یک فیزیکدان هسته ای توضیح می دهد که چرا از احتراق همجوشی به عنوان یک پیشرفت بزرگ استقبال می شود

دانشمندان آمریکایی آنچه را که آنها را یک پیشرفت بزرگ در هدف دیرینه تولید انرژی از همجوشی هسته ای می نامند، اعلام کرده اند.

وزارت انرژی ایالات متحده در 13 دسامبر 2022 گفت که برای اولین بار - و پس از چندین دهه تلاش - دانشمندان توانسته‌اند انرژی بیشتری از این فرآیند دریافت کنند که باید صرف کنند.

اما این توسعه چقدر قابل توجه است؟ و رویای طولانی مدت همجوشی که انرژی پاک و فراوانی را فراهم می کند چقدر دور است؟ کارولین کورانزاستادیار مهندسی هسته ای در دانشگاه میشیگان که در تأسیساتی که به تازگی رکورد همجوشی را شکسته کار کرده است، به توضیح این نتیجه جدید کمک می کند.

در اتاق فیوژن چه گذشت؟

ادغام یک واکنش هسته ای است که دو اتم را برای ایجاد یک یا چند اتم جدید با جرم کل کمی کمتر ترکیب می کند. تفاوت جرم به عنوان انرژی آزاد می شود، همانطور که توسط معادله معروف انیشتین، E = mc توضیح داده شده است² ، که در آن انرژی برابر جرم ضربدر سرعت نور است. از آنجایی که سرعت نور بسیار زیاد است، تبدیل مقدار کمی از جرم به انرژی - مانند آنچه در همجوشی اتفاق می افتد - مقدار بسیار زیادی انرژی تولید می کند.

محققان در دولت آمریکا تاسیسات احتراق ملی در کالیفرنیا، برای اولین بار، آنچه به عنوان "اشتعال همجوشی" شناخته می شود، نشان داده اند. اشتعال زمانی اتفاق می افتد که یک واکنش همجوشی انرژی بیشتری نسبت به انرژی که از یک منبع خارجی برای واکنش وارد می شود تولید می کند و خودپایدار می شود.

تکنیک مورد استفاده در تاسیسات احتراق ملی شامل شلیک 192 لیزر به یک 0.04 اینچ (1 میلی متر) گلوله سوخت ساخته شده از دوتریوم و تریتیوم - دو نسخه از عنصر هیدروژن با نوترون های اضافی - در یک قوطی طلا قرار داده شده است. هنگامی که لیزرها به قوطی برخورد می کنند، اشعه ایکس تولید می کنند که گلوله سوخت را تا حدود 20 برابر چگالی سرب و تا بیش از 5 میلیون درجه فارنهایت (3 میلیون سانتیگراد) گرم و فشرده می کند - تقریباً 100 برابر داغتر از سطح آفتاب. اگر بتوانید این شرایط را برای مدت زمان کافی حفظ کنید، سوخت ذوب شده و انرژی آزاد می کند.

سوخت و قوطی ظرف چند میلیاردم ثانیه در طول آزمایش تبخیر می شوند. سپس محققان امیدوارند تجهیزات آنها از گرما جان سالم به در ببرد و انرژی آزاد شده توسط واکنش همجوشی را به دقت اندازه گیری کند.

پس چه کاری انجام دادند؟

برای ارزیابی موفقیت یک آزمایش همجوشی، فیزیکدانان به نسبت بین انرژی آزاد شده از فرآیند همجوشی و مقدار انرژی درون لیزرها نگاه می کنند. این نسبت است افزایش نامیده می شود.

هر چیزی بالاتر از بهره یک به این معنی است که فرآیند همجوشی انرژی بیشتری نسبت به لیزرهای تحویل داده شده آزاد می کند.

در 5 دسامبر 2022، مرکز احتراق ملی یک گلوله سوخت را با دو میلیون ژول انرژی لیزر شلیک کرد - تقریباً مقدار نیرویی که برای روشن کردن یک سشوار به مدت 15 دقیقه لازم است - همه در چند میلیاردم ثانیه وجود داشت. این باعث یک واکنش همجوشی شد که سه میلیون ژول منتشر کرد. این افزایش حدود 1.5 است که رکورد قبلی افزایش را شکست 0.7 توسط این تسهیلات در آگوست 2021 به دست آمد.

