چگونه همجوشی هسته‌ای می‌تواند حوزه سلامت، انرژی و خودروهای برقی را متحول کند
جهانی را تصور کنید که در آن انرژی بی‌پایان، پاک و ایمن است—بدون اثرات محیطی سوخت‌های فسیلی یا خطرات ذوب هسته‌ای. این وعده همجوشی هسته‌ای است، فرآیندی که ستارگان را تغذیه می‌کند و می‌تواند زندگی روی زمین را متحول کند.
همجوشی هسته‌ای زمانی رخ می‌دهد که دو هسته اتمی سبک‌تر ترکیب شده و هسته‌ای سنگین‌تر را تشکیل می‌دهند و مقادیر زیادی انرژی آزاد می‌کنند .
این واکنش خورشید و دیگر ستارگان را نیرو می‌بخشد، جایی که دما و فشارهای بسیار بالایی به ایزوتوپ‌های هیدروژن مانند دوتریوم و تریتیوم امکان می‌دهد به هلیوم ادغام شوند و انرژی را طبق معادله اینشتین (E=mc2) تولید کنند. روی زمین، همجوشی هسته‌ای برای سلاح‌های هسته‌ای حرارتی مانند بمب‌های هیدروژنی به کار گرفته شده است.
با این حال، این فناوری هنوز نتوانسته برای تولید انرژی عملی استفاده شود، علیرغم پتانسیل آن برای ارائه منبع انرژی تقریباً بی‌پایان و پاک با ضایعات رادیواکتیو کم.
در نهایت، دستیابی به همجوشی هسته‌ای کنترل شده نیاز به تکرار شرایط بسیار شدید در ستارگان دارد تا ایزوتوپ‌ها بتوانند از پس جاذبه الکترواستاتیکی (که به سد کولتاژ معروف است) بربیایند و در هم ادغام شوند.
در حالی که دانشمندان می‌توانند از نظر فنی این کار را انجام دهند، نمی‌توانند حالت پلاسما پایدار را به اندازه کافی طولانی برای واکنش‌های همجوشی حفظ کنند. این امر نیاز به تکنیک‌های پیشرفته مانند محبوس‌سازی مغناطیسی در توکاماک‌ها یا محبوس‌سازی بی‌عمله با استفاده از لیزرهای قدرتمند دارد.
همزمان، دانشمندان دریافتند که پتانسیل همجوشی هسته‌ای فراتر از تولید انرژی است. تحقیقات نشان می‌دهد که این تکنولوژی می‌تواند در پروپولسیون و کاربردهای پزشکی مفید باشد، مانند تولید ایزوتوپ‌ها برای درمان سرطان . همچنین می‌تواند صنعت خودرو را با تغییر نحوه ارائه انرژی به خودروهای برقی تحول بخشد.
تفاوت بین شکافت هسته‌ای و همجوشی هسته‌ای
همجوشی هسته‌ای و شکافت هسته‌ای دو واکنش پایه‌ای هسته‌ای هستند که انرژی آزاد می‌کنند ولی اصول متفاوتی دارند.
شکافت هسته‌ای شامل تقسیم یک هسته اتمی سنگین به هسته‌های کوچک‌تر و آزادسازی مقدار قابل توجهی انرژی می‌شود. این فرآیند عموماً زمانی رخ می‌دهد که یک نوترون با یک هسته ناپایدار مانند اورانیوم-۲۳۵ برخورد کند. این باعث می‌شود هسته تجزیه شود و نوترون‌های اضافی آزاد کند که می‌تواند واکنش‌های شکافت بیشتری را تحریک کند و در نتیجه موجب یک واکنش زنجیره‌ای شود. این واکنش پایه‌ای برای نیروگاه‌های هسته‌ای کنونی است که شکافت کنترل شده را به کار می‌گیرند تا برق تولید کنند.
در مقابل، همجوشی زمانی رخ می‌دهد که دو هسته اتمی سبک با هم ترکیب شده و هسته‌ای سنگین‌تر تشکیل می‌دهند. این واکنش معمولاً با ایزوتوپ‌های هیدروژن مانند دوتریوم و تریتیوم انجام می‌شود. این دمای بالای ۱۰۰ میلیون درجه سانتی‌گراد یا ۱۸۰ میلیون درجه فارنهایت و حالتی از ماده به نام پلاسما را نیاز دارد.
پلاسما حاوی تعداد قابل توجهی از ذرات باردار، از جمله یون‌های مثبت و الکترون‌های آزاد است که باعث می‌شود آن الکتریسیته رسانا باشد و به میدان‌های مغناطیسی پاسخ دهد (آیا تاکنون چیزی به نام "تلویزیون پلاسما" به گوشتان خورده است؟ این همان تکنولوژی است).
از سوی دیگر، شکافت هسته‌ای می‌تواند در دمای اتاق رخ دهد. این به جذب نوترون‌ها توسط هسته‌های سنگین، مانند اورانیوم-۲۳۵ یا پلوتونیوم-۲۳۹ متکی است. زمانی که یک نوترون با یک هسته ناپایدار برخورد می‌کند، واکنش شکافت می‌تواند بدون نیاز به حرارت زیاد (یا فشار) ادامه یابد.
