هم‌جوشی هسته‌ای در عرصه رقابت استارت‌آپ‌ها

انسان‌ها دهه‌ها به دنبال مهار قدرت ستاره‌ها برای تولید برق روی زمین بوده‌اند و تقریباً تا همین اواخر، دستیابی به این هدف همیشه تنها یک دهه دور به نظر می‌رسید.

به نقل از تک کرانچ، اکنون تعداد زیادی از استارت‌آپ‌ها بیش از هر زمان دیگری به این هدف نزدیک شده‌اند و برای ساخت رآکتورهای هم‌جوشی که قادر به تأمین برق در شبکه هستند، شتاب می‌کنند.

استارت‌آپ‌های هم‌جوشی هسته‌ای بیش از ۱۰ میلیارد دلار سرمایه‌ جذب کرده‌اند که بیش از ۱۲ مورد آنها بیش از ۱۰۰ میلیون دلار به دست آورده‌اند. بسیاری از دوره‌های سرمایه‌گذاری بزرگ در سال گذشته به پایان رسیده‌اند و سرمایه‌گذاران با افزایش تقاضای انرژی از سوی مراکز داده و نزدیک‌تر شدن استارت‌آپ‌های هم‌جوشی هسته‌ای به خط پایان، به این صنعت جذب شده‌اند.

انرژی هم‌جوشی در هسته خود به دنبال استفاده از انرژی آزادشده از هم‌جوشی اتم‌ها برای تولید برق است. انسان‌ها دهه‌هاست که می‌دانند چگونه اتم‌ها را به هم‌جوشی وادار کنند و آنها را در موارد گوناگون از بمب هیدروژنی - نمونه‌ای از هم‌جوشی هسته‌ای کنترل‌نشده - گرفته تا هر یک از دستگاه‌های هم‌جوشی بی‌شماری که در آزمایشگاه‌های سراسر جهان ساخته شده‌اند، به کار بگیرند. دستگاه‌های هم‌جوشی تجربی توانسته‌اند هم‌جوشی هسته‌ای را کنترل کنند و یکی از آنها توانسته است انرژی بیشتری را از آنچه برای جرقه زدن واکنش لازم بود، تولید کند اما هیچ‌کدام از آنها نتوانسته‌اند به اندازه کافی مازاد تولید کنند تا امکان ساخت یک نیروگاه فراهم شود.

انرژی هم‌جوشی در هسته خود به دنبال استفاده از انرژی آزادشده از هم‌جوشی اتم‌ها برای تولید برق است.

استارت‌آپ‌های هم‌جوشی هسته‌ای برای حل این مشکل، روش‌های گوناگونی را امتحان می‌کنند. کارشناسان نظرات متفاوتی را درباره این پرسش دارند که کدام یک از این روش‌ها بیشترین شانس موفقیت را خواهند داشت. از آنجا که این صنعت هنوز در مراحل ابتدایی خود است، هیچ چیز تضمین‌شده نیست.

در ادامه، مروری مختصر بر روش‌های اصلی تولید انرژی هم‌جوشی ارائه شده است.

محصورسازی مغناطیسی

به نقل از ساینس دایرکت، مفهوم محصورسازی مغناطیسی از یک میدان مغناطیسی غول‌پیکر برای محدود کردن حرکت پلاسمای دوتریوم-تریتیوم استفاده می‌کند. میدان مغناطیسی از تماس ذرات با دیواره‌های رآکتور جلوگیری می‌کند که این امر باعث اتلاف گرمای هسته‌ها و کاهش سرعت حرکت آنها می‌شود.

به نقل از تک کرانچ، محصورسازی مغناطیسی یکی از پرکاربردترین روش‌هاست که از میدان‌های مغناطیسی قوی برای محصور کردن پلاسما - مخلوطی از ذرات فوق‌العاده داغ که در قلب یک دستگاه هم‌جوشی قرار دارد - استفاده می‌کند.

آهن‌رباها باید فوق‌العاده قدرتمند باشند. برای مثال، شرکت «Commonwealth Fusion Systems» یا CFS در حال مونتاژ آهن‌رباهایی است که می‌توانند میدان مغناطیسی ۲۰ تسلا تولید کنند که حدود ۱۳ برابر قوی‌تر از یک دستگاه ام‌آرآی معمولی است. برای مدیریت میزان برق مورد نیاز، آهن‌رباها از ابررساناهای دمای بالا ساخته شده‌اند که هنوز باید با استفاده از هلیوم مایع تا دمای منفی ۲۵۳ درجه سلسیوس خنک شوند.

