نشریه اکونومیست: چگونه راکتورهای همجوشی رومیزی بسازیم | ۱۹ شهریور ۱۴۰۴

یک تصور غلط رایج وجود دارد که کنترل همجوشی هسته‌ای دشوار است. در واقع، تا زمانی که به دنبال استفاده از این فرآیند برای تولید برق نباشید، کنترل همجوشی آسان است. حتی می‌توان یک راکتور همجوشی را روی یک میز کار ساخت. جزئیات این کار در سال ۱۹۶۴ توسط فیلو فارنزورث، که بیشتر به عنوان مخترع تلویزیون الکترونیکی شناخته می‌شود، مشخص شد. طراحی اولیه آنقدر ساده است که «فیوزرهای فارنزورث»، همانطور که شناخته می‌شوند، می‌توانند توسط علاقه‌مندان ساخته شوند. با این حال، حتی مخترع آنها نیز نتوانست آنها را به تولید برق وادار کند.

برایان ریوردان و رابین لنگتری امیدوارند بهتر عمل کنند. در سال ۲۰۲۱، آنها شرکت موشکی «بلو اوریجین» جف بزوس را ترک کردند تا شرکت «انرژی آوالانچ» را در حومه‌ای از سیاتل راه‌اندازی کنند. برنامه آنها ایجاد یک راکتور تولید کننده برق تا سال ۲۰۲۹ است که در یک بشکه جا شود.

طراحی فارنزورث و چالش‌های آن

طراحی فارنزورث شامل دو شبکه فلزی کروی متحدالمرکز است که در داخل یک محفظه خلاء قرار گرفته‌اند و به عنوان الکترود عمل می‌کنند. شبکه داخلی (کاتد) نسبت به شبکه خارجی (آند) دارای بار منفی است. با تزریق دوتریوم (ایزوتوپ سنگین هیدروژن) به این دستگاه، اتم‌های آن یونیزه می‌شوند. هسته‌های یونیزه شده و مثبت به سمت کاتد کشیده می‌شوند، در حالی که الکترون‌های منفی به سمت آند جذب می‌شوند.

اگر ولتاژ بین الکترودها کافی باشد، یک هسته یونیزه شده هنگام رسیدن به مرکز با سرعت کافی حرکت می‌کند تا در صورت برخورد با هسته دیگر، با آن همجوشی کند. نتیجه یا یک هسته هلیوم-۳ به همراه یک نوترون اضافی است، یا یک هسته تریتیوم و یک پروتون. هر دو واکنش انرژی را به شکل گرما آزاد می‌کنند.

اگر برخوردی رخ ندهد، هسته به حرکت خود ادامه داده، سرعتش کم و زیاد می‌شود و در داخل محفظه خلاء در انتظار برخورد بعدی به صورت یویو حرکت می‌کند. افزایش شانس همجوشی به معنای افزایش چگالی هسته‌ها و مدت زمانی است که آنها با سرعت کافی حرکت می‌کنند – عواملی که توسط دافعه الکتریکی بین هسته‌ها و برخورد آنها با کاتد محدود می‌شوند. آقایان ریوردان و لنگتری فکر می‌کنند راهی برای غلبه بر هر دوی این مشکلات پیدا کرده‌اند.

اوربیترون: یک رویکرد جدید

دستگاه آنها، که آن را «اوربیترون» می‌نامند، همان ایده اصلی فارنزورث را اتخاذ می‌کند، اما هندسه آن را تغییر داده و یک میدان مغناطیسی به آن اضافه می‌کند. محفظه خلاء و آند یک اوربیترون استوانه‌ای هستند، در حالی که کاتد آن یک میله است که در امتداد محور دستگاه قرار دارد. این ترتیب باعث می‌شود که هسته‌های یونیزه شده به دور کاتد بچرخند و به ندرت با آن برخورد کنند. میدان مغناطیسی نیز الکترون‌های آزاد را مجبور به چرخش مشابهی می‌کند. با این ترتیب، بارهای منفی الکترون‌های در حال چرخش، بارهای مثبت هسته‌ها را متعادل کرده و به آنها اجازه می‌دهد بسیار به یکدیگر نزدیک‌تر شوند. این امر به اوربیترون اجازه می‌دهد تا چگالی بسیار بالاتری از هسته‌ها را برای مدت طولانی‌تری حفظ کند و در نتیجه میزان همجوشی را افزایش دهد.

آزمایش‌های این دستگاه با دوتریوم موفقیت‌آمیز بوده و تولید نوترون را به اثبات رسانده است. با این حال، تولید برق به چیزهای بیشتری نیاز دارد. راکتورهای تجاری باید از مخلوط دوتریوم-تریتیوم استفاده کنند که صد برابر برخورد موفقیت‌آمیز بیشتری ایجاد می‌کند. متأسفانه، تریتیوم رادیواکتیو و نادر است و باید در یک راکتور هسته‌ای تولید شود. در مقابل، دوتریوم را می‌توان به راحتی از آب سنگین استخراج کرد.

کاربردهای بالقوه و آینده

همچنین مسئله کوچک تبدیل گرمای اوربیترون به برق نیز وجود دارد که در ابتدا با تولید بخار برای به حرکت درآوردن یک ژنراتور کوچک انجام خواهد شد.

در آخر، این سوال مطرح است که چه کسی به خرید چنین نیروگاه مینیاتوری علاقه‌مند خواهد بود. در اینجا، آقای ریوردان خوش‌بین است. اگرچه هر واحد تنها حدود ۱۵ کیلووات خروجی خواهد داشت، اما مجموعه‌ای از آنها که ۱ مگاوات یا بیشتر تولید کنند، در یک کانتینر حمل و نقل جا می‌شوند. او پیشنهاد می‌کند که این ممکن است برای تأمین انرژی کشتی‌ها و زیردریایی‌های رباتیک، پایگاه‌های قطبی منزوی و برخی کاربردهای نظامی مفید باشد.

یک کاربرد غیرمعمول‌تر می‌تواند تأمین انرژی فضاپیماها باشد. فضاپیماهای فعلی که به سیارات دیگر می‌روند از باتری‌های هسته‌ای کم‌توان استفاده می‌کنند. یک راکتور همجوشی اوربیترون بسیار قدرتمندتر خواهد بود. همجوشی ممکن است در زمین موفق باشد یا نباشد، اما می‌تواند دقیقاً همان چیزی باشد که در مریخ مورد نیاز است.