به‌طور عملی، راکتورهای شکافت در دماهایی حدود ۳۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد (تقریباً ۵۷۲ تا ۱۱۱۲ درجه فارنهایت) کار می‌کنند. این دما کافی است برای تولید بخار جهت تولید برق در حالی که شرایط مورد نیاز برای یک واکنش زنجیره‌ای کنترل‌شده را حفظ کند. به همین دلیل، شکافت در حال حاضر برای تولید انرژی عملی‌تر است.
با این حال، در سال‌های اخیر، همکاری‌های بیشتری بین مؤسسات عمومی و شرکت‌های خصوصی برای پیشرفت در تحقیقات و تبدیل همجوشی به یک منبع انرژی به مقیاس بزرگ صورت گرفته است.
همجوشی هسته‌ای در تولید انرژی
همجوشی هسته‌ای برای تولید انرژی مورد نظر قرار گرفته است زیرا مزایای قابل توجهی نسبت به سوخت‌های فسیلی و شکافت هسته‌ای دارد:
- همجوشی محیط‌زیست دوستانه‌تر است. برخلاف سوخت‌های فسیلی که دی‌اکسید کربن و سایر آلاینده‌های مضری را به جو آزاد می‌کنند، و شکافت هسته‌ای که ضایعات رادیواکتیو طولانی مدت تولید می‌کند، همجوشی هسته‌ای فقط هلیوم به‌عنوان محصول جانبی آزاد می‌کند . این گاز بی‌اثر هیچ تهدید محیط‌زیستی ندارد.
- سوخت برای همجوشی فراوان است. بیشترین ایزوتوپ‌های مورد استفاده هیدروژن برای همجوشی هسته‌ای دوتریوم و تریتیوم هستند. دوتریوم را می‌توان از آب دریا استخراج کرد، در حالی که لیتیوم می‌تواند تریتیوم را درون راکتور تولید کند. در مقابل، سوخت‌های فسیلی مانند زغال‌سنگ، نفت و گاز طبیعی محدود هستند، همانند اورانیوم و پلوتونیوم مورد استفاده در شکافت هسته‌ای.
- واکنش‌های همجوشی ذاتاً ایمن‌تر از شکافت هستند. اگر مشکلی پیش آید، فرآیند همجوشی به صورت طبیعی متوقف می‌شود. هیچ خطری از یک واکنش زنجیره‌ای غیرقابل کنترل وجود ندارد، همانطور که می‌تواند در راکتورهای شکافت رخ دهد، جایی که خطا در سیستم خنک‌سازی می‌تواند منجر به گرم‌شدن بیش از حد و ذوب احتمالی شود، مانند آنچه در چرنوبیل یا فوکوشیما رخ داد.
به‌همین دلیل‌ها، چندین پروژه در زمینه تحقیقات همجوشی وجود دارد. راکتور تجربی بین‌المللی ترموهسته‌ای (ITER) یکی از مهمترین آن‌هاست که در ۳۵ کشور دنیا انجام می‌شود.
ITER، که انتظار می‌رود تا سال ۲۰۳۹ تکمیل شود ، بزرگترین راکتور همجوشی هسته‌ای ایجاد شده خواهد بود، با پنج برابر حجم پلاسمای بزرگترین راکتور عملیاتکننده امروزه. هدف از ITER تولید مقادیر زیادی از پلاسمای خودگرمايشی و پایدار با یک خروجی حرارتی ده برابری از توان ورودی است (حدود ۵۰۰ مگاوات قدرت همجوشی از ۵۰ مگاوات توان گرمایش ورودی).
همجوشی هسته‌ای در درمان سرطان
شکافت هسته‌ای در شکل‌های مختلف از پرتودرمانی برای درمان سرطان استفاده شده است.
متداول‌ترین نوع درمان سرطان مبتنی بر شکافت، پرتودرمانی پرتو بیرونی (EBRT) است که در آن از یک شتاب‌دهنده خطی استفاده می‌شود تا پرتوی‌های تابشی با انرژی بالا (مانند X-ray، پروتون، الکترون یا گاما) به تومورها منتقل شود.
تحت توسعه، تراپی فیوژن پروتون-بورون (PBFT) وعده تغییر این روند را می‌دهد زیرا رویکردی هدفمندتر ارائه می‌دهد. در این روش، ترکیبات خاص و انتخابی حاوی بورون به طور پیوسته به تومورها منتقل می‌شوند. پس از تجمع در آنها، دانشمندان از پروتون‌ها برای انجام همجوشی با بورون استفاده می‌کنند، واکنشی که سه ذره الفا تولید می‌کند که انرژی زیادی را در ناحیه کوچکی آزاد می‌کنند—منطقه تومور.
به این ترتیب، PBFT می‌تواند سلول‌های سرطانی را از بین ببرد و در عین حال بافت سالم اطراف را حفاظت کند.
