وبلاگ

ماه گذشته، ژاپن بزرگترین در جهان را افتتاح کرد یک راکتور همجوشی هسته ای آزمایشی در حال کار. را راکتور JT-60SA هدف آن بررسی امکان‌سنجی همجوشی به عنوان یک منبع خالص انرژی ایمن، در مقیاس بزرگ و بدون کربن است.

این ماشین شش طبقه، واقع در آشیانه ای در ناکا، در شمال توکیو، یک تلاش مشترک بین اتحادیه اروپا و ژاپن است و به عنوان سلف برادر بزرگتر خود، در حال ساخت در فرانسه عمل می کند. راکتور آزمایشی حرارتی هسته ای بین المللی (ITER).

هدف نهایی هر دو پروژه تکرار واکنشی است که خورشید را به انتشار انرژی به شکل نور و گرما سوق می دهد.

متئو باربارینو، متخصص همجوشی پلاسمای هسته‌ای در آژانس بین‌المللی انرژی اتمی، می‌گوید این رویایی است که در مواجهه با تغییرات آب و هوایی فزاینده قانع‌کننده‌تر می‌شود. استفاده از همجوشی این پتانسیل را دارد که تمام نیروگاه‌های زغال‌سنگ و گاز منتشرکننده کربن ما را به گذشته تبدیل کند.

تامی ما، رئیس ابتکار انرژی همجوشی اینرسی (IFE) در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور، می‌گوید: نیروگاه‌های برق همجوشی می‌توانند برق بدون کربن را فراهم کنند که شبانه روز بدون نگرانی از باد یا آب و هوا و کاستی‌های نیروگاه‌های شکافت هسته‌ای امروزی کار می‌کند.

سر مارک اولیفانت استرالیایی بود که این سنتز را در سال 1934 کشف کرد. با پیشرفت تحقیقات و سرمایه گذاری در این زمینه، همجوشی می تواند در خط مقدم تبدیل شدن به منبع انرژی غالب – تا پایان قرن باشد.

همجوشی هسته ای و پتانسیل آن

همجوشی هسته‌ای دقیقاً برعکس شکافت است: به جای تقسیم عناصر سنگین مانند اورانیوم به اتم‌های سبک‌تر، دوتریوم و تریتیوم، ایزوتوپ‌های هیدروژن سنگین را با هم در دمای گرم خورشید می‌کوبید تا یک هسته هلیوم و یک نوترون و مقدار زیادی تولید کند. انرژی

امروزه، جامعه فیوژن مملو از ایده هایی برای ماشین های کاربردی تر است

معادله E=mc² وارد عمل می شود: اگر قبل از واکنش دوتریوم و تریتیوم و سپس محصولات پس از همجوشی (نوترون و هسته هلیوم) را وزن کنید، وزن آنها کمی کمتر خواهد بود. در معادله انیشتین، جرم آزاد شده (نمایش داده شده توسط “متر”) در سرعت نور ضرب در مجذور (درجه سانتی گراد²) مقدار زیادی انرژی تولید می کند.

ما می‌گوید: «یک پوند سوخت فیوژن معادل مقدار انرژی است که در 5000 بشکه نفت خواهید داشت، که معادل 3.5 میلیون پوند زغال‌سنگ است. بنابراین تصور کنید که اگر یک لیوان آب سوخت دوتریوم و تریتیوم باشد که بتواند به طور موثری ملبورن را برای یک روز نیرو دهد.

با این حال، برای ایجاد ستارگان مینیاتوری روی زمین، این ایزوتوپ‌های نوری باید در یک راکتور قرار داده شوند و تا صدها میلیون درجه سانتی‌گراد حرارت داده شوند و آنها را به یک “پلاسمای یونیزه” شبیه به درون رعد و برق تبدیل کنند، اما کنترل آن داغ‌تر و دشوار است. . این بدان معناست که چگونه می توان رعد و برق را کنترل کرد، معمولاً با یک میدان مغناطیسی که پلاسما را گرفته و در حالی که سعی می کند از آن فرار کند، آن را محکم نگه می دارد.

تا سال 2022 مشترک اروپایی توروس (JET) در نزدیکی آکسفورد، انگلستان، رکورد را شکست برای مقدار انرژی ایجاد شده توسط همجوشی. سپس یک آزمایش چند میلیارد دلاری همجوشی در تأسیسات احتراق ملی (NIF) در کالیفرنیا در نهایت یک نمونه ایزوتوپی کوچک تولید کرد که انرژی همجوشی بیشتری نسبت به آن منتشر کرد. برای احتراق صرف شده است آی تی. و این رویداد که تنها حدود یک دهم نانوثانیه به طول انجامید، باید توسط قدرت ترکیبی 192 لیزر قدرتمند جهان ایجاد می شد. NIF اکنون به طور معمول انرژی بیشتری از همجوشی تولید می کند، اگرچه محاسبات NIF تمام انرژی مورد نیاز برای کارکرد کل تاسیسات را شامل نمی شود.

