آینده همجوشی هسته ای بعد از پیشرفت اخیر آمریکا چیست؟
به گزارش گوپا، دانشمندان آمریکایی اخیرا از یک پیشرفت بزرگ در هدف دیرینه تولید انرژی از فرایند همجوشی هسته ای پرده برداشته اند و برای اولین بار توانستند انرژی تولیدی این فرایند را از انرژی مصرفی آن بیشتر کنند، اما سوالی که پیش می آید اینست که حالا آینده این صنعت چه می شود؟
به گزارش گوپا به نقل از ایسنا، دانشمندان آمریکایی آنچه را که یک پیشرفت بزرگ در تولید انرژی از فرایند همجوشی هسته ای می نامند، اعلام نموده اند.
وزارت انرژی ایالات متحده همین چند روز پیش در تاریخ ۱۳ دسامبر ۲۰۲۲ اعلام نمود که دانشمندان آمریکایی بعد از چندین دهه تلاش برای نخستین بار توانسته اند انرژی بیشتری از آنچه این فرایند مصرف می کند، دریافت نمایند.
اما این توسعه چقدر قابل توجه است و رویای بهره برداری از همجوشی هسته ای که انرژی پاک را به میزان فراوان فراهم می آورد، چقدر دور است؟ کارولین کورانز، دانشیار مهندسی هسته ای در دانشگاه میشیگان که در آزمایشگاهی که اخیرا رکورد همجوشی را شکسته کار کرده است، به توضیح این مساله کمک می نماید.
در محفظه همجوشی چه گذشت؟
همجوشی یک واکنش هسته ای است که دو اتم را برای ایجاد یک یا چند اتم جدید با جرم کلی کمی کمتر ترکیب می کند. این تفاوت جرم بعنوان انرژی آزاد می شود. همانطور که توسط معادله معروف اینشتین ینی E = mc۲ توضیح داده شده است که در آن انرژی برابر است با جرم ضرب در مجذور سرعت نور. از آنجا که سرعت نور بسیار زیاد است، تبدیل مقدار کمی از جرم به انرژی، مانند آنچه در همجوشی اتفاق می افتد، مقدار بسیار زیادی انرژی تولید می کند.
پژوهشگران در لابراتوار احتراق ملی دولت ایالات متحده در کالیفرنیا برای نخستین بار چیزی را بعنوان "احتراق همجوشی" نشان دادند. احتراق زمانی اتفاق می افتد که یک واکنش همجوشی، انرژی بیشتری نسبت به آن انرژی که از یک منبع خارجی برای واکنش وارد می شود، تولید می کند و خودپایدار می شود.
تکنیک مورد استفاده در مرکز احتراق ملی شامل شلیک ۱۹۲ لیزر به یک گلوله ۰.۰۴ اینچی(۱ میلی متری) از سوخت تولید شده از دوتریوم و تریتیوم - دو نسخه از عنصر هیدروژن با نوترون های اضافی - بود که در یک قوطی طلا قرار داده شده بود.
هنگامی که لیزرها به قوطی برخورد می کنند، پرتوی ایکس تولید می کنند که گلوله سوخت را تا حدود ۲۰ برابر چگالی سرب و تا بیشتر از پنج میلیون درجه فارنهایت(۳ میلیون درجه سانتیگراد) گرم و فشرده می کند که حدود ۱۰۰ برابر داغ تر از سطح خورشید است.
اگر بتوانید این شرایط را برای مدت زمان کافی حفظ کنید، سوخت ذوب شده و انرژی آزاد می کند.
سوخت و قوطی ظرف چند میلیاردم ثانیه در طول آزمایش تبخیر می شوند. سپس پژوهشگران امیدوارند تجهیزات مورد استفاده از این گرما جان سالم به در ببرد و انرژی آزاد شده توسط واکنش همجوشی را به دقت اندازه گیری نماید.
دانشمندان چه کار کردند؟
فیزیکدانان برای ارزیابی موفقیت یک آزمایش همجوشی، به نسبت بین انرژی آزاد شده از فرایند همجوشی و مقدار انرژی درون لیزرها نگاه می کنند که این نسبت، "بهره" نامیده می شود.
هر چیزی بالاتر از بهره ی یک به این معنا است که فرایند همجوشی انرژی بیشتری نسبت به لیزرها آزاد می کند.
دانشمندان در لابراتوار احتراق ملی در تاریخ پنجم دسامبر ۲۰۲۲ یک گلوله سوخت را مورد هدف دو میلیون ژول انرژی لیزر قرار داد که تقریبا میزان انرژی لازم برای روشن کردن یک سشوار به مدت ۱۵ دقیقه است، اما فقط چند میلیاردم ثانیه طول کشید. این کار، یک واکنش همجوشی ایجاد کرد که سه میلیون ژول انرژی آزاد کرد.
