و ادغام؟

گزارش‌های پایان سال گذشته در مورد ساخت راکتوری برای سنتز توسط متخصصان چینی بسیار هیجان‌انگیز به نظر می‌رسید (1). رسانه دولتی چین گزارش داد که تاسیسات HL-2M که در یک مرکز تحقیقاتی در چنگدو قرار دارد، در سال 2020 عملیاتی خواهد شد. لحن گزارش‌های رسانه‌ها حاکی از آن بود که مسئله دسترسی به انرژی پایان ناپذیر همجوشی حرارتی هسته‌ای برای همیشه حل شده است.

نگاه دقیق تر به جزئیات به کاهش خوش بینی کمک می کند.

جدید دستگاه از نوع توکامکبا طراحی پیشرفته تر از آنچه تاکنون شناخته شده است، باید پلاسما با دمای بالای 200 میلیون درجه سانتیگراد تولید کند. این در یک بیانیه مطبوعاتی توسط رئیس انستیتوی جنوب غربی فیزیک شرکت ملی هسته ای چین، Duan Xiuru اعلام شد. این دستگاه به چینی هایی که روی این پروژه کار می کنند، پشتیبانی فنی می کند راکتور آزمایشی حرارتی بین المللی (ITER)و همچنین ساخت و ساز.

بنابراین من فکر می کنم که هنوز یک انقلاب انرژی نیست، حتی اگر توسط چینی ها ایجاد شده است. راکتور KhL-2M تا کنون کمی شناخته شده است. ما نمی دانیم خروجی حرارتی پیش بینی شده این راکتور چقدر است یا چه سطوح انرژی برای اجرای یک واکنش همجوشی هسته ای در آن لازم است. ما مهم ترین چیز را نمی دانیم - آیا راکتور همجوشی چینی طرحی با تراز انرژی مثبت است یا فقط یک راکتور همجوشی آزمایشی دیگر است که امکان واکنش همجوشی را فراهم می کند، اما در عین حال برای "اشتعال" انرژی بیشتری نسبت به راکتور نیاز دارد. انرژی که در نتیجه واکنش ها به دست می آید.

تلاش بین المللی

چین به همراه اتحادیه اروپا، ایالات متحده، هند، ژاپن، کره جنوبی و روسیه اعضای برنامه ITER هستند. این گرانترین پروژه تحقیقاتی بین المللی فعلی است که توسط کشورهای ذکر شده در بالا تامین می شود و حدود 20 میلیارد دلار هزینه دارد. در نتیجه همکاری دولت های میخائیل گورباچف ​​و رونالد ریگان در دوران جنگ سرد افتتاح شد و سال ها بعد در معاهده ای که در سال 2006 توسط همه این کشورها امضا شد گنجانده شد.

2. در محل ساخت و ساز ITER tokamak

پروژه ITER در Cadarache در جنوب فرانسه (2) در حال توسعه بزرگترین توکامک جهان است، یعنی یک محفظه پلاسمایی که باید با استفاده از یک میدان مغناطیسی قدرتمند تولید شده توسط آهنرباهای الکتریکی رام شود. این اختراع توسط اتحاد جماهیر شوروی در دهه 50 و 60 ساخته شد. مدیر پروژه، لاوان کوبلنتس، اعلام کرد که سازمان باید "اولین پلاسما" را تا دسامبر 2025 دریافت کند. ITER باید هر بار از یک واکنش گرما هسته ای برای حدود 1 نفر پشتیبانی کند. ثانیه، به دست آوردن قدرت 500-1100 مگاوات. برای مقایسه، بزرگترین توکاماک بریتانیا تا به امروز، جت (چنبره مشترک اروپایی)، واکنش را برای چند ده ثانیه حفظ می کند و تا حدودی قدرت می یابد 16 MW. انرژی در این راکتور به صورت گرما آزاد می شود - قرار نیست به الکتریسیته تبدیل شود. ارائه توان همجوشی به شبکه مورد بحث نیست زیرا این پروژه فقط برای اهداف تحقیقاتی است. تنها بر اساس ITER است که نسل آینده راکتورهای هسته ای ساخته می شود و به قدرت می رسد. 3-4 هزار. مگاوات.

دلیل اصلی عدم وجود نیروگاه های همجوشی معمولی (با وجود بیش از شصت سال تحقیق گسترده و پرهزینه) دشواری کنترل و "مدیریت" رفتار پلاسما است. با این حال، سال ها آزمایش اکتشافات ارزشمند بسیاری را به همراه داشته است و امروزه انرژی همجوشی نزدیک تر از همیشه به نظر می رسد.

