به گزارش «فرهیختگان»، انرژی هسته‌ای که برخی کشورهای دنیا به دنبال آن هستند، درکنار استفاده‌های تسلیحاتی و نظامی که دارد، در تولید انرژی کاربردهای بسیار وسیعی دارد و می‌تواند به کشورهایی که از نظر تامین انرژی ضعیف هستند، کمک کند تا از این طریق علاوه بر تولید انرژی‌های پاک، حجم بالایی از انرژی را هم دراختیار داشته باشند. ساخت رآکتورهای هسته‌ای که قابلیت بالایی برای این کار داشته باشند، چند سالی است در دستور‌کار کشورها قرار گرفته است. رسانه‌های محلی چین به‌تازگی از راه‌اندازی موفقیت‌آمیز رآکتور همجوشی هسته‌ای موسوم به «خورشید مصنوعی» رونمایی کرده‌اند که برای نخستین‌بار در دنیا تولید می‌شود. این ابردستگاه با توجه به حرارت بسیار بالایی که تولید می‌کند، به این کشور در پیشبرد قابلیت‌های تحقیقاتی انرژی هسته‌ای کمک می‌کند. این پروژه که ماحصل سال‌ها تلاش و تحقیق دانشمندان چینی است، علاوه‌بر نقش چشمگیر در انرژی هسته‌ای، می‌تواند در کنار تامین نیازهای استراتژیک حوزه انرژی، توسعه پایدار انرژی و اقتصاد ملی چین را هم به دنبال داشته باشد. این رآکتور هسته‌ای در استان سیچوان، در جنوب غرب چین راه‌اندازی شده و ساخت آن اواخر سال گذشته میلادی به اتمام رسید اما فعال کردن آن مدتی زمان برد که سرانجام این اتفاق افتاد و دنیا شاهد فعالیت نخستین خورشید مصنوعی است.
پروژه از کجا آغاز شد؟
اواخر سال 2018 بود که دانشمندان چینی اعلام کردند درحال ساخت نوعی خورشید مصنوعی هستند که بتوانند از آن به‌عنوان منبع جایگزین انرژی در کره‌زمین استفاده کنند.
گزارش‌ها حکایت از آن داشت که موسسه علوم فیزیکی Hefei چین روی پروژه شبیه‌ساز خورشید زمینی کار می‌کردند که اساسا یک رآکتور همجوشی بود.
چیزی که در این پروژه عجیب بود و توجه را به خود جلب می‌کرد، این بود که دانشمندان این پروژه مدعی شده بودند، توانسته‌اند دمای 100میلیون درجه سیلسیوس را در این شبیه‌ساز تولید کنند که نسبت به دمای 15 میلیون درجه سیلسیوس در هسته خورشید، 6 برابر بالاتر است.
در واکنش همجوشی، دو هسته با هم ترکیب و این برخلاف واکنش شکافت است که در رآکتورهای هسته‌ای فعلی، یک اتم را تقسیم می‌کنند. رآکتورهای همجوشی قدرت بیشتری تولید می‌کنند درحالی که پسماند کم‌خطرتری دارند.
