رکوردشکنی تاریخی رآکتور آلمانی؛ یک گام دیگر تا انرژی پاک بی‌پایان برداشته شد(+عکس)
در مرکز خورشید، یک واکنش پرانرژی و سوزان به نام همجوشی هسته‌ای به‌طور مداوم در جریان است. در این واکنش، دو هستهٔ سبک اتمی با هم ترکیب می‌شوند و یک هستهٔ سنگین‌تر به وجود می‌آورند که این فرایند مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند. اگر همین نوع واکنش را روی زمین و برای مدت کافی شبیه‌سازی کنیم، ممکن است بتوانیم به منبعی از انرژی پاک، ارزان و پایدار برای مصرف خانگی دست یابیم.
به گزارش روزیاتو، اکنون دانشمندان در آلمان گام بزرگی در جهت تحقق این هدف برداشته‌اند. پژوهشگران با بهره‌گیری از رآکتور همجوشی Wendelstein 7-X در شهر گرایفسوالت آلمان، رکورد جهانی جدیدی را در یکی از مهم‌ترین شاخص‌های علم همجوشی ثبت کردند. این رکورد مربوط به طولانی‌ترین تجربهٔ موفق در همجوشی پایدار می‌شود که بیش از ۳۰ ثانیه به طول انجامید – واکنش همجوشی به مدت ۴۳ ثانیه ادامه داشت.
رآکتور Wendelstein 7-X بخشی از تلاش جهانی برای مهار انرژی همجوشی است؛ تلاشی که می‌تواند جایگزینی برای سوخت‌های فسیلی و رآکتورهایی شکافت هسته‌ای امروزی باشد. این دستگاه مارپیچ‌شکل، که قطر آن حدود ۱۵ متر و ارتفاعش نزدیک به ۵ متر است، از گاز هیدروژن بسیار رقیق و دارای بار الکتریکی به‌عنوان سوخت استفاده می‌کند.
دستگاه Wendelstein 7-X که با صرف هزینه‌ای حدود ۱.۶ میلیارد یورو ساخته شده، از دسامبر ۲۰۱۵ فعالیت خود را آغاز کرده و با هدف شبیه‌سازی شرایط فیزیکی درون ستارگان (یعنی ایجاد محیطی با دمای بسیار بالا، فشار زیاد و پلاسما، مشابه آنچه در مرکز خورشید و ستارگان برای تولید انرژی رخ می‌دهد) طراحی شده است. این دستگاه به‌طور رسمی یک استلراتور (stellarator) نامیده می‌شود – نوعی رآکتور همجوشی که گاز داغ و باردار (پلاسما) را درون میدان‌های مغناطیسی پیچ‌خورده محبوس می‌کند تا واکنش‌های همجوشی در آن رخ دهد.
برای اینکه همجوشی هسته‌ای اتفاق بیفتد، پلاسما باید سه شرط اصلی را داشته باشد: دمای کافی، چگالی مناسب و زمان نگه‌داری طولانی. این سه عامل با هم چیزی را تشکیل می‌دهند که در فیزیک همجوشی به آن ضرب سه‌گانه (Triple Product) می‌گویند که یک معیار کلیدی برای موفقیت در همجوشی است. هرچه مقدار این ضرب سه‌گانه بیشتر باشد، توان تولید انرژی همجوشی بیشتر و احتمال رسیدن به واکنش‌های خودپایدار و موفق، بیشتر خواهد بود.
به گفتهٔ پژوهشگران، رآکتور استلراتور Wendelstein 7-X موفق شده یک رکورد جهانی جدید در شاخص ضرب سه‌گانه ثبت کند. در تاریخ ۲۲ مه، که مربوط به آخرین روز از دوره تحقیقاتی اخیر آن می‌شود، پلاسما در این رآکتور به دمایی بیش از ۲۰ میلیون درجه سانتی‌گراد رسید و در اوج خود تا ۳۰ میلیون درجه سانتی‌گراد افزایش یافت. در این آزمایش رکوردشکن، رآکتور توانست به‌مدت ۴۳ ثانیه یک پلاسما با عملکرد بالا را به‌طور پایدار حفظ کند.
