خبرهای مربوط به ساخت خورشید مصنوعی آنقدر در سالهای اخیر تکرار شدهاند که دیگر مانند گذشته شگفتی ایجاد نمیکنند، اما این بار ماجرا تنها به ادعاها محدود نیست و پشت آن یک دستاورد مهندسی بزرگ قرار دارد.
چین موفق شده آزمایش بزرگترین آهنربای ابررسانای ویژه همجوشی هستهای را با موفقیت به پایان برساند؛ قطعهای عظیم که میتواند در آینده مسیر تولید انرژی پاک را دگرگون کند. این سامانه توسط مؤسسه فیزیک پلاسما وابسته به آکادمی علوم چین ساخته شده و در تاریخ ۲۷ ژوئن در شهر هفی مورد آزمایش قرار گرفت. هرچند این موفقیت به معنای تولید فوری برق ارزان نیست، اما یکی از مهمترین پیشرفتها در رقابت جهانی چند دههای برای دستیابی به انرژی همجوشی به شمار میرود.
غول ۵۸۲ تنی میدان مغناطیسی
#ابعاد این آهنربا به اندازهای بزرگ است که بیشتر به یک سازه علمیتخیلی شباهت دارد. این آهنربای ابررسانا با طراحی D شکل، حدود ۲۱ متر طول و ۱۲ متر عرض دارد و وزن آن به ۵۸۲ تن میرسد. قدرت آن نیز چشمگیر است؛ میدان مغناطیسی تولیدشده توسط این سامانه حدود ۶.۵ تسلا است که چندین برابر میدان مغناطیسی دستگاههای رایج MRI محسوب میشود. این تجهیز قادر است جریان پایداری برابر با ۶۰ هزار آمپر را عبور دهد و حدود ۶.۰۳ مگاژول انرژی ذخیره کند؛ ظرفیتی که تقریباً سه برابر نمونههای مشابه مورد استفاده در راکتور ITER فرانسه است.
یکی از نکات قابل توجه این پروژه آن است که تمامی قطعات مورد نیاز آن در داخل چین طراحی و ساخته شدهاند. روند توسعه این سامانه حدود شش سال زمان برده و حاصل آن ثبت ۴۷ اختراع و دریافت ۴۷ حق ثبت اختراع بوده است.
خورشید مصنوعی در واقع چیست؟
#با وجود نام پرهیاهوی خورشید مصنوعی، در حقیقت هیچ ستاره کوچکی داخل آزمایشگاه وجود ندارد. این عنوان به راکتور همجوشی داده شده که تلاش میکند همان فرایندی را بازسازی کند که در مرکز خورشید واقعی جریان دارد. در این فرآیند، هستههای سبک مانند هیدروژن با یکدیگر ترکیب میشوند و عناصر سنگینتر را تشکیل میدهند؛ واکنشی که مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد میکند. این سازوکار کاملاً برعکس شکافت هستهای است که در آن اتمها به بخشهای کوچکتر تقسیم میشوند. همجوشی هستهای هنگام تولید انرژی دیاکسید کربن منتشر نمیکند، خطر ذوب شدن راکتورهای متداول را ندارد و از نظر زیستمحیطی بسیار پاکتر به حساب میآید. البته کنترل چنین واکنشی یکی از دشوارترین چالشهای علمی و مهندسی جهان است.
در خورشید، نیروی گرانش فوقالعاده زیاد باعث میشود ذرات در دمای حدود ۱۵ میلیون درجه سانتیگراد به یکدیگر فشرده شوند و واکنش همجوشی ادامه پیدا کند. اما روی زمین چنین نیروی گرانشی در اختیار دانشمندان نیست. به همین دلیل آنها باید پلاسما را تا حدود ۱۰۰ میلیون درجه سانتیگراد گرم کنند؛ دمایی که حتی از هسته خورشید نیز بسیار بیشتر است. در چنین شرایطی هیچ مادهای توان نگهداری مستقیم پلاسما را ندارد و تنها میدانهای مغناطیسی میتوانند آن را در جای خود معلق نگه دارند.
به همین علت از راکتورهایی به نام توکامک استفاده میشود؛ سازههایی با شکل حلقهای که با کمک آهنرباهای بسیار قدرتمند، قفسی نامرئی از میدان مغناطیسی ایجاد میکنند. آهنربای جدید چین یکی از ۱۶ سیمپیچ مشابهی است که در کنار هم این میدان مغناطیسی عظیم را تشکیل میدهند تا پلاسما بدون برخورد با دیوارههای راکتور در مرکز محفظه باقی بماند. بدون چنین سامانهای، انجام واکنش همجوشی عملاً امکانپذیر نخواهد بود.
داغتر از خورشید، سردتر از فضای میانستارهای
#یکی از شگفتانگیزترین ویژگیهای این پروژه اختلاف دمای فوقالعاده زیاد میان اجزای مختلف آن است. در حالی که دمای پلاسما به حدود ۱۰۰ میلیون درجه سانتیگراد میرسد، خود آهنربای ابررسانا باید در دمای منفی ۲۶۹ درجه سانتیگراد یا تنها ۴ کلوین نگهداری شود. دلیل این موضوع آن است که مواد ابررسانا فقط در دماهای بسیار پایین میتوانند بدون هیچ مقاومتی جریان برق را منتقل کنند. حفظ اختلاف دمایی نزدیک به ۱۰۰ میلیون درجه میان پلاسما و آهنربا، یکی از پیچیدهترین بخشهای فناوری همجوشی به شمار میرود.
قرار است این آهنربا در نهایت در راکتور BEST که مخفف Burning Plasma Experimental Superconducting Tokamak است، نصب شود. پیشبینی میشود ساخت این راکتور تا حدود سال ۲۰۲۷ تکمیل شود. پژوهشگران اعلام کردهاند که مرحله فعلی تقریباً ۸۰ درصد مسیر پروژه را شامل میشود و بخش مهمی از مونتاژ نهایی راکتور هنوز باقی مانده است.
چین پیش از این نیز با راکتور EAST رکوردهای قابل توجهی ثبت کرده. این راکتور توانسته پلاسما را با دمای ۱۰۰ میلیون درجه سانتیگراد برای بیش از هزار ثانیه به طور پایدار حفظ کند؛ دستاوردی که نشان میدهد پیشرفتهای این کشور در زمینه همجوشی هستهای تنها در حد تئوری نیست و نتایج عملی نیز به همراه داشته است.
با وجود این پیشرفتها، تولید گسترده برق از همجوشی هنوز فاصله زیادی با واقعیت دارد. برنامه چین این است که حدود سال ۲۰۳۰ نخستین تولید آزمایشی برق از این فناوری را آغاز کند، اما این مرحله تنها در مقیاس پایلوت انجام خواهد شد. کارشناسان معتقدند استفاده تجاری از نیروگاههای همجوشی و تأمین برق شهرها و صنایع بزرگ احتمالاً تا دهه ۲۰۴۰ یا حتی ۲۰۵۰ زمان خواهد برد. بنابراین اگرچه این موفقیت گام بزرگی در مسیر دستیابی به انرژی تقریباً نامحدود و بدون کربن محسوب میشود، اما بهرهبرداری گسترده از آن همچنان به سالها تحقیق و توسعه بیشتر نیاز دارد.
