محققان ممکن است میانبری برای انرژی همجوشی یافته باشند

محققان همجوشی بیش از هفت دهه است که به یک قانون ریاضی برای تعیین اینکه آیا پلاسما می‌تواند به اندازه کافی داغ و متراکم باقی بماند تا بدون گرمایش خارجی بیشتر، همجوشی را حفظ کند، تکیه کرده‌اند. این معادله که به عنوان معیار Lawson شناخته می‌شود، شرایط لازم برای شروع واکنش را تعریف می‌کند. با این حال، این قانون، کارآمدترین راه برای دستیابی به آن‌ها را توضیح نمی‌دهد.

اکنون، فیزیکدانان PPPL، لوئیس دلگادو-آپاریسیو، ماسایوکی اونو و جاناتان منارد، نسخه جامع‌تری از این معیار را توسعه داده‌اند. با گنجاندن چهار عامل اضافی که بر عملکرد همجوشی تأثیر می‌گذارند، آن‌ها مسیری امیدوارکننده برای شروع واکنش را ترسیم کرده‌اند که می‌تواند به طور قابل توجهی انرژی کمتری نسبت به رویکردهای جایگزین نیاز داشته باشد.

نتایج این تحقیق در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.

این تحقیق بر روی پلاسما، که اغلب به عنوان چهارمین حالت ماده شناخته می‌شود، متمرکز است. پلاسما زمانی تشکیل می‌شود که یک گاز به اندازه کافی انرژی بگیرد که ذرات آن دارای بار الکتریکی شوند. در راکتورهای همجوشی، این ماده فوق‌العاده داغ حاوی هسته‌های اتمی است که محققان امیدوارند آن‌ها را با هم ترکیب کنند و انرژی از طریق همجوشی هسته‌ای آزاد کنند.

هدف نهایی تولید پلاسمای سوزان است، که در آن واکنش‌های همجوشی به اندازه کافی گرما تولید می‌کنند تا فرآیند را بدون گرمایش خارجی مداوم حفظ کنند. رسیدن به این حالت به طور کارآمد یکی از مهم‌ترین چالش‌های تحقیق در زمینه انرژی همجوشی است.

محققان میانبری برای شروع همجوشی پیدا می‌کنند

دلگادو-آپاریسیو این کشف را با یافتن یک مسیر کارآمدتر از میان یک رشته کوه مقایسه می‌کند.

تصور کنید که الزامات انرژی برای شروع همجوشی، منظره‌ای است که توسط یک کوه سر به فلک کشیده شده است. مقصد در طرف دیگر قرار دارد، اما چندین مسیر ممکن برای رسیدن به آن وجود دارد.

بسیاری از استراتژی‌های همجوشی پیشنهادی به طور موثر سعی می‌کنند مستقیماً از کوه بالا بروند. آن‌ها با افزایش چگالی پلاسما شروع می‌کنند و سپس گرمای عظیمی را که برای رسیدن به شروع واکنش مورد نیاز است، تامین می‌کنند.

محاسبات جدید نشان می‌دهد که یک توالی متفاوت می‌تواند به طور قابل توجهی کارآمدتر باشد. به جای افزایش چگالی در ابتدا، محققان می‌توانند پلاسما را گرم کنند و سپس آن را متراکم کنند. این مسیر جایگزین از بالاترین الزامات انرژی جلوگیری می‌کند و در عین حال به شرایط مطلوب می‌رسد.

دلگادو-آپاریسیو گفت: «بسیاری از شرکت‌ها می‌خواهند مستقیماً از کوه بالا بروند و انرژی عظیمی را صرف رسیدن به آن کنند. به جای آن از کنار قله بروید. شما به همان مکان با روشی هوشمندانه‌تر می‌رسید و انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کنید.»

گذرگاه پنهان کوهستانی در فیزیک همجوشی

محققان یک منطقه مهم در این منظره ریاضی به نام زین Cordey را شناسایی کردند.