امروزه جامعه فیوژن پر شده است ایده ها برای ماشین های کاربردی تر فناوری های جدید مانند ابررساناهای با دمای بالا می توانند اندازه، پیچیدگی، هزینه و کارایی راکتورهای همجوشی را کاهش دهند. حتی بهتر از آن، دهه‌ها پیشرفت آهسته به نقطه اوج رسیده است، و محققان همجوشی اکنون تجربه کافی برای طراحی آزمایش‌های پلاسما دارند که تقریباً دقیقاً با پیش‌بینی‌ها مطابقت دارند.

هوش مصنوعی (AI) برای پیشرفت تحقیقات فیوژن حیاتی است. هوش مصنوعی برای بهینه‌سازی طراحی و ساده‌سازی توسعه ماشین‌های همجوشی پیچیده، با تکیه بر اصول فیزیک پلاسما که بر فرآیندهای همجوشی حاکم است، استفاده شده است. سخت‌افزار و نرم‌افزار رایانه‌ای مدرن، فرآیند طراحی را تسریع کرده‌اند و آن را کارآمدتر و پاسخگوتر به چالش‌های در حال تغییر تحقیقات فیوژن کرده‌اند.

انفجار علاقه

انرژی هسته ای به دلایل مختلفی جذاب است که مهمترین آنها ایمنی ذاتی آن است. یک واکنش همجوشی برای شروع به مقدار زیادی انرژی نیاز دارد. در نتیجه، توقف یک واکنش همجوشی به سادگی خاموش کردن منبع انرژی اولیه است و خطر واکنش های کنترل نشده را از بین می برد، که تفاوت قابل توجهی با شکافت است. ما توضیح می دهد که علاوه بر این، همجوشی پایدار است زیرا ما دانش لازم برای تولید سوخت لازم را بدون آسیب رساندن به محیط زیست داریم. حدود یک ذره از هر 10000 ذره در آب دریا، اکسید دوتریوم (D2O) است، نه آب معمولی. اگرچه تریتیوم به کشت نیاز دارد، او می گوید که ما تکنیک های تولید آن را کامل کرده ایم.

این افزایش در مشارکت بخش خصوصی در تحقیقات همجوشی ناشی از همگرایی عوامل مختلف است

علاقه و سرمایه گذاری بخش خصوصی طی پنج سال گذشته به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. به گفته باربارینو، این روند نشان دهنده انحراف از پارادایم تاریخی است که در آن تحقیق و توسعه فیوژن عمدتاً با بودجه دولت در آزمایشگاه‌های ملی و مؤسسات تحقیقاتی با بودجه عمومی تأمین می‌شد.

سرمایه گذاری ها در سال های اخیر به طور چشمگیری افزایش یافته است که منجر به شکل گیری استارت آپ های فیوژن متعددی شده است. بیش از 40 شرکت خصوصی فیوژن در سراسر جهان فعالیت می کنند که ایالات متحده تقریباً 80٪ آنها را تشکیل می دهد. شرکت های باقی مانده در سراسر بریتانیا، ژاپن، چین، چندین کشور اروپایی و اسرائیل پراکنده شده اند.

در استرالیا، علاقه به تحقیق نیز افزایش یافته است. محققان از دانشگاه سیدنی به جای استفاده از میدان مغناطیسی، محصورسازی الکترواستاتیکی اینرسی را ایجاد کنید، که سنتز روی میز را ممکن می کند. در دانشگاه نیو ساوت ولز، دانش آموزان قصد ساختن دارند یک دستگاه همجوشی هسته ای برای تولید گرمای شدید مورد نیاز برای شروع همجوشی. دولت سرمایه گذاری کرده است 7.7 میلیارد دلار به صورت خصوصی شرکت های برق فیوژن در چند سال اخیر

شرکت استرالیایی انرژی HB11 یک طرح راکتور جایگزین پیشنهاد کرد که شامل یک گلوله سوخت با اندازه متوسط ​​متشکل از هیدروژن و بور 11 بود که در مرکز یک کره فلزی تقریباً خالی با دهانه‌هایی در طرف مقابل برای دو لیزر نگهداری می‌شد. یک لیزر میدان مغناطیسی را برای نگه داشتن پلاسما ایجاد می کند در حالی که لیزر دوم یک واکنش زنجیره ای بهمنی از همجوشی را آغاز می کند. برخلاف دیگر فناوری‌های همجوشی هسته‌ای، مفهوم HB11 بدون نیاز به توربین‌های بخار، برق را مستقیماً تولید می‌کند.

استفاده از لیزر در همجوشی هسته ای جدید نیست، اما در سال 2022 HB11 نشان داده شده که فناوری انرژی هیدروژن-بور او 4 مرتبه بزرگی از دستیابی به انرژی خالص در هنگام کاتالیز شدن توسط لیزر است.