رکورد جدیدی که رآکتور Wendelstein 7-X ثبت کرده، از رکوردهای قبلی ثبت‌شده توسط رآکتور توکامک ژاپنی JT60U (که در سال ۲۰۰۸ از رده خارج شد) و رآکتور اروپایی JET در بریتانیا (که در سال ۲۰۲۳ از مدار خارج شد) پیشی گرفته است. توکامک و استلراتور هر دو دستگاه‌هایی برای همجوشی هسته‌ای هستند و شکل کلی آن‌ها شبیه یک دونات است، اما تفاوت اصلی‌شان مربوط به نحوه کنترل پلاسما می‌شود:
استلراتورها به‌جای جریان الکتریکی، از یک سامانه پیچیده‌ای از سیم‌پیچ‌های مغناطیسی استفاده می‌کنند تا پلاسما را در مسیر مناسب نگه دارند. توکامک به‌دلیل طراحی ساده‌تر، بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، در حالی‌که استلراتورها ساختار پیچیده‌تری دارند اما در عوض راه‌اندازی و عملکردشان پایدارتر و ساده‌تر است. نوویمیر پاب‌لانت، رئیس بخش آزمایش‌های استلراتور در آزمایشگاه فیزیک پلاسما دانشگاه پرینستون آمریکا، می‌گوید عبور از مرز ۳۰ ثانیه برای حفظ پلاسما، نقطه عطف مهمی در مسیر پیشرفت این فناوری به‌شمار می‌رود.
پاب‌لانت می‌گوید: «اگر یک استلراتور بتواند چنین شرایطی را به مدت ۳۰ ثانیه حفظ کند، هیچ دلیلی وجود ندارد که نتوان همین وضعیت را برای هفته‌ها، ماه‌ها یا حتی سال‌ها ادامه داد؛ چراکه این زمان برای مشاهدهٔ کامل رفتارهای فیزیکی مورد نظر در پلاسما کفایت می‌کند… این آزمایش آن‌قدر طولانی انجام شد که دیگر هیچ تغییری در شرایط پلاسما یا وضعیت کلی آزمایش رخ نمی‌داد».
در این آزمایش، یک ابزار کلیدی نقش مهمی ایفا کرد: دستگاه تزریق گلوله‌های یخ‌زدهٔ هیدروژن که در آزمایشگاه Oak Ridge ایالت تنسی آمریکا طراحی و ساخته شده است. این دستگاه، به‌طور پیوسته گلوله‌های کوچکی از هیدروژن منجمد را به پلاسما تزریق می‌کند و با سوخت‌رسانی مداوم، امکان حفظ طولانی‌مدت پلاسما را فراهم می‌سازد. در طول این آزمایش، حدود ۹۰ گلوله یخ‌زده هیدروژن، هرکدام به اندازه تقریباً یک میلی‌متر، طی ۴۳ ثانیه به درون پلاسما تزریق شد. در همین زمان، موج‌های مایکروویو پرقدرت نیز به‌صورت هم‌زمان وظیفهٔ گرم‌کردن پلاسما را برعهده داشتند.
مؤسسه فیزیک پلاسما ماکس پلانک (IPP) در بیانیه‌ای اعلام کرد که رآکتور W7-X نشان داده است استلراتورها می‌توانند به ویژگی‌های برجسته‌ای که در نظریهٔ همجوشی هسته‌ای پیش‌بینی شده بود، دست پیدا کنند. در حال حاضر در نقاط مختلف جهان نیروگاه‌های هسته‌ای فعال هستند، اما این نیروگاه‌ها از شکافت هسته‌ای استفاده می‌کنند؛ روشی که یک نقطه‌ضعف مهم دارد: تولید هسته‌های ناپایدار رادیواکتیو که برخی از آن‌ها تا میلیون‌ها سال باقی می‌مانند.
در مقابل، همجوشی هسته‌ای چنین پسماندهای رادیواکتیوی بلندمدتی تولید نمی‌کند؛ بلکه تنها محصول جانبی آن هلیوم است، گازی بی‌اثر و بی‌خطر. سوخت مورد استفاده در همجوشی، از دوتریوم و تریتیوم تشکیل شده—ایزوتوپ‌هایی از هیدروژن، که فراوان‌ترین عنصر در کل کیهان است. این ویژگی باعث شده دانشمندان به همجوشی، به‌عنوان راهی برای تولید انرژی بی‌پایان و پایدار امید داشته باشند.
توماس کلینگر، مدیر عملیات رآکتور Wendelstein 7-X، درباره این رکورد اخیر می‌گوید: «این دستاورد، موفقیتی بزرگ برای تیم بین‌المللی ماست… رسیدن به سطح عملکرد توکامک در شاخص ضرب سه‌گانه، آن هم در پالس‌های طولانی پلاسما، یک نقطه عطف مهم دیگر در مسیر ساخت استلراتوری است که بتوان از آن در نیروگاه‌های تولید برق استفاده کرد».
