همجوشی هسته ای میلیارد درجه ای هیدروژن، بور تا اوایل دهه 2030 ممکن می گردد؟ - وبلاگ عصر نو

به گزارش وبلاگ عصر نو، در پروژه های تحقیقاتی همجوشی در دمای صد میلیون درجه، از پلاسمای محصور در میدان مغناطیسی انرژی فراوری می نماید. اما مدیرعامل TAE Technologies می گوید که هدف تیمش رساندن پلاسما به 10 برابر دمای فعلی یعنی یک میلیارد درجه است.

اگر هسته های دو اتم را به میزان کافی محکم به هم بکوبید، می توانند آنها را با هم ترکیب کنید و عنصر متفاوتی ایجاد کنید. اگر از عناصر مناسب بهره ببرید، وزن اتم به دست آمده کمتر از دو اتمی است که برای تشکیل آن به هم کوبیده اید و اختلاف جرم به عنوان انرژی آزاد می گردد، همانطور که به وسیله معادله معروف E=MC 2 انیشتین پیش بینی شده، جرم کوچکی از سوخت به این ترتیب می تواند انرژی زیادی آزاد کند.

مشکل این است که هسته های اتم بسیار کوچک هستند و دارای بار مثبت هستند، بنابراین یکدیگر را دفع می نمایند و در وهله اول به هم کوفتن آنها بسیار سخت می گردد. اما این چیزی است که به صورت دائم در خورشید اتفاق می افتد و انرژی فراوری می نماید و منظومه شمسی را گرم می نماید، اما در خورشید این گرانش بزرگ و بعلاوه دماهای فوق العاده است که شرایط را برای ایجاد واکنش های همجوشی پایداری برای میلیاردها سال فراهم می نماید.

دانشمندان چندین دهه است که کوشش نموده اند که این فرآیند را روی زمین تکرار نمایند تا انرژی فراوان و پاکی که حتی از شکافت هسته ای ایمن تر است، در دسترس قرار دهند. اما به جز کارهای تحقیقاتی فعلا خبری از نیروگاه همجوشی هسته ای نبوده است.

بدون بهره مندی از جرم بزرگ و کشش گرانشی خورشید، بسیاری از کوشش های همجوشی زمینی به دماهای بالاتر متکی هستند. در پروژه های همجوشی محصور در میدان مغناطیسی، پلاسما تا بیش از 100 میلیون درجه سانتیگراد گرم می گردد - تقریباً چهار برابر گرمتر از آنچه در هسته خورشید رخ می دهد. گرما باعث می گردد که اتم ها به شدت به یکدیگر کوبیده شوند تا بر دافعه هسته ای غلبه نمایند و واکنش های همجوشی را شروع کند.

معمولا از تریتیوم و دوتریوم به عنوان سوخت استفاده می گردد. این همان کاری است که در پروژه بزرگ بین المللی ITER انجام می گردد. اما تریتیوم مسائل خاص خود را دارد، از جمله اینکه رادیواکتیو است و بنابراین مواد مورد استفاده در راکتور را تحت تابش قرار می دهد. بعلاوه در طبیعت خیلی کم پیدا می گردد. امروزه تنها حدود 25 کیلوگرم از آن در سرتاسر دنیا ذخیره شده است و طبق برآورد خود ITER تخمین زده می گردد که تقریباً از همه آن در آزمایش ها استفاده گردد. پس کمیابی و رادیواکتیویته آن انرژی همجوشی را بسیار گران تر می نماید.

میشل بیندرباوئر - مدیر عامل شرکت TAE Technology است. این شرکت کالیفرنیایی که در سال 1998 به عنوان یکی از شرکت های UC Irvine تأسیس شد، بیش از 1.2 میلیارد دلار از سرمایه گذارانی از جمله گوگل، شورون، گلدمن ساکس، پل الن، خانواده راکفلر برای اهداف خود جمع آوری نموده.

