به گزارش ایسنا و به نقل از استادی فایندز، «وزارت انرژی آمریکا»(DOE) در دسامبر ۲۰۲۲ یک پیشرفت علمی بزرگ را در علم هم‌جوشی هسته‌ای گزارش کرد. برای اولین بار، انرژی آزاد شده از واکنش همجوشی، بیشتر از میزان انرژی مورد نیاز برای مشتعل کردن آن بود. اگرچه این یک دستاورد واقعا تاریخ‌ساز به شمار می‌رود اما مهم است که در مسیر پیش رو برای انرژی همجوشی تأمل کنیم.

استادان مهندسی انرژی پایدار و تجدیدپذیر «دانشگاه کارلتون»(Carleton University) در یک مقاله جدید، نظرات خود را پیرامون پیشرفت در حوزه هم‌جوشی هسته‌ای ارائه داده‌اند. اگر مایل هستید در مورد نظرات آنها بدانید، با این گزارش همراه باشید.

این گروه پژوهشی در مقاله خود نوشتند: ما در دانشگاه کارلتون، پیرامون فناوری‌ها و سیستم‌های انرژی جایگزین تحقیق می‌کنیم که می‌توانند ما را به آینده‌ای با کربن کم سوق دهند. همچنین، ما به دانشجویان خود یاد می‌دهیم که چگونه از یافته‌های آزمایشگاهی به سوی برنامه‌های کاربردی جهان واقعی حرکت کنند.

کارآیی یک نیروگاه انرژی هم‌جوشی باید دیده شود. بهره خالص هم‌جوشی گزارش‌شده در واقع به حدود ۳۰۰ مگاژول انرژی ورودی نیاز دارد که در محاسبه بهره انرژی لحاظ نشده است. این انرژی ورودی که برای تامین انرژی ۱۹۲ لیزر مورد نیاز بود، از شبکه برق تامین می‌شد. به عبارت دیگر، در این آزمایش به اندازه یک خانواده معمولی کانادایی در دو روز انرژی مصرف شد. با انجام دادن این کار، واکنش هم‌جوشی می‌تواند انرژی کافی را برای روشن کردن ۱۴ لامپ رشته‌ای به مدت یک ساعت تولید کند.

همین امر در مورد شکافت هسته‌ای که واکنشی در نیروگاه‌های هسته‌ای کنونی به شمار می‌رود نیز درست است. شکافت کامل یک کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ می‌تواند حدود ۷۷ تراژول انرژی تولید کند اما ما نمی‌توانیم همه آن انرژی را به شکل‌های سودمندی مانند گرما و برق تبدیل کنیم. در عوض، ما باید یک سیستم پیچیده را مهندسی کنیم که بتواند واکنش زنجیره‌ای شکافت هسته‌ای را تحت کنترل درآورد و انرژی تولید شده را به شکل‌های سودمندتر تبدیل کند.

این همان کاری است که نیروگاه‌های هسته‌ای انجام می‌دهند. آنها گرمای تولید شده طی واکنش‌های شکافت هسته‌ای را برای تولید بخار مهار می‌کنند. این بخار، یک توربین متصل به یک ژنراتور برق را به حرکت درمی‌آورد. بازدهی کلی چرخه، کمتر از ۴۰ درصد است.

علاوه بر این، همه اورانیوم موجود در سوخت سوزانده نمی‌شود. سوخت مورد استفاده هنوز حدود ۹۶ درصد از کل اورانیوم و حدود یک پنجم محتوای اورانیوم ۲۳۵ شکافت‌پذیر خود را دارد.

افزایش مقدار اورانیوم مصرف‌ شده در ناوگان کنونی ما امکان‌پذیر است و یک حوزه کاری مداوم به شمار می‌رود اما چالش‌های مهندسی قابل توجهی را به همراه دارد. پتانسیل بزرگ انرژی سوخت هسته‌ای در حال حاضر به خاطر چالش‌های مهندسی تبدیل کردن انرژی به شکل سودمند کاهش می‌یابد.

از علم تا مهندسی

تا همین اواخر، هم‌جوشی عمدتا به عنوان یک آزمایش علمی تلقی می‌شد؛ نه به عنوان یک چالش مهندسی. این شرایط به سرعت در حال تغییر است و تنظیم‌کننده‌ها اکنون در حال بررسی چگونگی استقرار آن در جهان واقعی هستند.

صرف نظر از کارآیی یک نیروگاه هم‌جوشی آینده، انتقال انرژی از علوم پایه به جهان واقعی، نیازمند غلبه کردن بر بسیاری از چالش‌ها است. از آنجا که شکافت با بسیاری از چالش‌های کنونی هم‌جوشی روبه‌رو است، می‌توانیم اطلاعات زیادی را از تاریخچه آن بیاموزیم. پیش از این که کار صنعت تجاری آغاز شود، شکافت باید از علم به مهندسی حرکت کند.

علم انرژی هم‌جوشی مانند شکافت هسته‌ای در تلاش برای توسعه سلاح‌های هسته‌ای ریشه دارد. چندین فیزیک‌دان هسته‌ای که به ساخت بمب هسته‌ای کمک کردند، می‌خواستند ثابت کنند که این کشف فقط یک سلاح نیست.

تاریخ اولیه انرژی هسته‌ای، خوش‌بینی در مورد بیانیه‌هایی بود مبنی بر اینکه فناوری پیشرفت می‌کند و می‌تواند نیاز ما به مقادیر روزافزون انرژی را برآورده سازد. در نهایت، بیانیه‌ها گفتند که قدرت هم‌جوشی می‌آید و برق بسیار ارزان‌تر از آن می‌شود که بخواهیم آن را اندازه‌گیری کنیم.

درس‌های آموخته‌شده

در طول ۷۰ سالی که از زمان آغاز انرژی هسته‌ای گذشته است، چه آموخته‌ایم؟ نخست این که ما در مورد خطر بالقوه ویران‌گر قفل شدن فناوری آموخته‌ایم. این شرایط زمانی رخ می‌دهد که یک صنعت به یک محصول یا سیستم ویژه وابسته می‌شود.

رآکتورهای شکافت آب سبک امروزی که از آب معمولی به جای آب غنی‌شده با ایزوتوپ هیدروژن استفاده می‌کنند، نمونه‌ای از این موارد هستند. آنها به این دلیل انتخاب نشدند که مطلوب‌ترین بودند، بلکه دلایل دیگری برای انتخاب آنها وجود داشت.

یکی از این دلایل، یارانه‌های دولتی است که به نفع این طرح‌ها بوده‌اند. از میان عوامل دیگر می‌توان به علاقه «نیروی دریایی آمریکا»(USN) به توسعه رآکتورهای آب در مقیاس کوچک‌تر برای زیردریایی‌ها و کشتی‌های جنگی روی سطح آب، پیشرفت در فناوری غنی‌سازی اورانیوم در نتیجه برنامه تسلیحات هسته‌ای آمریکا، عدم قطعیت در مورد هزینه‌های هسته‌ای و محافظه‌کاری در مورد گزینه‌های طراحی به خاطر هزینه‌ها و خطرات مرتبط با توسعه انرژی هسته‌ای اشاره کرد. استادان دانشگاه کارلتون خاطرنشان کردند: ما از آن زمان تاکنون در تلاش بوده‌ایم تا به سوی فناوری‌های دیگر برویم.

آنها در ادامه نوشتند: دوم اینکه ما یاد گرفته‌ایم اندازه رآکتورها مهم است. هزینه ساخت راکتورهای بزرگ در هر واحد، بیشتر از هزینه ساخت واحدهای کوچک‌تر است. به عبارت دیگر، مهندسان مفهوم صرفه‌جویی در مقیاس را اشتباه فهمیدند و صنعت خود را در این فرآیند محکوم کردند.

پروژه‌های زیرساختی بزرگ، سیستم‌های بسیار پیچیده‌ای هستند که به تعداد زیادی از نیروهای کار و هماهنگی آنها تکیه دارند. این پروژه‌ها را می‌توان مدیریت کرد اما معمولا از بودجه فراتر می‌روند و از برنامه عقب می‌مانند. فناوری‌های ماژولار مقرون‌ به‌صرفه‌تر، کنترل هزینه و صرفه‌جویی بهتری را نشان می‌دهند اما رآکتورهای هسته‌ای کوچک نیز از نظر اقتصادی با چالش روبه‌رو خواهند شد.

سوم این که نیروهای نظارتی باید برای ادغام وجود داشته باشند. اگر صنعت خیلی سریع پیرامون یک طراحی نسل اول ادغام شود، پیامدهای آن برای تنظیم کردن رآکتورهای آینده ممکن است شدید باشند.

چهارمین مورد، انتخاب کردن مکان برای نیروگاه‌های جدید و پذیرش جامعه است که یک موضوع کلیدی به شمار می‌رود. مزیت هم‌جوشی نسبت به شکافت این است که افکار عمومی در مورد فناوری آن، بیشتر یک لوح خالی هستند. ارتباط مثبت مردم با هم‌جوشی باید با تصمیم‌گیری در مورد طراحی محتاطانه و در پیش گرفتن بهترین شیوه‌ها برای مشارکت جامعه حفظ شود.

همین امر در مورد نحوه انتخاب کردن صنعت برای مقابله با چالش زباله نیز درست است. رآکتورهای هم‌جوشی، مقادیر زیادی ضایعات تولید می‌کنند؛ اگرچه مشابه ضایعات شکافت نیست.

یک فراخوان برای اقدام کردن

در ادامه مقاله آمده است: تحقیقات ما در مورد نوآوری انرژی هسته‌ای نشان می‌دهند که می‌توان بر چالش‌های پیش روی هم‌جوشی هسته‌ای غلبه کرد اما این چالش‌ها به سرپرستی محتاطانه، دهه‌ها پژوهش، مقادیر قابل توجهی بودجه و تمرکز کردن بر توسعه فناوری نیاز دارند. میلیاردها دلار برای پیشرفت فناوری شکافت هسته‌ای مورد نیاز است و ما تجربه بسیار بیشتری را در مورد شکافت نسبت به هم‌جوشی داریم. اشتهای دولت‌ها، شرکت‌های برق و کارآفرینان برای تامین مالی باید نشان داده شود.

وعده هم‌جوشی، بسیار بزرگ است و برای پیشبرد آن فراتر از پیشرفت اخیر، کارهای هیجان‌انگیزی توسط بخش‌های گوناگون از جمله شرکت‌های خصوصی در حال انجام شدن هستند. پیش از اینکه هم‌جوشی بتواند به طور معنادار به سیستم انرژی ما کمک کند، دهه‌ها پژوهش و توسعه مورد نیاز است.

استادان دانشگاه کارلتون تاکید کردند: پیام اصلی ما یک فراخوان برای اقدام کردن است. مهندسان هم‌جوشی، پژوهشگران، صنعت و دولت باید برای بررسی کردن و کاهش دادن چالش‌های پیش روی هم‌جوشی، از جمله در طراحی نسل اول نیروگاه‌ها، سازمان‌دهی شوند.

این مقاله، در مجله «The Conversation» به چاپ رسید.

انتهای پیام