هلیوم-3 را اضافه کنید، هم بزنید و حرارت دهید

ITER کانون اصلی تحقیقات جهانی همجوشی است، اما بسیاری از مراکز تحقیقاتی، شرکت‌ها و آزمایشگاه‌های نظامی نیز روی پروژه‌های همجوشی دیگری کار می‌کنند که از رویکرد کلاسیک منحرف می‌شوند.

به عنوان مثال، در سال های اخیر انجام شده است از موسسه فناوری ماساچوست آزمایش با هلم-3 روی توکامک نتایج هیجان انگیزی از جمله افزایش ده برابری انرژی یون پلاسما دانشمندانی که در مؤسسه فناوری ماساچوست به همراه متخصصانی از بلژیک و بریتانیا بر روی توکامک C-Mod آزمایش می‌کنند، نوع جدیدی از سوخت گرما هسته‌ای حاوی سه نوع یون تولید کرده‌اند. تیم Alcator C-Mod (3) در سپتامبر 2016 مطالعه‌ای انجام داد، اما داده‌های این آزمایش‌ها به تازگی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته‌اند و افزایش عظیمی در انرژی پلاسما را نشان می‌دهد. نتایج به قدری دلگرم کننده بود که دانشمندانی که بزرگترین آزمایشگاه همجوشی فعال جهان، JET در بریتانیا را اداره می کردند، تصمیم گرفتند این آزمایش ها را تکرار کنند. همین افزایش انرژی حاصل شد. نتایج این مطالعه در مجله Nature Physics منتشر شده است.

3. Tokamak Alcator C-Mod در حال کار است

کلید افزایش کارایی سوخت هسته ای افزودن مقادیر کمی هلیوم-3، ایزوتوپ پایدار هلیوم، با یک نوترون به جای دو بود. سوخت هسته ای مورد استفاده در روش Alcator C قبلا فقط شامل دو نوع یون دوتریوم و هیدروژن بود. دوتریوم، ایزوتوپ پایدار هیدروژن با یک نوترون در هسته آن (در مقابل هیدروژن بدون نوترون)، حدود 95 درصد سوخت را تشکیل می دهد. دانشمندان مرکز تحقیقات پلاسما و موسسه فناوری ماساچوست (PSFC) از فرآیندی به نام استفاده کردند گرمایش RF. آنتن‌های کنار توکامک از فرکانس رادیویی خاصی برای تحریک ذرات استفاده می‌کنند و امواج به گونه‌ای کالیبره می‌شوند تا یون‌های هیدروژن را هدف قرار دهند. از آنجایی که هیدروژن بخش کوچکی از چگالی کل سوخت را تشکیل می‌دهد، تمرکز تنها بخش کوچکی از یون‌ها در گرمایش باعث می‌شود که به سطوح انرژی شدید دست پیدا کنیم. علاوه بر این، یون های هیدروژن تحریک شده به یون های دوتریوم غالب در مخلوط منتقل می شوند و ذرات تشکیل شده از این طریق وارد پوسته بیرونی راکتور می شوند و گرما را آزاد می کنند.

کارایی این فرآیند زمانی افزایش می یابد که یون های هلیوم-3 به مقدار کمتر از 1 درصد به مخلوط اضافه شوند. دانشمندان با تمرکز تمام گرمایش رادیویی روی مقدار کمی هلیوم-3، انرژی یون ها را به مگاالکترون ولت (MeV) رساندند.

اولین آمد - اولین خدمت معادل به روسی: دیر خوردن مهمان و استخوان

در چند سال گذشته پیشرفت‌های زیادی در دنیای کار همجوشی کنترل‌شده رخ داده است که امیدهای دانشمندان و همه ما را برای رسیدن به "جام مقدس" انرژی دوباره زنده کرده است.

سیگنال های خوب شامل اکتشافات آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL) وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) است. امواج رادیویی با موفقیت زیادی برای کاهش چشمگیر به اصطلاح اغتشاشات پلاسما استفاده شده است که می تواند در فرآیند "پوشش" واکنش های حرارتی هسته ای بسیار مهم باشد. همان تیم تحقیقاتی در مارس 2019 یک آزمایش توکامک لیتیوم را گزارش کرد که در آن دیواره‌های داخلی راکتور آزمایشی با لیتیوم، ماده‌ای که از باتری‌هایی که معمولاً در الکترونیک استفاده می‌شود، شناخته شده بود، پوشانده شد. دانشمندان خاطرنشان کردند که پوشش لیتیومی روی دیواره‌های راکتور، ذرات پلاسما پراکنده را جذب می‌کند و از انعکاس آن‌ها به ابر پلاسما و تداخل در واکنش‌های حرارتی هسته‌ای جلوگیری می‌کند.

