مطالب عمومی

پروژه عظیم و جنجالی ساخت خورشید روی زمین!

پریسا عباسی – دانشمندان با استفاده از سد حرارتی کم مصرف توکامک موفق به غلبه بر بزرگترین چالش راکتورهای همجوشی هسته ای شده اند. (توکامک) یک نوع دستگاه همجوشی محصور کننده مغناطیسیو یکی از نامزدهای تولید کنترل توان همجوشی حرارتی است بیشترین تحقیق در مورد آن در توکاماکس، میدان مغناطیسی برای محدود کردن پلاسما استفاده می شود زیرا هیچ ماده جامدی وجود ندارد که بتواند دما را گرم کند پلاسما را بسیار بالا تحمل می کند.)

محققان توانستند محیطی ایجاد کنند که مانع حرارتی نازک اطراف آن را بهینه کند تا از پلاسمای همجوشی در برابر ناخالصی‌های دیواره‌های راکتور محافظت کند که باعث کاهش راندمان تولید انرژی می‌شود.

یافته‌ها نشان می‌دهند که چگونه واکنش‌های همجوشی می‌توانند تحت شرایط مناسب کارآمدتر شوند و چگونه می‌توانند به توسعه راکتورهای همجوشی هسته‌ای آینده، مانند ITER که بزرگترین رآکتور در نوع خود محسوب می شود و در حال حاضر در فرانسه در حال ساخت است. در مقیاس بزرگ مهم خواهد بود.

iter-fusion-reactor1.jpg

همجوشی هسته ای چیست؟

همجوشی هسته‌ای در واقع فناوری‌ای است که مانند خورشید انرژی تولید می‌کند: یعنی زمانی که دو اتم با نیروی یکسان به هم فشار داده می‌شوند و به یک اتم واحد و بزرگ‌تر تبدیل می‌شوند. در این فرآیند انرژی زیادی آزاد می شود.

بر خلاف شکافت هسته ای (یک واکنش هسته ای که در حال حاضر در بخش انرژی استفاده می شود)، همجوشی هسته ای زباله های رادیواکتیو تولید نمی کند. و به گفته وزارت انرژی ایالات متحده، سه تا چهار برابر بیشتر از شکافت هسته ای انرژی تولید می کند و برخلاف انرژی حاصل از سوزاندن سوخت های فسیلی، دی اکسید کربن را در جو آزاد نمی کند. علاوه بر این، همجوشی فرآیند بسیار شکننده ای است که اگر در شرایط مناسب انجام نشود، می تواند در عرض چند ثانیه منجر به مرگ شود. بنابراین خطر آسیب هسته ای ناشی از این واکنش وجود ندارد.

با این حال، یک مشکل وجود دارد: برای ایجاد شرایط همجوشی انرژی زیادی لازم است و تاکنون نتوانسته‌ایم انرژی خروجی بیشتری نسبت به انرژی ورودی دریافت کنیم. بنابراین، تمرکز ما این است که واکنش را ساده و کارآمد کنیم تا اتلاف انرژی را کاهش دهیم و تولید انرژی را به حداکثر برسانیم.

این پیشرفت توسط اعضای آژانس انرژی اتمی بریتانیا (UKAEA) و کنسرسیوم EUROfusion که در تاسیسات مشترک اروپایی (JET) در آکسفوردشایر و پردیس کولهام UKAEA کار می‌کنند، انجام شد.

این گیاه از دستگاهی به نام رینگ توکامک استفاده می کند. دستگاهی به شکل دونات که از آهنرباهای قوی برای محتوی جریانی حلقه مانند از پلاسمای فوق داغ استفاده می کند.

پلاسما چهارمین حالت ماده پس از جامدات، مایعات و گازها است. این کشور مانند آتش است، اما گرمتر از آن. پلاسما در دماهای بسیار بالا تشکیل می شود و اساساً مخلوطی از الکترون های با بار منفی و یون های مثبت عناصری است که در دماهای بسیار بالا جدا شده اند.

tokamak-reactor2.jpg

همجوشی مورد استفاده در کارخانه JET شامل ترکیب سخت اتم های هیدروژن با یکدیگر است تا زمانی که ذوب شوند.

اتم هیدروژن استاندارد شما حاوی ذرات با بار مثبت به نام پروتون و ذرات با بار منفی به نام الکترون است. وقتی اتم‌های هیدروژن در دمای بالا به پلاسما تبدیل می‌شوند، الکترون‌های آن‌ها حذف می‌شوند و به ذرات با بار مثبت به نام یون تبدیل می‌شوند که یکدیگر را دفع می‌کنند.

تحمل دمای بسیار بالا

در خورشید، نیروی گرانشی قوی فشار بسیار بالایی ایجاد می کند که بر نیروی دافعه غلبه می کند. اما ایجاد فشار بالا بر روی زمین تقریبا غیرممکن است. بنابراین، ما باید پلاسما را به دمای بالاتری نسبت به آنچه در JET انجام می‌شود، گرم کنیم (شاید 10 برابر گرمتر از مرکز خورشید) – تا ذرات بتوانند با هم ترکیب شوند.

برای تحمل چنین دماهای بالایی، فلزی که برای پوشش دیواره های داخلی دستگاه استفاده می شود باید نقطه ذوب بسیار بالایی داشته باشد. بخشی از راکتور که در تماس مستقیم با پلاسما است «دفلکتور» نامیده می شود که در واقع مانند یک سیستم اگزوز برای محفظه ای است که واکنش در آن انجام می شود. این قسمت از دستگاه باید قسمتی باشد که در برابر دمای بالای پلاسمای فیوژن بیشترین مقاومت را دارد.

بیشتر بخوانید:

فیلد، فیزیکدان ارشد UKAEA گفت: تنگستن یک ماده مناسب برای منحرف کننده ها است، زیرا بالاترین نقطه ذوب را در بین فلزات دیگر دارد و در دمای 3400 درجه سانتیگراد ذوب می شود.

divertor-tokamak3.jpg

تنگستن مشکلات خاص خود را دارد و UKAEA یکی از نقاط ضعف عنصر را اینگونه توصیف می کند: هنگامی که پلاسمای داغ به درون منحرف کننده جریان می یابد، دیواره ای که از تنگستن ساخته شده است ایجاد می شود و تنگستن می تواند برخی از الکترون های خود را از دست بدهد. . ناپدید می شوند و وارد پلاسما می شوند.

از آنجایی که اتم های تنگستن بسیار سنگین هستند (هر اتم دارای 74 پروتون و 74 الکترون است)، حذف همه این الکترون ها بسیار دشوار است. این یک مشکل بزرگ است، زیرا الکترون‌هایی که به تنگستن متصل می‌مانند، می‌توانند از الکترون‌های پلاسما انرژی بگیرند و حفظ فرآیند کلی را دشوارتر می‌کنند. و اگر حفظ این فرآیند پایدار دشوار شود، امکان مصرف انرژی بیشتر از آنچه در واکنش وارد شده است به خطر می افتد.

فیلد گفت: “اگر بیش از مقدار مشخص و محدود تنگستن در مقدار مشخصی پلاسما وجود داشته باشد، حفظ یک فرآیند پایدار واکنش غیرممکن می شود.”

در مرحله اول برای جلوگیری از ورود ناخالصی های تنگستن به پلاسما، باید یک مانع در خارج از پلاسما قرار داد تا از ورود تنگستن جلوگیری شود.

برای دهه‌ها، تصور می‌شد که افت شدید دمای بین هسته پلاسما و دیواره‌های منحنی می‌تواند به عنوان یک “سد حرارتی” برای محافظت از پلاسما در برابر این نوع آلودگی عمل کند. اکنون، فیلد و تیمش نشان داده اند که نظریه قرار دادن یک مانع حرارتی در لبه پلاسما عملی است.

فیلد گفت: “این کشف بسیار هیجان انگیز است زیرا پدیده غربالگری ناخالصی قبلاً پیش بینی شده بود، اما هرگز در یک توکامک واقعی در لبه پلاسما دیده نشده است.”

او گفت: «این مشاهدات نگرانی‌های آینده در مورد یکی از عدم قطعیت‌های بزرگ پیرامون پوشش پلاسمایی مرتبط با عملکرد راکتورهای همجوشی توکاماک را کاهش خواهد داد.

گرما-مانع-توکامک-illustration4.jpg

به گفته فیلد، “سد حرارتی یک لایه نازک از عایق جریان برشی قوی به طول 2 تا 3 سانتی متر است که در لبه داخلی پلاسما قرار دارد. این مکانیسم شبیه به روش جریان جت در لایه بالایی است. جو زمین از حرکت جریان های هوای سرد از مناطق قطبی به مناطق معتدل و بالعکس جلوگیری می کند.

برای اینکه این مانع حرارتی به طور موثر ناخالصی ها را حذف کند، باید اختلاف دمای کافی بین پلاسمای محصور شده و لبه پلاسما وجود داشته باشد. این اختلاف دما برابر با 22 میلیون درجه سانتیگراد، ضخامت یک پنجره سه جداره است! گفت فیلد.

فیلد گفت که تایید این فرضیه گام مهمی به سوی ” جام مقدس” تولید نیرو از همجوشی است.

این روش بخشی از مجموعه آزمایش‌هایی است که به JET اجازه می‌دهد تا رکورد جهانی تولید انرژی همجوشی پایدار را در فوریه 2022 بشکند و 59 مگاژول همجوشی پایدار را در 5 ثانیه تولید کند.

در حالی که تنگستن در همه راکتورهای همجوشی هسته ای استفاده نمی شود، اثبات کلی این نظریه گام بزرگی برای صنعت همجوشی هسته ای است. “هر چالشی که ما بر آن غلبه می کنیم گامی به سوی هدف جمعی ما است و تولید انرژی همجوشی پاک برای جهان غیرقابل اندازه گیری است.” ما این برد را به تیم UKAEA و EUROfusion تبریک می گوییم و هر نکته یادگیری را برای دستگاه های انرژی توکامک آینده اعمال خواهیم کرد.

این آزمایشات در مقیاس کوچک در JET برای بهینه سازی عملکرد ITER (بزرگترین ماشین توکامک جهان) که در حال حاضر در فرانسه در دست ساخت است، انجام شد. طبق وب سایت ITER، انتظار می رود ITER اولین پلاسما خود را تا پایان سال 2025 تولید کند و عملیات کامل آن در سال 2035 آغاز شود.

منبع: نیوزویک

5858

دکمه بازگشت به بالا