نقش دمای بالا در رآکتور هسته‌ای چیست؟
در همجوشی هسته‌ای دمای اولیه بسیار بالایی موردنیاز است. در سال 2018، دانشمندان امیدوار بودند بتوانند واکنش همجوشی را در دمای 100 میلیون درجه سیلسیوس آغاز کنند. با وجود این، آنها باید کاری می‌کردند که بتوانند دمای بالای این رآکتور را برای مدت زمان طولانی حفظ کنند تا به این طریق، به‌عنوان یک منبع انرژی کاربردی از آن استفاده کنند. یکی از بزرگ‌ترین موانع برای غلبه برای حل این مشکل، تلاش برای محدود کردن واکنش‌ها در یک فضای محدود برای مدتی طولانی است. راه دیگر، دستیابی به تراکم پلاسمایی است که به اندازه کافی بالا باشد. تنها در زمان بالابودن این تراکم و تجاوز کردن درجه حرارت تا بیش از 100میلیون درجه، ذرات قابل‌توجهی با انرژی جنبشی کافی بر دافعه بین هسته‌ها غلبه می‌کنند و اجازه می‌دهد واکنش‌های همجوشی هسته‌ای اتفاق بیفتد. محققان اعلام کرده بودند رآکتور ساخته‌شده به دمایی بیش از 100میلیون درجه سیلسیوس رسیده که بیش از 100 ثانیه تخلیه می‌شود. اما محققان معتقدند برای دستیابی به انرژی همجوشی پایدار، باید این دما را به صدها میلیون درجه برسانند و زمان تخلیه را به هزاران ثانیه کاهش دهند.
نیروی همجوشی به چه کار می‌آید؟
نیروی همجوشی قابلیت حل بسیاری از مسائل مرتبط با انرژی را در دنیا دارد، به‌طوری که قادر به تولید انرژی‌های بسیار بالا با کمترین تاثیر روی محیط‌زیست است. به گفته مدیر موسسه فیزیک پلاسما در آکادمی علوم چین، این رآکتور هسته‌ای، تاکنون توانسته به خروجی الکتریکی 10میلیون وات معادل انرژی موردنیاز برای تامین انرژی 200هزار لامپ دست یابد. درواقع، این رآکتور مانند فر عمل می‌کند اما دانشمندان برای دستیابی به دمای بالا و کافی برای همجوشی هسته‌ای یا باید فر را داغ‌تر یا تشعشع حرارتی را کم کنند.نیروی همجوشی، نوعی فرآیند تولید انرژی و نیرو است که با استفاده از حرارت ایجادشده از واکنش‌های همجوشی هسته‌ای برق تولید می‌کند. در فرآیند همجوشی، دو هسته اتمی سبک‌تر در ترکیب با هم و نیز در زمان آزاد کردن انرژی، هسته سنگین‌تری را تولید می‌کنند. دستگاه‌هایی که محققان برای مهار این انرژی طراحی کرده‌اند، به رآکتورهای همجوشی شناخته می‌شوند.
ساخت رآکتور بزرگ‌تر تا سال 2025
محققان با اشاره به رآکتور آزمایشی بین‌المللی هسته‌ای حرارتی، عنوان کرده‌اند این پروژه‌ای مشترک میان اروپا، آمریکا، چین، هند، ژاپن، روسیه و کره‌جنوبی است که شامل ساخت نمونه‌ای از رآکتور همجوشی به‌منظور تولید برق است. ساخت این پروژه از سال 2013 آغاز شده و قرار است طبق برنامه‌ریزی‌های صورت‌گرفته در سال 2025 به پایان برسد. این پروژه بین‌المللی درحال حاضر در جنوب فرانسه درحال ساخت است و به‌گونه‌ای طراحی شده که بتواند درحال حاضر تا بیش از 150 درجه سانتی‌گراد تولید کند.
خورشید مصنوعی چینی‌ها چه ویژگی‌هایی دارد؟
این خورشید مصنوعی ساخته‌شده به دستگاه TokamakHL-2M شناخته می‌شود که قادر به تولید پلاسما یا گاز داغ در دمای بالای 200 درجه سیلسیوس است. قدرت تولید این دمای بالا برای انجام فرآیند همجوشی ضروری است. رآکتور ساخت چین، گامی موثر در راستای پیشرفت رآکتور آزمایشی مهندسی همجوشی در این کشور تا سال 2021 است. رآکتور HL-2M پلتفرم بسیار حیاتی است و با توجه به اینکه چین یکی از پیشگامان اصلی دنیا در توسعه فناوری همجوشی به شمار می‌رود، قابلیت تولید منبع بی‌پایانی از انرژی پاک را در اختیار دارد و همان‌طور که دانشمندان چینی متعهد شده بودند، توانستند تا پیش از پایان سال 2020، این رآکتور آزمایشی را تولید کنند. قرار است نمونه صنعتی این رآکتور یا خورشید مصنوعی تا سال 2035 ساخته شود و تا سال 2050 به‌عنوان یک نمونه تجاری در مقیاس و ابعاد بزرگ تولید شود.