این نتیجه چقدر مهم است؟

انرژی همجوشی " جام مقدس" تولید انرژی بوده است نزدیک به نیم قرن. در حالی که به عقیده من افزایش 1.5 یک پیشرفت علمی واقعا تاریخی است، هنوز راه زیادی تا تبدیل شدن همجوشی به یک منبع انرژی قابل دوام باقی مانده است.

در حالی که انرژی لیزر 2 میلیون ژول کمتر از بازده همجوشی 3 میلیون ژول بود، تقریباً تأسیسات را گرفت. 300 میلیون ژول برای تولید لیزر در این آزمایش استفاده شده است. این نتیجه نشان داده است که احتراق همجوشی امکان پذیر است، اما برای بهبود بازده کار زیادی لازم است تا جایی که همجوشی بتواند با در نظر گرفتن کل سیستم انتها به انتها، نه فقط یک بازده انرژی مثبت خالص را فراهم کند. تعامل واحد بین لیزر و سوخت.

چه چیزی نیاز به بهبود دارد؟

تعدادی از قطعات پازل همجوشی وجود دارد که دانشمندان برای چندین دهه به طور پیوسته در حال بهبود آنها بوده اند تا این نتیجه را ایجاد کنند، و کار بیشتر می تواند این فرآیند را کارآمدتر کند.

اول، لیزر فقط بود اختراع شده در 1960. زمانی که دولت آمریکا ساخت تاسیسات احتراق ملی در سال 2009 به پایان رسید، این قوی ترین مرکز لیزر در جهان بود که قادر به ارائه بود یک میلیون ژول انرژی به یک هدف. دو میلیون ژول که امروزه تولید می کند 50 برابر پرانرژی تر از آن است بعدی قدرتمندترین لیزر روی زمین. لیزرهای قوی‌تر و روش‌های کم‌مصرف انرژی برای تولید آن لیزرهای قدرتمند می‌تواند کارایی کلی سیستم را تا حد زیادی بهبود بخشد.

شرایط فیوژن هستند بسیار چالش برانگیز برای حفظ، و هرکدام نقص کوچک در کپسول یا سوخت می تواند انرژی مورد نیاز را افزایش داده و بازده را کاهش دهد. دانشمندان پیشرفت های زیادی در این زمینه داشته اند انتقال موثرتر انرژی از لیزر به قوطی و تابش اشعه ایکس از قوطی به کپسول سوخت، اما در حال حاضر فقط در مورد 10 به 30 درصد از کل انرژی لیزر به قوطی و به سوخت منتقل می شود.

در نهایت، در حالی که یک بخش از سوخت، دوتریوم، به طور طبیعی است تریتیوم که در آب دریا فراوان است بسیار نادرتر است. خود فیوژن در واقع تولید می کند تریتیومبنابراین محققان امیدوارند که راه هایی برای برداشت مستقیم این تریتیوم ایجاد کنند. در این میان، وجود دارند سایر روش های موجود برای تولید سوخت مورد نیاز.

قبل از اینکه همجوشی برای خانه شما برق تولید کند، باید بر این موانع و سایر موانع علمی، فنی و مهندسی غلبه کرد. همچنین باید کاری انجام شود تا هزینه یک نیروگاه همجوشی به خوبی کاهش یابد 3.5 میلیارد دلار از تأسیسات احتراق ملی. این مراحل نیازمند سرمایه گذاری قابل توجهی از سوی دولت فدرال و صنعت خصوصی است.

شایان ذکر است که یک مسابقه جهانی پیرامون همجوشی با بسیاری از آزمایشگاه های دیگر در سراسر جهان وجود دارد دنبال کردن تکنیک های مختلف. اما با نتیجه جدید تاسیسات احتراق ملی، جهان برای اولین بار شاهد شواهدی است که نشان می دهد رویای فیوژن قابل دستیابی است.

این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.

تصویر های اعتباری: وزارت انرژی ایالات متحده / آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور