکه صنعت چقدر سریع می تواند فناوری های همجوشی نوظهور را توسعه دهد، اعتبار سنجی و واجد شرایط کند بستگی دارد.

موضوع مهم دیگر توسعه موازی زیرساخت‌ های هسته‌ای ضروری، مانند الزامات، استانداردها و شیوه‌های خوب مربوط به تحقق این منبع انرژی در آینده است.

پس از 10 سال طراحی قطعات، آماده سازی سایت، و ساخت در سراسر جهان، ITER در فرانسه، بزرگترین مرکز گداخت بین المللی جهان، در سال 2020 آغاز شد.

ITER یک پروژه بین المللی است که هدف آن نشان دادن امکان سنجی علمی و تکنولوژیکی همجوشی است.

تولید انرژی و اثبات فناوری و مفاهیم برای نیروگاه های همجوشی نمایشی تولید الکتریسیته آینده، به نام DEMO ITER اولین آزمایش های خود را در نیمه دوم این دهه آغاز خواهد کرد و آزمایش های تمام قدرت در سال 2036 آغاز خواهد شد.

جدول زمانی DEMO در کشورهای مختلف متفاوت است، اما اتفاق نظر کارشناسان بر این است که یک نیروگاه همجوشی تولید کننده برق می‌تواند تا سال 2050 ساخته و راه‌اندازی شود.

به موازات آن، شرکت‌های تجاری متعددی با سرمایه‌گذاری خصوصی نیز در توسعه مفاهیم نیروگاه‌های همجوشی گام بر می‌دارند.

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.