از همجوشی هیدروژن و بور چند اتم هلیوم ایجاد می شود که خالی هستند و الکترون ندارند. این کمبود الکترون به این معنی است که اتم های هلیوم دارای بار مثبت هستند که دستگاه HB11 از آن برای ایجاد جریانی استفاده می کند که می تواند مستقیماً مورد استفاده قرار گیرد.

اگر HB11 موفق شود، راکتورهای آن کوچک‌تر و ساده‌تر از راکتورهای همجوشی با دمای بالا خواهند بود و ما می‌توانیم واحدهای صنعتی کوچک و کم‌هزینه‌ای را در حومه هر شهر در جهان ببینیم که برق نامحدود، ایمن، تمیز و بدون کربن تولید می‌کنند. .

باربارینو می‌گوید این افزایش مشارکت بخش خصوصی در تحقیقات فیوژن ناشی از همگرایی عوامل است.

یک نیروی تأثیرگذار تعهد بیش از 20 میلیارد دلار از یک کنسرسیوم بین المللی از آژانس های تأمین مالی برای ساخت ITER است، یک توکامک به نسبت یک ساختمان 10 طبقه. ITER در حال حاضر از سال 2010 در جنوب فرانسه در حال ساخت است و انتظار می رود در سال 2035 آزمایشات خود را با سوخت دوتریوم-تریتیوم آغاز کند.

با این حال، مونتاژ دستگاه با مشکلاتی مواجه شد که عمدتاً به پیچیدگی هماهنگی تلاش‌های چندین کشور از جمله اتحادیه اروپا، ایالات متحده، چین، ژاپن، کره جنوبی، روسیه و هند و اختلال در فرآیندهای تولید در طول همه‌گیری مربوط می‌شد. .

با وجود تأخیرهای مکرر پروژه، باربارینو می‌گوید این همکاری نه تنها باعث رشد صنعت همجوشی شده است، بلکه به زنجیره‌های تأمین و تسهیل تبادل دانش بین کشورهای درگیر کمک کرده است.

در اواخر سال 2016، زمانی که ANSTO یک توافقنامه همکاری امضا کرد که به استرالیا اجازه می دهد ایده ها را به اشتراک بگذارد و راه حل هایی برای برخی از مسائل فیزیک و مهندسی مرتبط با ITER ارائه دهد، ITER از استرالیا استقبال کرد.

پیچیدگی و ماهیت زمان بر تحقیقات فیوژن، تفکر نوآورانه را در جامعه تحریک کرده است. شرکت های خصوصی ایده های جدیدی را بر اساس دانش انباشته شده در تحقیق و توسعه سنتی با بودجه دولتی مانند ITER ارائه کرده اند. زمانی که دولت انگلستان اعلام کرد از کار انداختن جت در سال گذشته، 40 سال پس از شروع عملیات، محققان شروع به مطالعه با جزئیات کامل در فرآیند 17 ساله کردند تا اطمینان حاصل شود که نیروگاه های همجوشی آینده از نظر مالی مقرون به صرفه هستند.

علاوه بر این، تغییر تمرکز جهانی بر روی پرداختن به تغییرات آب و هوا و بهبود امنیت انرژی، علاقه به سرمایه گذاری در فناوری های جدید را افزایش داده است.

عدالت انرژی

تنها با حمایت سیاسی می توانیم این انرژی آرمان گرایانه را بسازیم.

تامی ما، رئیس IFE Initiative

Ma می گوید فیوژن فوق العاده انعطاف پذیر و از نظر جغرافیایی همه کاره است. می توان آن را در هر مکانی بدون نیاز به ذخیره سازی زمین شناسی یا تولید زباله های هسته ای در سطح بالا ایجاد کرد.

با این حال، پیچیدگی و هزینه این تاسیسات، نگرانی هایی را در مورد انعطاف پذیری آنها، به ویژه در مناطق کم درآمد مانند آسیای جنوب شرقی و آفریقا ایجاد می کند.

باربارینو می‌گوید با توسعه سیاست‌های همجوشی، توجه به استقرار جهانی و ملاحظات مقرون‌به‌صرفه بسیار مهم است. عدالت زیست محیطی، عدالت انرژی و شمول جنوب جهانی ملاحظات اساسی است. ایجاد سیاست های عادلانه برای تحقق وعده همجوشی به عنوان انرژی آینده، مقابله با چالش ها و پرورش یک تمدن پیچیده و شکوفا ضروری است.

مهم است که بدانیم در حالی که سوخت همجوشی ممکن است ما را از درگیری های ژئوپلیتیکی رها کند، مواد خام مانند لیتیوم یا آهنربا ممکن است به طور مساوی در سطح جهانی توزیع نشوند. سیاست‌های کنترل صادرات باید برای اطمینان از دسترسی گسترده به فناوری همجوشی، ایجاد تعادل بین نیاز به امنیت و همکاری جهانی اعمال شود.

تنها با حمایت سیاسی می توانیم این انرژی آرمان گرایانه را بسازیم.»