4. تجسم پروژه TAE Technologies

دانشمندان مؤسسات علمی معتبر حتی در اظهارات خود به خوش بینانی محتاط تبدیل شده اند. اخیراً، علاقه زیادی به تکنیک های همجوشی کنترل شده در بخش خصوصی افزایش یافته است. در سال 2018، لاکهید مارتین برنامه ای را برای توسعه یک نمونه اولیه راکتور همجوشی فشرده (CFR) در دهه آینده اعلام کرد. اگر فناوری ای که شرکت روی آن کار می کند کار کند، دستگاهی به اندازه کامیون می تواند برق کافی برای رفع نیازهای یک دستگاه 100 فوت مربعی را تامین کند. ساکنان شهر

شرکت‌ها و مراکز تحقیقاتی دیگر برای اینکه ببینند چه کسی می‌تواند اولین راکتور همجوشی واقعی را بسازد، رقابت می‌کنند، از جمله TAE Technologies و موسسه فناوری ماساچوست. حتی جف بزوس آمازون و بیل گیتس مایکروسافت اخیراً در پروژه های ادغام شرکت کرده اند. NBC News اخیراً هفده شرکت کوچک فقط همجوشی در ایالات متحده را شمارش کرده است. استارت‌آپ‌هایی مانند General Fusion یا Commonwealth Fusion Systems روی راکتورهای کوچک‌تر مبتنی بر ابررساناهای خلاقانه تمرکز می‌کنند.

مفهوم "همجوشی سرد" و جایگزین برای راکتورهای بزرگ، نه تنها توکاماک، بلکه به اصطلاح. ستاره داران، با طراحی کمی متفاوت، از جمله در آلمان ساخته شده است. جستجو برای رویکردی متفاوت نیز ادامه دارد. نمونه ای از این دستگاهی به نام Z-pinch، توسط دانشمندان دانشگاه واشنگتن ساخته شده و در یکی از آخرین شماره های مجله Physics World شرح داده شده است. Z-pinch با به دام انداختن و فشرده سازی پلاسما در یک میدان مغناطیسی قدرتمند عمل می کند. در این آزمایش، امکان تثبیت پلاسما برای 16 میکروثانیه وجود داشت و واکنش همجوشی حدود یک سوم از این زمان ادامه داشت. این نمایش قرار بود نشان دهد که سنتز در مقیاس کوچک امکان پذیر است، اگرچه بسیاری از دانشمندان هنوز در این مورد تردید جدی دارند.

به نوبه خود، به لطف حمایت گوگل و سایر سرمایه گذاران فناوری پیشرفته، شرکت کالیفرنیایی TAE Technologies از روشی متفاوت برای آزمایش های همجوشی استفاده می کند. مخلوط سوخت بور، که برای توسعه راکتورهای کوچکتر و ارزانتر، در ابتدا با هدف به اصطلاح موتور موشک همجوشی استفاده می شد. نمونه اولیه راکتور همجوشی استوانه ای (4) با پرتوهای شمارنده (CBFR)، که گاز هیدروژن را گرم می کند تا دو حلقه پلاسما تشکیل شود. آنها با دسته های ذرات بی اثر ترکیب می شوند و در چنین حالتی نگهداری می شوند که باید به افزایش انرژی و دوام پلاسما کمک کند.

یکی دیگر از استارتاپ های فیوژن جنرال فیوژن از استان بریتیش کلمبیا در کانادا از حمایت خود جف بزوس برخوردار است. به عبارت ساده، مفهوم او تزریق پلاسمای داغ به توپی از فلز مایع (مخلوطی از لیتیوم و سرب) در داخل یک توپ فولادی است که پس از آن پلاسما توسط پیستون‌هایی شبیه به موتور دیزل فشرده می‌شود. فشار ایجاد شده باید منجر به همجوشی شود که انرژی زیادی برای نیرو دادن به توربین های نوع جدیدی از نیروگاه آزاد می کند. مایک دلاژ، مدیر ارشد فناوری جنرال فیوژن، می‌گوید گداخت هسته‌ای تجاری ممکن است در ده سال آینده آغاز شود.

5. تصویر از پتنت گرما هسته ای نیروی دریایی ایالات متحده.

اخیراً نیروی دریایی ایالات متحده حق اختراع یک "دستگاه همجوشی پلاسما" را نیز ثبت کرده است. این حق اختراع در مورد میدان های مغناطیسی برای ایجاد "ارتعاش تسریع شده" صحبت می کند (5). ایده ساخت راکتورهای همجوشی به اندازه کافی کوچک است که قابل حمل باشد. نیازی به گفتن نیست که این درخواست ثبت اختراع با شک و تردید مواجه شد.