همجوشی هسته‌ای در پیشرانه
سیستم‌های پیشرانه همجوشی از انرژی آزاد شده از واکنش‌های همجوشی هسته‌ای برای تولید نیرو استفاده می‌کنند. کاربردهای بالقوه شامل سفرهای فضایی و پیشرانه دریایی است.
مثالی از پیشرانه دریایی از سال ۱۹۹۱ وجود دارد که میتسوبیشی ساخت یک کشتی به نام Yamato 1 را به پایان رسانده بود که با درایوهای مگنتوهیدرودینامیک (MHD) با سرعت ۹ مایل در ساعت (۱۵ کیلومتر در ساعت) پیش‌برد می‌شد.
درایوهای MHD از میدان‌های مغناطیسی برای حمل و نقل مایعات الکتریکی رسانایی مانند آب دریا استفاده می‌کنند. در حالی که به‌طور مستقیم با همجوشی قدرت نمی‌گیرد، پیشرفت در فناوری همجوشی می‌تواند سیستم‌های MHD را با تأمین میدان‌های مغناطیسی قوی‌تر تقویت کند، مانند آهنرباهای ابررسانایی درجه حرارت بالا که توسط Tokamak Energy در ۲۰۲۳ ساخته شده‌اند .
در سفرهای فضایی، یک موتور راکت مفهومی تنها با واکنش‌های همجوشی هسته‌ای (بدون برق درگیر) نیرو ایجاد می‌کند. Direct Fusion Drive (DFD) از روش‌های محبوس‌سازی مغناطیسی برای حبس پلاسمای داغ تولید شده از واکنش‌های همجوشی پیوسته که با هلیوم-۳ و دوتریوم سوخت می‌شوند، استفاده می‌کند.
همزمان با انجام واکنش‌های همجوشی، موتور راکت ذرات انرژی‌دار را آزاد می‌کند که می‌توانند به بیرون پرتاب شوند تا نیروی جلو بروند و تولید کنند. این ذرات باردار همچنین می‌توانند توان الکتریکی را برای سیستم‌های روی بورد و تجهیزات علمی فضاپیما تولید کنند.
همجوشی هسته‌ای در خودروهای برقی
چندین شرکت و پروژه تحقیقاتی در حال بررسی هستند که چگونه همجوشی هسته‌ای می‌تواند انرژی پاک و کارآمدی برای ایستگاه‌های شارژ خودروهای برقی فراهم کند.
یکی از این شرکت‌ها استارتاپ اسرائیلی NT-Tao است که در حال توسعه راکتورهای فشرده و مقیاس‌پذیر هسته‌ای که قادر به کار در داخل و خارج از شبکه هستند می‌باشد.
این راکتورها مزایای دو فناوری موجود همجوشی، یعنی توکاماک و استرلارتور، را ترکیب می‌کنند. این فناوری‌ها از آهنرباها برای محبوس‌سازی پلاسمایی شکل دونات غوازی به نام توروس استفاده می‌کنند. با این حال، توکاماک پایداری پلاسما را با یک میدان مغناطیسی قوی ایجاد شده توسط سیم‌پیچ‌های خارجی تثبیت می‌کند. همزمان، استرلارتور شامل سیستم سیم‌پیچ مغناطیسی پیچیده‌تری است که می‌تواند پایداری پلاسما را با ورودی کمتر نیرو حفظ کند.
این شرکت همچنین قصد دارد روش گرمایش پلاسما فوق‌سریع را توسعه دهد تا چگالی پلاسما را ۱۰۰۰ برابر بیشتر از راکتورهای همجوشی معمولی کند. این امر باعث می‌شود واکنش همجوشی کارآمدتر شود و تولید انرژی ۱ میلیون برابر مؤثرتر نسبت به فناوری‌های موجود باشد.
هنگامی که عملیاتی شد، راکتورهای فشرده همجوشی NT-Tao انتظار می‌رود به طور همزمان تا ۱۰۰۰ خودرو برقی را با هزینه تخمینی ۶ تا ۱۳ سنت برای هر کیلووات‌ساعت (kWh) تأمین انرژی پاک، قابل ملاحظه و پایدار کنند.
راکتورهای NT-Tao، که به اندازه یک کانتینر حمل و نقل قابل مقایسه هستند، به راحتی می‌توانند در مناطق شهری و مکان‌های دور افتاده مستقر شوند—even جایی که منابع قدرت سنتی ممکن است محدود باشد.
به دلیل قابل حمل بودن و تطبیق‌پذیریشان می‌توانند برای برنامه‌های دیگر استفاده شوند، مانند تأمین انرژی مراکز داده یا واحدهای صنعتی.
Honda Motors، دیگر شرکت‌های سرمایه‌گذاری و حتی دولت اسرائیل تا ژانویه ۲۰۲۴ حدود ۲۸ میلیون دلار در فناوری NT-Tao سرمایه‌گذاری کرده‌اند.
