چرا تولید انرژی همجوشی هسته‌ای بسیار پیچیده است؟
همجوشی هسته‌ای، فرایندی که خورشید را روشن می‌کند، می‌تواند منبعی بی‌پایان برای انرژی روی زمین باشد؛ اما چرا تولید آن با چالش‌های بسیار پیچیده همراه است؟
گجت نیوز: انسان‌ها سال‌هاست در پی تحقق رؤیای دستیابی به انرژی همجوشی هسته‌ای هستند. شکافت هسته‌ای را چندین دهه پیش یاد گرفتیم و از آن زمان تاکنون انرژی هسته‌ای منبعی مفید برای ما بوده است، هرچند که از نظر افکار عمومی فاجعه‌هایی مانند چرنوبیل و فوکوشیما غیر قابل قبول هستند.
با وجود این رخدادهای بزرگ، انرژی هسته‌ای در واقع یکی از ایمن‌ترین منابع تولید برق به شمار می‌آید و از نظر رتبه‌بندی در کنار انرژی خورشیدی و بادی قرار می‌گیرد. مرگ‌ومیر ناشی از آن ۹۹.۹% کمتر از زغال‌سنگ است، در حالی که نفت و گاز از نظر خطر تقریباً هم‌تراز زغال‌سنگ محسوب می‌شوند. انرژی هسته‌ای از نظر بازدهی به‌مراتب کارآمدتر از هر منبع دیگر انرژی است.
نیروگاه‌های هسته‌ای مدرن از نظر میزان پسماند نیز بسیار بهینه عمل می‌کنند. بخش زیادی از این ضایعات قابل بازیافت است و در پایان یک سال فعالیت، تنها حدود ۳ مترمکعب پسماند تولید می‌شود. این در حالی است که یک نیروگاه زغال‌سنگ در همین مدت ۳۰۰ هزار تن خاکستر و ۶ میلیون تن CO۲ ایجاد می‌کند.
تمام این موارد باعث می‌شود انرژی هسته‌ای بسیار ارزشمند جلوه کند. حالا تصور کنید به‌جای شکافت، انرژی همجوشی در اختیار داشتیم که چهار برابر توان تولیدی بیشتری دارد و تنها محصول جانبی آن هلیوم غیررادیواکتیو، و چهار میلیون برابر انرژی بیشتر از زغال‌سنگ است.
تولید انرژی همجوشی هسته‌ای در زمین
شاید شنیده باشید که از همجوشی گرماهسته‌ای به‌عنوان «انرژی نامحدود» یاد می‌شود. این توصیف چندان دور از واقعیت نیست، به‌جز هزینه‌های بالقوه‌ای که با آن همراه است. اما اگر بر این مانع غلبه شود و بتوانیم همجوشی را مهار کنیم، جهان برای همیشه دگرگون خواهد شد. با این حال، هنوز به آن نقطه نرسیده‌ایم
طراحی رآکتورهای همجوشی به سال ۱۹۳۹ بازمی‌گردد، اما پیشرفت بزرگی حاصل نشده است. مزایا و مبانی علمی آن را می‌دانیم، ولی واقعیت عملی آن هنوز محقق نشده است. حتی می‌توانیم واکنش همجوشی ایجاد کنیم، اما حفظ و بهره‌برداری از آن همچنان در دسترس نیست.
همجوشی هسته‌ای چیست؟
همجوشی هسته‌ای همان فرآیندی است که خورشید را تغذیه می‌کند. فشار و دمای بسیار بالا در خورشید، اتم‌های هیدروژن را به هم می‌فشارد و هلیوم را به‌عنوان محصول جانبی تولید می‌کند. انرژی حاصل از این واکنش است که خورشید را به آن کره عظیم و شعله‌ور پلاسمایی که هر روز در آسمان می‌بینیم، بدل کرده است.
شکافت، که در رآکتورهای هسته‌ای امروزی و سلاح‌های هسته‌ای رخ می‌دهد، شامل شکستن یک اتم است، نه پیوند آن. در هر دو حالت، انرژی عظیمی آزاد می‌شود زیرا جرم هسته نهایی کمتر از مجموع جرم ذرات اولیه است. روزی خورشید نیز با پایان یافتن سوخت خود خاموش خواهد شد، اما در حال حاضر آن‌قدر هیدروژن دارد که تا ۵ میلیارد سال دیگر به درخشیدن ادامه دهد، بنابراین جای نگرانی برای ما وجود ندارد.
برای کارکرد همجوشی روی زمین، باید واکنشی ایجاد شود که انرژی خروجی آن بیش از انرژی ورودی باشد. مشکل اینجاست که آغاز همجوشی نیازمند انرژی بسیار زیادی است. باید پلاسما ایجاد کرد، گازی بسیار داغ که از ذرات باردار تشکیل شده است. تقریباً تمام تلاش‌های ما تاکنون برای ایجاد واکنش همجوشی، صرف تأمین فشار و دمای لازم پلاسما شده تا انرژی بسیار اندکی که از همجوشی حاصل شده است. به یاد داشته باشید که خورشید ۳۳۳ هزار برابر بزرگ‌تر از زمین است، بنابراین فشار و دمای آن (که به ۲۷ میلیون درجه می‌رسد) به‌مراتب آسان‌تر حاصل می‌شود.
آیا رآکتور همجوشی شدنی است؟
ایجاد همجوشی روی زمین ممکن است، اما بسیار دشوار است. فشار در خورشید ۲۴.۷ میلیون گیگاپاسکال است. برای مقایسه، زمانی که دانشمندان موفق شدند فشار ۷۷۰ گیگاپاسکال را در یک آزمایشگاه ایجاد کنند، به تیتر خبرهای جهانی بدل شد. این اختلاف عظیم فشار، بزرگ‌ترین مانع در بازتولید همجوشی خورشید روی زمین است. به همین دلیل باید دما را افزایش دهیم، اما این خود نیازمند انرژی بیشتری است و همین عامل کارایی واکنش را از بین می‌برد.
خورشید دمایی تا ۲۷ میلیون درجه تولید می‌کند، اما در آزمایشگاه‌های زمینی، برای جبران فشار کم، پلاسما را با استفاده از لیزر تا ۱۰۰ میلیون درجه حرارت می‌دهیم. این روش در شرایط آزمایشگاهی توانسته واکنش همجوشی ایجاد کند، اما تولید چنین دمایی بیش از انرژی بازگشتی از همجوشی مصرف دارد. علاوه بر این، به احتمال زیاد حتی در صورت تجاری‌سازی، همجوشی در آغاز بسیار پرهزینه خواهد بود و این موضوع مانعی جدی برای رؤیای انرژی نامحدود ایجاد می‌کند.
اکنون حدود ۲۰ رآکتور همجوشی در جهان در تلاش‌اند واکنش پایدار و کم‌هزینه‌تر از انرژی خروجی ایجاد کنند. در سال ۲۰۲۲، دانشمندان برای نخستین بار موفق به این کار شدند. آنها با صرف ۲ مگاژول انرژی، ۲۰۰ لیزر را روی یک کپسول سوخت متمرکز کردند که واکنش همجوشی ۳.۱۵ مگاژول انرژی تولید کرد. این آزمایش سه بار دیگر نیز تکرار شد و یک‌بار ۳.۸۸ مگاژول به دست آمد، که نشان داد موفقیت تصادفی نبوده است.
در همان سال، آزمایشگاهی در چین رکورد طولانی‌ترین واکنش پایدار را شکست و به مدت ۱۷ دقیقه دمای ۱۲۶ میلیون درجه را حفظ کرد. سپس در بریتانیا رکورد ۵۹ مگاژول انرژی پایدار ثبت شد که دو برابر رکورد پیشین بود و در ۲۰۲۴ این رقم به ۶۹ مگاژول رسید. همچنین برنامه‌های متعددی برای راه‌اندازی رآکتورهای تجاری تا سال ۲۰۳۰ وجود دارد.
برای کاربرد شهری، این واکنش‌ها باید به‌شدت مقیاس‌پذیر شوند. انرژی بسیار بیشتری باید تولید شود، اما چشم‌انداز آن وجود دارد و امیدها حاکی از تحقق آن در آینده نزدیک است.
چرا این‌همه مشتاق دستیابی به همجوشی هستیم؟
دلیل اینکه همجوشی را منبع بالقوه «انرژی نامحدود» می‌دانند، سوخت آن است؛ چونکه هیدروژن، فراوان‌ترین عنصر موجود در کیهان است. فرض کنید یک رآکتور همجوشی داشته باشیم که پایدار، قابل اعتماد و دارای بازدهی بالا باشد. در این صورت، تنها یک گالن آب دریا می‌تواند انرژی همجوشی معادل ۳۰۰ گالن بنزین تولید کند. دیگر نیازی به زغال‌سنگ که دود آلاینده ایجاد می‌کند یا اورانیومی که پرتوزا است نخواهیم داشت؛ بلکه سوختی پاک، فراوان و بدون محصولات جانبی خطرناک خواهیم داشت.
انرژی خورشیدی و بادی نیز تولید پاک دارند، اما نمی‌توانند در مقیاس همجوشی عمل کنند. این دو منبع نیازمند زیرساخت‌های گسترده همچون پنل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی هستند و عملکردشان به شرایط آب‌وهوایی وابسته است، در حالی که همجوشی چنین محدودیتی ندارد.
بزرگ‌ترین مزیت زیست‌محیطی همجوشی در تأثیر آن بر تغییرات اقلیمی است. همجوشی می‌تواند آلودگی ناشی از منابع انرژی مدرن، به‌ویژه سوخت‌های فسیلی، را به پایان برساند و تولید انبوه گازهای گلخانه‌ای را متوقف کند. حتی پیش‌بینی شده که سرمایه‌گذاری در همجوشی می‌تواند دستیابی به تراز کربن خالص صفر تا سال ۲۰۵۰ را ممکن سازد.
کارایی خارق‌العاده همجوشی نیز یک نقطه قوت کلیدی است: تولید انرژی با بازدهی چهار میلیون برابر یک نیروگاه زغال‌سنگ، باعث می‌شود ادامه استفاده از زغال‌سنگ غیرمنطقی به نظر برسد. هرچند در حال حاضر شکافت بهترین گزینه در دسترس ماست، اما همجوشی از نظر میزان تولید نیرو و سطح ایمنی، آن را پشت سر می‌گذارد. نگرانی اصلی در نیروگاه‌های هسته‌ای کنونی، احتمال بروز حادثه و پسماندهای خطرناک است، اما رآکتورهای همجوشی این دو مشکل را به‌طور کامل از بین می‌برند. هیچ ضایعات خطرناکی تولید نمی‌شود و وقوع حادثه غیرممکن است.
رآکتورهای همجوشی به مقدار بسیار کمی سوخت نیاز دارند؛ دوتریوم یا تریتیوم مورد استفاده حجمی در اندازه یک تمبر پستی دارد. اگر اختلالی رخ دهد، واکنش از کنترل خارج نمی‌شود بلکه تنها خاموش شده و پایان می‌یابد. همچنین، استفاده از هیدروژن به‌عنوان سوخت می‌تواند بخش زیادی از تنش‌های ژئوپلیتیکی را از میان ببرد. تصور کنید دیگر هیچ جنگی برای نفت رخ ندهند، چون نیازی به آن وجود نخواهد داشت. این امر می‌تواند دینامیک تازه‌ای در روابط جهانی ایجاد کند و تأثیرات اقتصادی مهمی بر مناطق مختلف جهان بگذارد.
خطرات احتمالی انرژی همجوشی
هرچند خطر مستقیمی مطرح نیست، اما یک مانع بزرگ در مراحل اولیه همجوشی، هزینه بالای آن است. فناوری‌های جدید همواره گران هستند، خواه خودرو باشند، خواه کنسول بازی یا منبع تازه انرژی. انرژی تثبیت‌شده ارزان‌تر است، به همین دلیل هنوز از زغال‌سنگ، بنزین و نیروگاه‌های هسته‌ای استفاده می‌کنیم، چراکه زیرساخت‌ها موجود هستند، روش تولید شناخته شده و مشتریان به قیمت آن عادت کرده‌اند.
برآورد می‌شود که هزینه همجوشی باید در محدوده ۸۰ تا ۱۰۰ دلار بر مگاوات‌ساعت (بر مبنای قیمت‌های سال ۲۰۲۰) باشد، اما پیش‌بینی‌های واقع‌بینانه‌تر رقم بالاتری، تا ۱۵۰ دلار بر مگاوات‌ساعت را نشان می‌دهد. با تورم، این عدد افزایش خواهد یافت. همچنین، در آغاز کار، پژوهشگران دانشگاه پرینستون برآورد کرده‌اند که هزینه سرمایه‌ای همجوشی ممکن است به ۷۰۰۰ دلار بر کیلووات برسد.
از نظر فنی، رآکتورهای همجوشی برخلاف خورشید که از هیدروژن استفاده می‌کند، بر روی زمین معمولاً با دوتریوم و تریتیوم کار می‌کنند که ایزوتوپ‌های هیدروژن هستند و واکنش‌پذیری بالاتری دارند. تریتیوم در طبیعت یافت نمی‌شود، پرتوزا است و به‌عنوان محصول جانبی شکافت تولید می‌شود. در نهایت، یک واکنش همجوشی می‌تواند تریتیوم خود را بسازد، اما برای شروع به مقدار زیادی از آن نیاز دارد و قیمت هر گرم آن حدود ۳۰ هزار دلار است.
از نظر زمانی نیز مشکل وجود دارد. اگر برای جلوگیری از بحران اقلیمی باید تا سال ۲۰۵۰ به تراز کربنی خالص برسیم، بعید است همجوشی بتواند تا آن زمان در مقیاس لازم توسعه یابد. این بدان معنا نیست که نباید آن را دنبال کرد، بلکه نباید وعده‌ای داد که توان برآورده‌کردنش وجود ندارد.
خورشید و دیگر ستارگان بی‌شک ثابت می‌کنند که همجوشی منبعی شگفت‌انگیز برای انرژی است. اینکه آیا بشر روزی آن را به گونه‌ای مهار خواهد کرد که ارزش زمان و سرمایه صرف‌شده را داشته باشد یا نه، دست‌کم تا چند سال آینده مشخص نخواهد شد.
ارسال نظر