آیا لیزرهای قدرتمند می توانند انرژی یک راکتور در حال کار را تامین کنند؟

در اعماق صحرای نوادا در دهه 1980، ایالات متحده تحقیقات مخفیانه تسلیحات هسته ای را انجام داد.

در میان آزمایش‌ها تلاشی برای یافتن این بود که آیا همجوشی هسته‌ای، واکنشی که خورشید را نیرو می‌دهد، می‌تواند در شرایط کنترل‌شده روی زمین القا شود یا خیر.

آزمایش‌ها طبقه‌بندی شدند، اما در بین فیزیکدانان به طور گسترده شناخته شده بود نتایج امیدوار کننده بود.

این دانش توجه دو دانشجوی جوان فارغ التحصیل را که در اواخر دهه 2000 در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس کار می کردند، به خود جلب کرد، کانر گالووی و الکساندر ولیس.

آزمایشگاه لوس آلاموس در ابتدا در سال 1943 به عنوان یک مکان فوق سری برای توسعه اولین سلاح های هسته ای تأسیس شد. این مرکز که در نزدیکی سانتافه، نیومکزیکو واقع شده است، اکنون یک مرکز تحقیقاتی دولت ایالات متحده است.

“وقتی من و الکس در مورد این آزمایشات در لوس آلاموس باخبر شدیم، واکنش ما مانند همجوشی اینرسی بود که قبلاً کار کرده بود!”. گلوله های آزمایشگاهی مشتعل شدند، جزئیات طبقه بندی شدند، اما به اندازه کافی برای ما منتشر شد تا در مورد این اشتعال بدانیم. آقای گالووی می‌گوید، محقق شد.

همجوشی هسته ای فرآیند همجوشی هسته های هیدروژن به یکدیگر است که مقادیر زیادی انرژی تولید می کند. این واکنش به جای ضایعات رادیواکتیو با عمر طولانی حاصل از فرآیند شکافت مورد استفاده در نیروگاه های هسته ای موجود، هلیوم ایجاد می کند.

اگر بتوان همجوشی را مهار کرد، نوید تولید مقادیر زیادی برق بدون تولید CO2 را می دهد.

این آزمایشات در دهه 1980 باعث شد تا دولت ایالات متحده تأسیسات احتراق ملی (NIF) را در کالیفرنیا بسازد، پروژه ای برای بررسی اینکه آیا می توان گلوله های سوخت هسته ای را با لیزر قدرتمند مشتعل کرد یا خیر.

پس از بیش از یک دهه کار در پایان سال 2022، محققان NIF پیشرفتی ایجاد کرد. دانشمندان اولین آزمایش را با همجوشی هسته ای کنترل شده انجام داده اند تا انرژی بیشتری نسبت به لیزرهایی که باعث آن شده اند، از واکنش استخراج کنند.

در حالی که فیزیکدانان سراسر جهان از این پیشرفت شگفت زده شده بودند، اما برای دانشمندان NIF بسیار بیشتر از حد انتظار طول کشید.

آقای گالووی می گوید: «آنها فاقد انرژی بودند.

منظور او این نیست که آنها به تنقلات بیشتری نیاز داشتند، در عوض لیزر NIF به اندازه کافی قدرتمند بود که گلوله سوخت را مشتعل کند.

آقای گالووی و آقای والیس بر این باورند که لیزرهای قدرتمندتر به آنها اجازه می دهد تا یک راکتور همجوشی فعال بسازند که می تواند برق را به شبکه تغذیه کند. برای انجام این کار، آنها Xcimer را که در دنور مستقر است، تأسیس کردند.

NIF مجبور شد به لیزری بسنده کند که بتواند دو مگاژول انرژی را پمپ کند. آقای گالووی و آقای والیس قصد دارند لیزرهایی را آزمایش کنند که می تواند تا 20 مگاژول انرژی ارائه دهد.

ما فکر می کنیم 10 از 12 [megajoules] آقای گالووی می‌گوید که این نقطه شیرین برای یک نیروگاه تجاری است.

چنین پرتو لیزری با ضربه ای قدرتمند به کپسول سوخت برخورد می کند. این مانند انرژی یک کامیون 40 تنی است که با سرعت 60 مایل در ساعت حرکت می کند و آن را در یک کپسول به اندازه سانتی متر برای چند میلیاردم ثانیه متمرکز می کنیم.

لیزرهای قوی‌تر به Xcimer اجازه می‌دهند از غلاف‌های سوخت بزرگ‌تر و ساده‌تر از NIF استفاده کند، که برای تکمیل آنها تلاش کرده است.