از نظر جغرافیایی، یک زین، گذرگاه کم‌ارتفاعی بین ارتفاعات بالاتر است. در فیزیک همجوشی، زین Cordey نشان‌دهنده یک نقطه نسبتاً قابل دسترس در امتداد مرز بین پلاسمایی است که هنوز به گرمایش خارجی نیاز دارد و پلاسمایی که قادر به حفظ واکنش‌های همجوشی خود است.

برای ارزیابی مسیرهای مختلف، دانشمندان از اندازه‌گیری به نام Q استفاده کردند که قدرت تولید شده توسط واکنش‌های همجوشی را با قدرت گرمایش خارجی تامین شده به پلاسما مقایسه می‌کند.

به عنوان مثال، مقدار Q برابر با 5 به این معنی است که واکنش‌های همجوشی پنج برابر بیشتر از سیستم گرمایش خارجی تولید می‌کنند.

در پلاسمای ایده‌آل حاوی فقط سوخت همجوشی خالص، زین Cordey در حدود Q = 5 رخ می‌دهد. با این حال، سیستم‌های همجوشی واقعی بسیار پیچیده‌تر هستند. آلودگی‌ها در پلاسما و میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی می‌توانند مکان این گذرگاه را تغییر دهند و مقدار Q مورد نیاز برای رسیدن به آن را افزایش دهند.

درک اینکه چگونه این شرایط تغییر می‌کنند برای تعیین اینکه آیا یک راکتور همجوشی پیشنهادی می‌تواند به طور واقع‌بینانه به شروع واکنش برسد یا خیر، ضروری است.

نقشه راه واقع‌بینانه‌تر برای راکتورهای همجوشی آینده

این یافته‌ها می‌تواند بر طراحی دو نوع اصلی دستگاه همجوشی مغناطیسی تأثیر بگذارد: توکامک و استلاراتور.

هر دو رویکرد از میدان‌های مغناطیسی قوی برای محدود کردن پلاسما در حالی که آن را به دماهای فوق‌العاده بالایی که برای همجوشی مورد نیاز است، گرم می‌کنند، استفاده می‌کنند. توکامک‌ها که دارای شکل دوناتی هستند، در میان فناوری‌های پیشرو مورد بررسی برای نیروگاه‌های همجوشی آینده هستند.

موسسات تحقیقاتی و شرکت‌های خصوصی در حال بررسی راه‌های مختلفی برای تولید برق از همجوشی و در نهایت رساندن آن برق به شبکه هستند. شناسایی یک مسیر کارآمد برای شروع واکنش می‌تواند به مهندسان کمک کند تا سیستم‌های عملی‌تری را طراحی کنند و از اشتباهات پرهزینه جلوگیری کنند.

برای PPPL، این کار بخشی از یک تلاش گسترده‌تر برای رسیدگی به چالش‌های علمی و فناوری است که باید قبل از اینکه انرژی همجوشی تجاری امکان‌پذیر شود، برطرف شوند، از جمله توسعه نیروگاه‌های آزمایشی همجوشی آینده.

یکی از پیشرفت‌های اصلی این مطالعه این است که چندین فرآیند فیزیکی مهم را با هم ارزیابی می‌کند تا اینکه آن‌ها را به طور جداگانه، همانطور که بسیاری از تحقیقات قبلی انجام داده‌اند، بررسی کند.

محققان چهار عامل اضافی را که می‌توانند بر اینکه آیا پلاسما به شروع واکنش می‌رسد و آن را حفظ می‌کند، گنجاندند:

1. تجمع خاکستر هلیوم: واکنش‌های همجوشی هلیوم را به عنوان یک محصول جانبی تولید می‌کنند. با تجمع این سوخت مصرف شده، می‌تواند سوخت همجوشی باقی‌مانده را رقیق کند و عملکرد را کاهش دهد.
2. آلودگی پلاسما: ناخالصی‌های سبک و سنگین می‌توانند از موادی که داخل راکتور را پوشانده‌اند وارد پلاسما شوند و در شرایط همجوشی اختلال ایجاد کنند.
3. تشعشع سنکروترون: الکترون‌هایی که از میان میدان‌های مغناطیسی حرکت می‌کنند، تشعشع ساطع می‌کنند و انرژی را از پلاسما می‌گیرند.
4. از دست دادن گرما: انرژی به طور مداوم از پلاسما خارج می‌شود و این تلفات می‌توانند با افزایش دما بیشتر شوند.

در نظر گرفتن این اثرات، تصویری واقع‌بینانه‌تر از شرایطی که راکتورهای آینده باید به آن دست یابند، ارائه می‌دهد.

اونو گفت: «وقتی این اثرات را حذف می‌کنید، می‌گویید که طراحی خوب کار می‌کند. وقتی آن‌ها را وارد می‌کنید، تصویر تغییر می‌کند و اهمیت زیادی پیدا می‌کند.»

به گفته اونو، هدف ایجاد یک مدل قابل اعتماد و کاربردی است که دانشمندان بتوانند از آن برای ارزیابی طرح‌های راکتور همجوشی قبل از ساخت استفاده کنند.

در نظر گرفتن معیار Lawson به عنوان یک آستانه ثابت، فرآیندهای فیزیکی را که می‌توانند به طور قابل توجهی الزامات شروع واکنش را تغییر دهند، نادیده می‌گیرد. گنجاندن این اثرات در مراحل اولیه طراحی می‌تواند از مشکلات پرهزینه در آینده جلوگیری کند.

«آزمایش‌های همجوشی بسیار پرهزینه هستند و نمی‌خواهید اشتباهاتی را مرتکب شوید که می‌توانستید از قبل آن‌ها را تشخیص دهید»، او گفت.

مقادیر کم تنگستن می‌تواند همجوشی را بسیار دشوارتر کند

یکی از یافته‌های قابل توجه، تنگستن، یک فلز فوق‌العاده مقاوم در برابر حرارت است که برای دیواره‌های داخلی بیش از یک دوجین دستگاه همجوشی نسل بعدی انتخاب شده است.

تنگستن جذاب است زیرا راکتورهای همجوشی باید در شرایطی با دماهای بالاتر از مرکز خورشید مقاومت کنند. با این حال، این ماده همچنین یک چالش قابل توجهی را به همراه دارد اگر حتی مقادیر کمی وارد پلاسما شوند.

محاسبات تیم نشان می‌دهد که آلودگی تنگستن در غلظتی تنها یک در 10000 می‌تواند فشار مورد نیاز برای دستیابی به شروع همجوشی را تقریباً دو برابر کند.

این یک افزایش قابل توجه ناشی از مقدار بسیار کمی از مواد است.

محاسبات در ابتدا در دو بعد توسعه یافتند. هنگامی که محققان تجزیه و تحلیل خود را به سه بعد گسترش دادند، دریافتند که فشار مورد نیاز برای شروع واکنش می‌تواند از محدودیت‌هایی فراتر رود که در آن پلاسما پایدار می‌ماند.

این نشان می‌دهد که آلودگی به ظاهر جزئی می‌تواند پیامدهای مهمی برای امکان‌پذیری طرح‌های خاص راکتور همجوشی داشته باشد.

چگونه تلفات انرژی می‌تواند همجوشی را تثبیت کند

به طور شگفت‌انگیزی، برخی از فرآیندهایی که شروع واکنش را دشوارتر می‌کنند، ممکن است به راکتورهای همجوشی کمک کنند تا به طور ایمن‌تر و سازگارتر کار کنند.

دانشمندان مدت‌هاست که امکان بی‌ثباتی حرارتی «فرار» را بررسی کرده‌اند. این زمانی اتفاق می‌افتد که گرمای ناشی از واکنش‌های همجوشی، سرعت واکنش را افزایش می‌دهد و در نتیجه گرمای بیشتری تولید می‌کند و به طور بالقوه یک چرخه خودتقویتی ایجاد می‌کند.