این نشان دهنده نرخ بهره حدود ۱.۵ است که رکورد قبلی افزایش ۰.۷ را که در ماه آگوست ۲۰۲۱ به دست آمده بود، شکست.
این موفقیت چقدر مهم است؟
انرژی همجوشی نزدیک به نیم قرن است که کعبه ی آمال دانشمندان برای تولید انرژی پایدار و پاک است. در صورتیکه نرخ بهره ۱.۵ یک پیشرفت علمی واقعا تاریخی است، اما هنوز راه زیادی تا تبدیل شدن همجوشی به یک منبع انرژی قابل دوام باقی مانده است.
در صورتیکه انرژی مصرفی لیزر برابر با دو میلیون ژول کمتر از بازده فرایند همجوشی معادل سه میلیون ژول بود، این مرکز برای تولید لیزرهای مورد استفاده در این آزمایش نزدیک به ۳۰۰ میلیون ژول انرژی مصرف کرد.
این نتیجه نشان داده است که احتراق همجوشی امکان پذیر است، اما برای بهبود بازده آن کار زیادی لازم است، تا جایی که همجوشی بتواند با در نظر گرفتن کل سیستم آخر به انتها، نه فقط یک تعامل واحد بین لیزر و سوخت، بلکه یک بازگشت انرژی مثبت خالص را فراهم آورد.
چه چیزی باید بهبود یابد؟
برخی از قطعات پازل همجوشی وجود دارد که دانشمندان برای چندین دهه به صورت پیوسته درحال بهبود آنها بوده اند تا به نتیجه ی حاضر برسند و کار بیشتر می تواند این فرایند را کارآمدتر کند.
اول این که لیزرها تازه در سال ۱۹۶۰ اختراع شده اند. زمانی که دولت ایالات متحده ساخت تاسیسات احتراق ملی را در سال ۲۰۰۹ به پایان رساند، این نیروگاه قدرتمندترین تاسیسات لیزری در جهان بود که قادر بود یک میلیون ژول انرژی را به یک هدف برساند. ازاین رو دو میلیون ژولی که امروزه تولید می کند ۵۰ برابر پرانرژی تر از لیزر قدرتمند بعدی روی زمین است.
لیزرهای قوی تر و روش های کم مصرف انرژی برای تولید این لیزرهای قدرتمند می تواند کارایی کلی سیستم را تا حد زیادی بهبود بخشد.
حفظ شرایط همجوشی بسیار چالش برانگیز است و هر نقص کوچک در کپسول یا سوخت می تواند انرژی مصرفی مورد نیاز را افزایش داده و بهره و بازده را کم کند.
دانشمندان برای انتقال موثرتر انرژی از لیزر به قوطی و تابش پرتوی ایکس از قوطی به کپسول سوخت پیشرفت های زیادی کرده اند، اما هم اکنون تنها حدود ۱۰ تا ۳۰ درصد از کل انرژی لیزر به کپسول و سوخت منتقل می شود.
در نهایت، در صورتیکه بخشی از سوخت، یعنی دوتریوم به صورت طبیعی در آب دریا فراوان است، تریتیوم بسیار نادرتر است. همجوشی به خودی خود در واقع تریتیوم تولید می کند، ازاین رو پژوهشگران امیدوارند که راه هایی برای برداشت مستقیم این تریتیوم ایجاد کنند. در این میان روش های دیگری هم برای تولید سوخت مورد نیاز وجود دارد.
پیش از این که همجوشی هسته ای بتواند برای خانه های ما برق تولید نماید، باید بر این موانع و سایر موانع علمی، فنی و مهندسی غلبه کرد. همینطور باید کار زیادی صورت گیرد تا هزینه یک نیروگاه همجوشی از ۳.۵ میلیارد دلار که جهت راه اندازی تاسیسات ملی احتراق خرج شده است، کم شود. این مراحل نیازمند سرمایه گذاری قابل توجهی از جانب دولت فدرال و بخش خصوصی است.
شایان ذکر است که یک مسابقه جهانی پیرامون استحصال انرژی از همجوشی هسته ای وجود دارد و خیلی از لابراتوار های دیگر در سرتاسر جهان مهارتهای مختلفی را دنبال می کنند. اما با نتیجه جدیدی که لابراتوار احتراق ملی آمریکا برای نخستین بار در جهان به آن رسیده است، شواهدی عیان شده که نشان میدهد رویای تولید انرژی از همجوشی هسته ای قابل دستیابی است.
منبع: goopa.ir
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب