چرا محدودیت لختی کلید انرژی همجوشی هسته‌ای است
در تاریخ ۵ دسامبر ۲۰۲۲، مؤسسه ملی احتراق (NIF) واقع در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) به دستاورد بزرگی دست یافت و با گذر از آستانه احتراق، ۳.۱۵ مگاژول (MJ) انرژی تولید کرد. با وارد کردن ۲.۰۵ MJ انرژی به سیستم، NIF اولین بهره‌برداری انرژی از یک سیستم همجوشی را نشان داد. اما گسترش این دستاورد برای تأمین انرژی جهان با همجوشی هسته‌ای به آسانی که گفته می‌شود نیست.
با توجه به اینکه کشورها به دنبال روش‌های غیر آلودگی برای تأمین انرژی اقتصادهای خود هستند، سیستم‌های تجدیدپذیر در سال‌های اخیر افزایشی قابل توجه داشته‌اند. در حالی که این سیستم‌ها می‌توانند بدون هیچ‌گونه انتشار کربنی قدرت تولید کنند، ماهیت متناوب آن‌ها نیاز به نصب راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ دارد که هزینه‌ها و پیچیدگی‌های امنیت انرژی را افزایش می‌دهد.
برای گذار ساده‌تر به انرژی پاک‌تر، ما به یک منبع پیوسته و قابل گسترش نیاز داریم و همجوشی هسته‌ای پتانسیل تأمین این نقش را دارد. در حالی که دستاورد NIF در سال ۲۰۲۲ لحظه عطفی در تاریخ انرژی همجوشی بود، خیلی دور از آن است که این فناوری به یک فناوری تجاری قابل اجرا تبدیل شود.
نقش اصلی NIF توسعه انرژی همجوشی نیست.
عدم گستره NIF
NIF بخشی از اداره ملی امنیت هسته‌ای (NNSA)، یک آژانس نیمه‌مستقل درون وزارت انرژی است. این آژانس که در سال ۲۰۰۰ تأسیس شد، مسئولیت امنیت ملی را بر عهده دارد، عمدتاً با حفظ یک انبار هسته‌ای ایمن و قابل اعتماد و پیشرانه هسته‌ای برای نیروی دریایی ایالات متحده.
بخشی از ابتکار تحقیقاتی آن شامل توسعه فناوری‌های تحول‌آفرین مانند همجوشی هسته‌ای است. با این حال، توسعه یک فناوری همجوشی هسته‌ای قابل‌اجرا به لحاظ تجاری فراتر از گستره NNSA است.
بنابراین، در حالی که NIF پس از سال ۲۰۲۲ دستاوردهایی در کسب بیشتر انرژی از همجوشی هسته‌ای به دست آورده است، تقریباً به دو برابر رساندن خروجی تا ۵.۲ MJ ، آزمایش‌های آزمایشگاه به بهبود انرژی لیزری و افزایش دستیابیو انرژی اختصاص دارند و نه تمرکز بر ایجاد خروجی انرژی پیوسته و قابل اعتماد.
انرژی همجوشی
برای تولید انرژی در مقیاس بزرگ از طریق همجوشی، دانشمندان به دنبال تکثیر شرایط واکنش خورشید هستند. همجوشی در دماهای بیش از ۱۰ میلیون درجه سلسیوس در حالت ماده‌ای به نام پلاسم) حاوی یون‌های داغ و باردار و الکترون‌های آزاد رخ می‌دهد.
در این دماها، هسته‌های اتمی جلوگیری الکتریکی خود را غلبه کرده و می‌توانند همجوشی کنند و مقادیر زیادی انرژی آزاد کنند. با این حال، برای این کار هسته‌ها باید در فضاهای بسیار کوچک محصور شوند تا نیروهای جاذبه بر نیروهای دافعه غلبه کنند. این کار می‌تواند از طریق محدودیت مغناطیسی یا محدودیت لیزری انجام شود.
در سال‌های اخیر، گفتگوهای زیادی درباره ارتقاء همجوشی هسته‌ای به دور از رآکتور توکوماک که از محدودیت مغناطیسی اتم‌ها در پلاسم) استفاده می‌کند، شکل گرفته است. ITER، بزرگ‌ترین رآکتور همجوشی هسته‌ای جهان که در فرانسه ساخته می‌شود، نیز از محدودیت مغناطیسی پلاسم) استفاده می‌کند. با این حال، این رویکرد هنوز هیچ بهره‌وری انرژی ایجاد نکرده است.
در عوض، محدودیت لیزری یا محدودیت لختی که توسط NIF استفاده می‌شود، به طور مکرر بهره‌وری انرژی نشان داده است و بنابراین پیشنهاد جذابی برای تجاری‌سازی انرژی همجوشی است.
«محدودیت لیزر دارای ریسک فیزیک بسیار کمتری نسبت به محدودیت مغناطیسی است، زیرا فیزیک بحرانی قبلاً به طور تجربی نشان داده شده است،» توضیح داد الکس والی، هم‌بنیان‌گذار و مدیر عامل انرژی Xcimer، در یک ایمیل به Interesting Engineering .
«به طور جداگانه، حتی اگر محدودیت مغناطیسی در نهایت نیز به طور قطعی نشان داده شود، سیستم‌های محدودیت مغناطیسی ممکن است اثبات کنند که برای عملیات تجاری بسیار پیچیده و گران‌قیمت هستند.»
«اجزای یک سیستم محدودیت لیزری به طور زیادی کمتر حلقه‌ی شده‌اند، به معنای آن‌که یک سیستم محدودیت لیزری احتمالاً ارزان‌تر برای توسعه، تولید و عملیات تجاری خواهد بود.»
انرژی متمرکز یکی از چنین استارتاپ‌هایی است که به بهبود کار NIF مشغول است.
بهبود محدودیت لختی
رویکرد تجربی NIF بر بهره‌وری متمرکز نیست زیرا برای مأموریت امنیت ملی‌اش نیازی ندارد. تنظیمات آن می‌تواند چند شات لیزری در روز شلیک کند. انرژی متمرکز، با این حال، هدف دارد که ۱۰ شلیک در ثانیه داشته باشد.
«برای قرار دادن آن در چشم‌انداز، NIF حدود ۴۰۰ شلیک در سال انجام می‌دهد و انرژی متمرکز قادر خواهد بود ۴۰۰ شلیک را در کمتر از یک دقیقه انجام دهد،» گفت اسکات مرسر، مدیر عامل در انرژی متمرکز، در یک ایمیل به مهندسی جالب.
رویکرد شرکت در یک جنبه مهم با NIF متفاوت است. NIF از یک درایو غیر مستقیم استفاده می‌کند، جایی که یک پوسته استوانه‌ای خالی به نام هوُلاروم برای فشرده‌سازی و گرم کردن سوخت با لیزرها استفاده می‌شود. مرسر بیان می‌کند که این یک رویکرد ناکارآمد برای دستیابی به دستاوردهای انرژی بالاست.
در عوض، انرژی متمرکز از یک رویکرد درایو مستقیم استفاده می‌کند که توسط آزمایشگاه برای انرژی لیزر (LLE)، یک آزمایشگاه ملی در دانشگاه روچستر توسعه داده شده است.
«در این فرآیند، ما کره‌های کوچک ۴ میلی‌متری سوخت دوتریوم-توتیوم را می‌گیریم و آن‌ها را مستقیماً با لیزرها می‌زنیم تا فشرده‌شان کنیم. این یک هدف ساده‌تر و یک فرآیند کارآمدتر است که می‌تواند انرژی بسیار بیشتری نسبت به درایو غیر مستقیم باز کند،» مرسر افزود در ایمیل خود.
شرکت همچنین در حال کار بر روی افزایش سیستم لیزر مورد استفاده برای هدف همجوشی است. بازدهی ۱۰-۱۵ درصد برای انرژی همجوشی در مقیاس تجاری ضروری است.
«لیزرهایی که NIF استفاده می‌کند، سیستم‌های آنالوگی هستند که از لامپ‌های فلش و لامپ‌های فلاش استفاده می‌کنند که حدود ۰.۵ درصد بازده انرژی دارند. ما به یک سیستم حالت جامد تبدیل می‌شویم که در آن از دیودها استفاده می‌کنیم به جای لامپ‌های فلاش. این لیزرها به طور تقریبی ۱۰-۱۵ درصد بازده انرژی دارند،» مرسر در باره رویکردشان گفت.