TAE در نظر دارد اولین شرکتی باشد که پلاسما را به دمای عجیب یک میلیارد درجه برساند.آنچه TAE واقعاً می خواهد به آن برسد، همجوشی هیدروژن-بور است. بیندرباوئر می گوید: این همه فوایدی را دارد که تریتیوم فاقد آن است. هیچ رادیواکتیویتی در ورودی یا خروجی نخواهیم داشت. خروجی هلیوم است، از نظر شیمیایی بی اثر است.

بور یا بوران با نماد شیمیایی B نام یک عنصر شمیایی با عدد اتمی 5 است و در گروه 13 جدول تناوبی واقع شده است . این عنصر از شبه فلزها است و چون در اثر دگرگونی های هسته ای ستارگان ایجاد می گردد، فراوانی کمی در پوستهٔ زمین و منظومهٔ خورشیدی دارد. ترکیبات رایجی از این عنصر که به صورت طبیعی در زمین ایجاد می شوند، در آب محلول اند. بور از کانی های بور به یاری عمل آوری صنعتی مانند تبخیر به دست می آید، مانند اور، بوره و کرنیت.

اشکال این است که بور اتمی بزرگتر از تریتیوم است و بارهای مثبت بیشتری در هسته آن دارد، بنابراین در طراحی محصور مغناطیسی به انرژی بسیار بسیار بیشتری برای همجوشی آن احتیاج دارید یعنی همان یک میلیارد درجه.

TAE برای دستیابی به دمایی 10 برابر بالاتر از توکاماک های کنونی، مجبور شد یک راکتور بسیار متفاوت طراحی کند. این کار با الهام از شتاب دهنده های ذرات در سرن انجام شد.

در اواخر دهه 1990، این تیم به میزان کافی تئوری، مدل سازی و شبیه سازی محاسباتی را برای اجرای بعضی از نمونه های اولیه فیزیکی انجام داده بود.

TAE باید شتاب دهنده های ذرات خود را توسعه می داد، البته در مقایسه با شتاب دهنده ذرات هادرون بزرگ که حلقه ای به طول 27 کیلومتر دارد، TAE به طرز قابل توجهی ساختمان کوچک تری احتیاج دارد و احتیاج به رساندن ذرات به سرعت 99 درصد سرعت نور هم ندارد.

TAE به جای اینکه پلاسمای خود را به شکل دونات به اطراف بچرخاند، آن را در جای خود و محدود به حلقه های مغناطیسی قدرتمند حفظ می نماید. جیم مک نیل، مدیر ارشد بازاریابی، می گوید ما پلاسمایی می سازیم که در داخل استوانه در امتداد محور استوانه می چرخند. ما می توانیم چرخش را کنترل کنیم، در واقع بسیار زیبا و ساده است. شاید به یاد داشته باشید که در کودکی با یک فرفره چرخان بازی می کردید - زمانی که سرعت آن کاهش می یابد، ناپایدار می گردد، اما اگر با سرعت مناسب بچرخد، به وسیله تثبیت ژیروسکوپی بسیار ثبات خواهد داشت. ما در اینجا همین کار را انجام می دهیم، سرعت چرخش را کنترل می کنیم.

از نظر بازده مغناطیسی، یک توکامک حدود 10 درصد و طراحی TAE حدود 90 درصد، بازدهی دارد.

آهنرباها بخش بزرگ و گران قیمت این سیستم های همجوشی هستند، بنابراین اگر بتوانید از آهنرباهای خود استفاده بهینه کنید، می توانید برق کمتری مصرف کنید.

در نسل پنجم دستگاه ها TAE ، آنها دریافته اند که هر چه پلاسما داغ تر گردد، شتاب دهنده های ذرات و سیستم های محصور مغناطیسی بهتر عمل می نمایند.

دستگاه بعدی این شرکت، نسل ششم به نام کوپرنیک است که برای رسیدن به 100 تا 150 میلیون درجه طراحی شده.

کوپرنیک برای نشان دادن امکان تعادل انرژی مثبت - ضریب Q بیشتر از یک طراحی شده، به این معنی که انرژی بیشتری نسبت به مصرف فرایند همجوشی هسته ای فراوری می نماید.

صبر مورد احتیاج سرمایه گذاران TAE در دنیای امروز بسیار زیاد است. این ماشین ها پیشرفته و گران هستند و سود تجاری آن در افق دور است.

TAE با کاهش بخشی از فشار بر سرمایه گذاران، فناوری های جانبی سودده ایجاد نموده است. به عنوان مثال، شتاب دهنده های ذرات به عنوان دستگاه های پرتودرمانی هدفمند برای بیماران سرطانی تغییر کاربری داده شده اند. سیستم های استیج و توزیع نیرو که عملکرد 80000 قطعه برقی را با دقت بالا همگام می نماید، برای توسعه پیشرانه های برقی بهتر و کارآمدتر استفاده شده است.

واقعاً هزینه های یک راکتور تجاری اولیه هیدروژن-بور چقدر خواهد بود؟

اگر فرض کنیم همه چیز طبق برنامه پیش برود، این چیزها در اوایل تا اواسط دهه 2030 وارد بازار انرژی خواهند شد تا شبکه های برق مبتنی بر انرژی های تجدیدپذیر مقرون به صرفه قیمت را ممکن نمایند.

در ایالات متحده، برق گازی را می توان در محدوده یک تا دو سنت برای هر کیلووات ساعت فراوری کرد. هزینه انرژی هسته ای 10-15 سنت است. انتظار می رود که نیروگاه نسل اول همجوشی با هزینه حدود 6-7 سنت در هر کیلووات ساعت برق فراوری کند.

ایمنی یکی از مزایای کلیدی همجوشی نسبت به شکافت هسته ای است، اما وقتی برنامه ریزی راکتور برای دمای تقریباً 40 برابر داغ تر از هسته خورشید است، احساسات عمومی را نباید دست کم گرفت و مقامات سیاسی هم تصمیم را تحت تاثیر آرای مردم می گیرند.

اما نباید نگران این دما بود. به یاد داشته باشید، سرن در حال حاضر دمای بیش از پنج تریلیون درجه را بدون حادثه ایجاد نموده. مک نیل می گوید: مردم باید بدانند که اتم ها چقدر کوچک هستند و این گرما چقدر سریع منتشر می گردد. ما یک ابر کوچک و کم چگالی از آنها با انرژی بسیار بالا داریم که در یک قفس مغناطیسی معلق و در حال چرخش است و در تماس با محیط بیرون تمام انرژی خود را فورا از دست می دهند.

اگر پلاسمای 75 میلیون درجه ما را بردارید و یک تکه یخ از یخچال خود بیرون بیاورید، حدس بزنید چه اتفاقی می افتد؟ بایندرباوئر گفت. یخ تبدیل به آب می گردد، اما حتی گرم نمی گردد. فقط فاز آن تغییر می نماید. اما این برای بیشتر مردم اصلاً واضح نیست.

او ادامه می دهد: هیچ فرار حرارتی وجود ندارد. هیچ ذوب هسته ای وجود ندارد. با هیدروژن-بور، هیچ رادیواکتیویتی وجود ندارد.

سال گذشته، بریتانیا مقررات مربوط به همجوشی را قبلا وضع نموده است. آنها به این نتیجه رسیدند که این مانند شکافت نیست و به یک چارچوب نظارتی متفاوت احتیاج دارد. کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای در آمریکا در سال گذشته جلسات استماع برگزار کرد. امیدواریم که آنها با ما متفاوت رفتار نمایند، اما هیچ تضمینی وجود ندارد. فرآیند طولانی و پیچیده تایید می تواند 10 سال طول بکشد.