در داخل رآکتور چه اتفاقی می‌افتد؟
جریان‌های الکتریکی حداکثر سه‌میلیون آمپری از طریق یک سیم‌پیچ مسی 90 تنی عبور می‌کنند تا یک میدان مغناطیسی قدرتمند ایجاد کند که به نوبه خود حاوی پلاسمای تولید شده توسط فرآیند همجوشی است و مانع نابودی مرکز آن می‌شود. سیم‌پیچ ساخته شده برای این رآکتور، ازجمله دستاوردهای اصلی محققان است که توانایی بی‌نظیری در مقاومت در برابر شوک‌ها را از خود نشان می‌دهد. یکی از فیزیکدانان دانشگاه تسینگوآ معتقد است دانشمندان دنیا هنوز مشکلات زیادی را برای غلبه بر این میدان همجوشی هسته‌ای دارند که یکی از مسائل اصلی پلاسماست. انرژی همجوشی ساخت بشر در مقایسه با همجوشی موجود در فرآیندهای طبیعی موجود در خورشید ثبات کمتری دارد و گاز داغ، گاهی شراره‌هایی را تولید می‌کند که قادر است قفس مغناطیسی را شکسته و به دیواره داخلی اتاقک رآکتور صدمه بزند. تجهیزات جدیدی مانند همین رآکتور HL-2M دامنه وسیع‌تری را برای مطالعه و یافتن راه‌حل‌های بیشتر برای چنین مشکلاتی در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد. البته هیچ تضمینی برای حل تمام این مشکلات وجود ندارد و این چالش‌ها حل‌نکرده باقی می‌مانند.
حرارت 10 برابر داغ‌تر از خورشید
دانشمندان چینی از سال 2006 روی ساخت نمونه‌های کوچک‌تر رآکتور همجوشی هسته‌ای فعالیت می‌کنند و درحال حاضر این پروژه توانسته تا حد قابل قبولی پیش رود. با تمام تلاش‌هایی که محققان در سال‌های اخیر روی آن انجام داده‌اند، دمای مطلوب تولید‌شده در این رآکتور به بیش از 150 درجه سانتی‌گراد رسیده است که حدودا 10 برابر داغ‌تر از حرارتی است که در هسته خورشید تولید می‌شود. به دلیل همین حرارت بالایی که تولید می‌کند، نام آن را خورشید مصنوعی گذاشته‌اند. کار ساخت اولیه رآکتور سال گذشته به پایان رسید اما محققان همچنان روی ریزه‌کاری‌های آن کار می‌کنند و از همه مهم‌تر به‌دنبال رسیدن به حرارتی بسیار بالاتر از چیزی هستند که درحال حاضر تولید می‌شود. این اولین باری است که محققان رآکتور را فعال کردند تا بتوانند تولید حرارت را در آن تست کنند. به‌طور قطع، این موفقیت بزرگ، دستاورد فوق‌العاده علمی به‌شمار می‌رود که هدف دانشمندان جهان را برای تولید انرژی هسته‌ای ایمن، پاک و پایدار فراهم می‌کند. البته تولید انرژی همجوشی هسته‌ای تنها راه رفع نیازهای انرژی استراتژیک در چین محسوب نمی‌شود، بلکه نقش موثرتر و بزرگ‌تری هم برای آینده توسعه پایدار انرژی چین و اقتصاد ملی این کشور دارد. رآکتور با کمک میدان مغناطیسی قدرتمندی که حاوی حلقه‌ای از پلاسمای داغ است، انرژی تولید می‌کند. دمای این پلاسمای داغ به بیش از 150 میلیون درجه می‌رسد.
دانشمندان چه چالش‌هایی پیش‌رو دارند؟
چالش‌های اصلی که در ساخت و توسعه این رآکتور هسته‌ای پیش‌رو دارند، کنترل انرژی‌های تولید شده است.
محققان سینچوآن قادر خواهند بود با کمک این رآکتور، آزمایش‌های بی‌سابقه‌ای را در محیط‌های خیلی بزرگ انجام دهند. در رآکتور HL-2M از یک محفظه‌ای شبیه دونات استفاده می‌شود که به آن tokamak می‌گویند تا از این طریق، چگونگی تولید انرژی را مطالعه کنند. این قسمت حاوی انرژی همجوشی است.
رآکتور همجوشی هسته‌ای چه کاربردی دارد؟
فرآیند همجوشی بسیار گران‌قیمت است اما تست‌هایی که چینی‌ها با کمک این رآکتور همجوشی هسته‌ای انجام داده‌اند، به محققان کمک می‌کند به راه‌های تحقیقاتی ارزان قیمت‌تری هم دست پیدا کنند. این پروژه در راستای پروژه مشترک بین‌المللی قرار می‌گیرد که چند کشور روی آن کار می‌کنند و قرار است در سال 2025 به پایان برسد.
این پروژه اساسا در فرانسه پیگیری می‌شود و این رآکتور هم می‌تواند بخشی از آن باشد. چین در نظر دارد تا سال 2050 به تولید تجاری انرژی همجوشی دست‌یابد و با وجود گران و پرخطر بودن آن، محققان چینی از ادامه آن سر باز نزدند. چین تحقیقات خود را روی همجوشی هسته‌ای از دهه 60 میلادی آغاز کرد که ماحصل این تحقیقات تاکنون ساخت رآکتورهای کوچکی چون HL-1 بوده و رآکتورهای کوچک دیگری مانند KT-5، CT-6B و HT-7 بوده است.
هدف نهایی این رآکتور چیست؟
به گزارش Globaltimes، این رآکتور عظیم، استقلال چینی‌ها را در طراحی و ساخت بی‌نظیر و اجرای فناوری‌های پیشرفته در ابعاد وسیع آن نشان می‌دهد که به این واسطه توانسته‌اند انرژی همجوشی را مهار کرده و پایه‌ای محکم برای این طراحی مستقل ایجاد کنند. رآکتورTokamakHL-2M طراحی شده است تا واکنش‌های طبیعی ایجادشده در خورشید به واسطه آنها تکرار شوند که هدف آن، تولید انرژی پاک از طریق همجوشی هسته‌ای کنترل شده است. با استفاده از ساختارهای پیشرفته‌تر و حالت کنترل، این دستگاه‌های جدید قادرند حتی درجه حرارتی بالاتر از 200 میلیون درجه سیلی‌سیوس را تولید کند و به این واسطه، جریان الکتریکی پلاسما قادر است تا بیش از 2.5 تریلیون آمپر بالا رود. این خورشید مصنوعی درحال حاضر، بزرگ‌ترین دستگاه پیشرفته توکاماک با بالاترین پارامترها در چین است که حمایت فنی خوبی را از چین به‌عمل می‌آورد تا این کشور بتواند به توسعه کیفی بالایی در حوزه همجوشی هسته‌ای دست یابد و به این واسطه، به پلتفرمی بین‌المللی تبدیل شود که چین از طریق این انرژی همجوشی هسته‌ای بتواند با دیگر کشورهای شریک در این پروژه همکاری کند. تاکنون 20 میلیارد یورو معادل 22.5 میلیارد دلار صرف تولید این رآکتور هسته‌ای شده است و انتظار می‌رود این پروژه تا سال 2025 به اتمام نهایی برسد.
* مترجم: ندا اظهری