انرژی Xcimer مستقر در کلرادو دیگر استارتاپی است که به بهبود کارایی لیزر مشغول است. همانطور که نام نشان می‌دهد، استارتاپ از لیزرهای اکسیمر، لیزرهای فرا بنفش که نور بی‌انرژی تک‌رنگ را برای محدودیت لختی می‌تابند، استفاده می‌کند. این رویکرد به طور گسترده‌ای توسط آزمایشگاه تحقیقاتی دریایی در واشنگتن دی‌سی آزمایش شده است، همراه با فرآیندهای نوری خطی غیر نوری برای فشرده‌سازی پالس.
«مزیت اصلی این رویکرد، کاهش چشمگیر تعداد عدسی‌های دقیق مورد نیاز است، که هزینه لیزر را کاهش می‌دهد و یک لیزر بزرگ‌تر و باآنرژ‌ی‌تر را از نظر اقتصادی قابل اجرا می‌سازد،» گفت الکس والی، هم‌بنیان‌گذار و رئیس انرژی Xcimer، در یک ایمیل به IE .
شرکت همچنین به دنبال کاهش هزینه‌های سیستم‌های محدودیت لختی با استفاده از جریان نمک لیتیوم مایع (Flibe) برای حفاظت از دیوارهای ساختاری در برابر نوترون‌ها است. این می‌تواند به جلوگیری از نیاز به تعویض دیوار ساختاری هر چند سال یک‌بار، و در نتیجه دستیابی به اقتصاد بهتر با استفاده از سیستم‌های محدودیت لختی کمک کند.
آیا زمان آن فرا رسیده تا به تجاری‌سازی بپردازیم؟
در حالی که NIF بهره‌وری انرژی خالصی، که به عنوان Q اندازه‌گیری می‌شود، معادل ۱.۵۴ در دسامبر ۲۰۲۲ به دست آورده است، هر دو انرژی متمرکز و Xcimer بر این باورند که رویکردهایشان می‌تواند بهره‌وری انرژی خالص بالاتری در آینده نزدیک فراهم کند.
انرژی متمرکز هدف دارد که بهره‌وری ۲۵ را در یک کارخانه آزمایشی آینده‌اش به دست آورد و این را تا بیش از ۷۵ زمانی که فناوری‌اش به مراحل تجاری برسد افزایش دهد. Xcimer نیز به همین اندازه بلندپرواز است و به دنبال دستیابی به بهره‌وری انرژی علمی ۱۵۰ در آینده نزدیک است. مدیر عامل افزود که این معادل Q معادل ۱۰ خواهد بود.
برنامه‌های انرژی متمرکز شامل یک کارخانه آزمایشی کامل به نام فانوس تا اواسط دهه ۲۰۳۰ است، زمانبندی که Xcimer نیز برای کارخانه کامل خود دارد. اما با این حال، آیا تنها تأسیسات عمده‌ای که بهره‌وری انرژی نشان داده‌اند، آیا هنوز زود است که به مسیر تجاری در انرژی همجوشی بپردازیم؟
«ما با این توصیف مخالفیم،» والیس استدلال می‌کند، «همجوشی موضوع بررسی و تحقیق چند دهه‌ای تا به این نقطه بوده و همجوشی لیزری لختی توسط آزمایشگاه‌های ملی ایالات متحده از دهه ۱۹۷۰ پیگیری شده است. با موفقیت عملکرد مرکز اشتعال ملی، اکنون زمان طبیعی برای بردن این فناوری به خارج از آزمایشگاه و به واقعیت تجاری رسیده است.»
«تحقیق و توسعه همجوشی یک لحظه عطفی در دسامبر ۲۰۲۲ به دست آورد،» مرسر افزود، «نشان می‌دهد که همجوشی تجاری قابل اجرا نه تنها ممکن است بلکه در کوتاه‌مدت قابل دستیابی است. اکنون، همجوشی از حوزه داستان‌های علمی به حوزه علم و مهندسی وارد شده است.»