شرکت CFS در حال حاضر در ماساچوست در حال ساخت یک دستگاه به نام Sparc با سرعت بسیار بیشتری است. این شرکت پیش‌بینی می‌کند که آن را در اواخر سال ۲۰۲۶ راه‌اندازی کند. اگر همه چیز خوب پیش برود، این شرکت ساخت نیروگاه خود موسوم به Arc را در مقیاس تجاری در ویرجینیا در سال ۲۰۲۷ یا ۲۰۲۸ آغاز خواهد کرد.

دو نوع اصلی از دستگاه‌های هم‌جوشی وجود دارد که از محصورسازی مغناطیسی استفاده می‌کنند. این دو نوع دستگاه عبارتند از «توکامک‌ها»(Tokamaks) و «استلاراتورها»(Stellarators).

توکامک‌ها برای اولین بار توسط دانشمندان شوروی در دهه ۱۹۵۰ نظریه‌پردازی شدند و از آن زمان به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. توکامک‌ها در دو شکل اساسی وجود دارند. توکامک‌های JET و ITER دو توکامک آزمایشی قابل توجه هستند. JET بین سال‌های ۱۹۸۳ تا ۲۰۲۳ در بریتانیا فعال بود؛ در حالی که انتظار می‌رود ITER در اواخر دهه ۲۰۳۰ در فرانسه فعالیت خود را آغاز کند.

شرکت انگلیسی «توکامک انرژی»(Tokamak Energy) روی طراحی یک توکامک کروی کار می‌کند. دستگاه آزمایشی ST40 این شرکت در حال حاضر در حال ارتقاست.

استلاریتورها نوع اصلی دیگری از دستگاه‌های محصورسازی مغناطیسی هستند. آنها به توکامک‌ها شباهت دارند زیرا پلاسما را در شکلی شبیه به دونات نگه می‌دارند، اما برخلاف اضلاع هندسی توکامک، استلاریتورها پیچ و تاب می‌خورند. شکل نامنظم با مدل‌سازی رفتار پلاسما و تنظیم میدان مغناطیسی برای کار با ویژگی‌های خاص به جای مجبور کردن آن به داشتن شکل منظم تعیین می‌شود.

«وندلشتاین ۷-ایکس»(Wendelstein 7-X) یک استلاراتور بزرگ است که توسط «موسسه فیزیک پلاسمای ماکس پلانک»(IPP) اداره می‌شود و از سال ۲۰۱۵ در آلمان فعالیت می‌کند. چندین استارت‌آپ نیز در حال توسعه استلاراتورهای خود هستند که از جمله آنها می‌توان به «پروکسیما فیوژن»(Proxima Fusion)، «رنسانس فیوژن»(Renaissance Fusion)، «تئا انرژی»(Thea Energy) و «تایپ وان انرژی»(Type One Energy) اشاره کرد.

محصورسازی لَختی

یک روش اصلی دیگر برای هم‌جوشی، محصورسازی لَختی است که در آن قرص‌های سوخت فشرده می‌شوند تا اتم‌های درون آنها با هم ترکیب شوند.

به نقل از ساینس دایرکت، اگر یک قرص جامد سوخت هم‌جوشی با یک لیزر یا پرتو ذرات شدید گرم شود، سطح قرص گرم می‌شود و به سرعت فرسایش می‌یابد. این فرسایش سریع (تبخیر) سطح قرص از طریق اثر موشکی، یک موج فشار قوی را ایجاد می‌کند که از سطح قرص به هسته آن منتشر می‌شود.

در روش محصورسازی لَختی، قرص‌های سوخت فشرده می‌شوند تا اتم‌های درون آنها با هم ترکیب شوند.

به نقل از تک کرانچ، بیشتر طرح‌های محصورسازی لَختی از پالس‌های نور لیزر برای فشرده‌سازی قرص‌های سوخت استفاده می‌کنند. چندین پرتو لیزر به طور هم‌زمان تابانده می‌شوند و پالس‌های نور آنها از همه زوایا به طور هم‌زمان روی قرص سوخت قرار می‌گیرند.

آزمایش‌های مربوطه تاکنون در «مرکز ملی احتراق»(NIF) در «آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور»(LLNL) واقع در کالیفرنیا انجام شده‌اند.

با وجود این، نزدیک به ۱۲ استارت‌آپ به قدری به محصورسازی لَختی امید دارند که در حال طراحی رآکتورهایی پیرامون آن هستند. شرکت‌های «Focused Energy» و «Inertia Enterprises» و «Marvel Fusion» و «Xcimer» نمونه‌های قابل توجهی از استفاده از لیزر هستند.

با وجود این، دو شرکت وجود دارند که از لیزر استفاده نمی‌کنند. «First Light Fusion» که استفاده از پیستون‌ها را پیشنهاد می‌کند و «Pacific Fusion» که قصد دارد به جای لیزر از پالس‌های الکترومغناطیسی استفاده کند.

روش‌های مذکور، دو روش اصلی برای توان هم‌جوشی هستند، اما تنها روش‌ها نیستند.