Xcimer به ده‌ها سازمان دیگر در سراسر جهان می‌پیوندد که در تلاش برای ساخت یک راکتور همجوشی فعال هستند.

دو رویکرد اصلی وجود دارد. شکستن گلوله سوخت با لیزر در دسته همجوشی مهار اینرسی قرار می گیرد.

روش دیگری که به نام همجوشی محصور شده مغناطیسی شناخته می شود، از آهنرباهای قدرتمند برای به دام انداختن ابری از اتم های سوزان به نام پلاسما استفاده می کند.

هر دو رویکرد چالش های مهندسی دشواری برای غلبه بر آن دارند.

به طور خاص، چگونه گرمای تولید شده در حین همجوشی را جذب می کنید تا بتوانید با آن کار مفیدی انجام دهید، مثلاً یک توربین را برای تولید برق بچرخانید؟

پروفسور یان لو از دانشگاه گریفیث استرالیا می‌گوید: «من حدس می‌زنم شک من این است که هنوز نمودار مفهومی قانع‌کننده‌ای ندیده‌ام که چگونه فرآیند استخراج انرژی را کنترل می‌کنید و در عین حال واکنش همجوشی را حفظ می‌کنید.»

او دوران طولانی خود را در تحقیقات و سیاست انرژی گذرانده است. اگرچه پروفسور لو از توسعه فناوری همجوشی حمایت می کند، اما او به سادگی استدلال می کند که یک راکتور همجوشی فعال به اندازه کافی سریع کار نمی کند تا به کاهش انتشار CO2 و مبارزه با تغییرات آب و هوایی کمک کند.

چیزی که من را نگران می کند این است که حتی خوش بینانه ترین دیدگاه این است که ما خوش شانس خواهیم بود که تا سال 2050 راکتورهای همجوشی تجاری داشته باشیم. و خیلی قبل از آن، اگر نمی‌خواهیم سیاره را ذوب کنیم، باید منبع انرژی خود را کربن‌زدایی کنیم.» می گوید.

مشکل دیگر این است که واکنش همجوشی ذرات پرانرژی تولید می کند که فولاد یا هر ماده دیگری را که هسته راکتور را پوشانده است، خورده می کند.

نمایندگان صنعت گرما هسته ای مشکلات مهندسی را انکار نمی کنند، اما معتقدند که می توان بر آنها فائق آمد.

Xcimer قصد دارد از یک “آبشار” نمک مذاب استفاده کند که در اطراف واکنش همجوشی جریان دارد تا گرما را جذب کند.

بنیانگذاران مطمئن هستند که می توانند لیزرها را شلیک کنند و در حالی که این جریان را حفظ می کنند، غلاف سوخت را (هر دو ثانیه یک بار) جایگزین کنند.

جریان نمک مذاب همچنین به اندازه کافی ضخیم خواهد بود که ذرات پرانرژی را جذب کند که به طور بالقوه می تواند به راکتور آسیب برساند.

ما فقط دو پرتو لیزر نسبتاً کوچک از هر طرف داریم [of the fuel pellet]. بنابراین شما فقط به یک شکاف در شار به اندازه کافی برای این پرتوها نیاز دارید، بنابراین لازم نیست کل شار را خاموش و روشن کنید.» آقای والیس می گوید.

اما با چه سرعتی می توانند چنین سیستمی را عملی کنند؟

Xcimer قصد دارد قبل از ساختن یک محفظه هدف که در آن آنها می توانند گلوله های سوخت را هدف قرار دهند، با لیزرها به مدت دو سال آزمایش کند.

مرحله نهایی یک راکتور فعال خواهد بود که امیدوارند در اواسط دهه 2030 به شبکه متصل شود.

Xcimer برای تامین مالی مرحله اول کار خود، ۱۰۰ میلیون دلار (۷۷ میلیون پوند) جمع آوری کرده است. این پول صرف ساخت یک تاسیسات در دنور و یک نمونه اولیه سیستم لیزر خواهد شد.

صدها میلیون دلار دیگر برای ساخت یک راکتور در حال کار مورد نیاز است.

اما برای بنیانگذاران Xcimer و دیگر استارت آپ های فیوژن، چشم انداز برق ارزان و بدون کربن غیرقابل مقاومت است.

آقای والیس می‌گوید: «می‌دانید، این مسیر پیشرفت بشر را تغییر خواهد داد.