محققان دریافتند که تلفات انرژی در پلاسما می‌تواند به طور طبیعی در برابر این اثر مقابله کند.

اگرچه این تلفات رسیدن به شروع واکنش را دشوارتر می‌کنند، اما یک تعادل ایجاد می‌کنند که می‌تواند به یک پلاسمای سوزان اجازه دهد تا بدون تنظیمات مداوم، یک حالت عملیاتی پایدار را حفظ کند.

این تعادل می‌تواند برای طرح‌های راکتور آینده ارزشمند باشد.

(برخلاف نیروگاه شکاف هسته‌ای، یک سیستم همجوشی تنها چند ثانیه سوخت در یک زمان نگه می‌دارد، بنابراین از دست دادن کنترل به این معنی است که پلاسما خنک می‌شود و سوختن متوقف می‌شود، نه چیز بدتر.)

لیتیوم مایع و سوخت پیشرفته می‌توانند کارایی همجوشی را بهبود بخشند

این مطالعه همچنین فناوری‌هایی را که ممکن است به غلبه بر برخی از موانعی که محاسبات نشان می‌دهند، کمک کنند، شناسایی می‌کند.

یک احتمال، پوشش دادن داخل راکتورهای همجوشی با لیتیوم مایع است، تکنیکی که محققان PPPL سال‌هاست آن را بررسی می‌کنند.

این پوشش‌ها می‌توانند از ورود تنگستن به پلاسما جلوگیری کنند و در عین حال تلفات گرما را کاهش دهند و حفظ شرایط شدید مورد نیاز برای همجوشی را آسان‌تر کنند.

رویکرد امیدوارکننده دیگر، استفاده از سوخت قطبیده اسپین است. این شامل آماده‌سازی هسته‌های اتمی به طوری که اسپین‌های آن‌ها قبل از همجوشی همسو شوند، که می‌تواند سرعت واکنش همجوشی را افزایش دهد.

به طور کلی، این استراتژی‌ها می‌توانند عملکرد راکتورهای آینده را بهبود بخشند و مسیر شروع واکنش را قابل دستیابی‌تر کنند.

قدم بعدی برای استراتژی جدید همجوشی چیست؟

علیرغم یافته‌های امیدوارکننده، رویکرد گرم‌اول هنوز به صورت تجربی نشان داده نشده است.

این تحقیق نظری است و بر اساس محاسبات ریاضی است تا اندازه‌گیری مستقیم. آزمایش‌های همجوشی موجود به دماهای مرتبط با زین Cordey نرسیده‌اند و مانع از آن می‌شوند که دانشمندان این مسیر پیش‌بینی‌شده را در آن شرایط آزمایش کنند.

تیم PPPL قصد دارد این رویکرد را از طریق آزمایش‌های دیجیتالی بیشتر بررسی کند و از شبیه‌سازی‌های مبتنی بر رایانه برای بررسی اینکه آیا گرم کردن پلاسما قبل از افزایش چگالی آن می‌تواند مزایای مورد انتظار را ارائه دهد، استفاده کند.

اگر مطالعات آینده محاسبات را تأیید کنند، این یافته‌ها می‌توانند مبنای مهمی برای طراحی سیستم‌های همجوشی کارآمدتر و کمک به محققان برای تصمیم‌گیری بهتر در مورد ساخت راکتور ارائه دهند.

منارد گفت: «در حالی که به مطالعات بیشتری نیاز است، ما از این نتایج هیجان‌زده هستیم و آن‌ها یک مسیر واضح رو به جلو برای تحقیقات آینده در این زمینه نشان می‌دهند.»

این کار توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده، دفتر علوم همجوشی، تحت قرارداد DE-AC02-09CH11466 حمایت شد. حمایت‌های اضافی از طریق جایزه شغلی اولیه علوم همجوشی در سال 2015، جایزه نوآوری و توسعه تشخیصی در سال 2018 و برنامه‌های تحقیقاتی توکامک پالس طولانی در سال‌های 2021 و 2025 به دست آمد.