روشی که امیدها را برای گداخت هسته‌ای بر‌می‌انگیزد

[M@hdi42]

روشی که امیدها را برای گداخت هسته‌ای بر‌می‌انگیزد

راز موفقیت در همجوشی هسته‌ای، لیزر، آهنربا و یک نیروی بزرگ موسوم به زی-پینچ (یا تنگش زتا) است.

تخلیه‌ی الکتریکی شدید ماشین Z در آزمایشگاه ملی ساندیا برای راه‌اندازی همجوشی هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ماشین Z واقع در آزمایشگاه ملی ساندیا در نیومکزیکو، شدیدترین پالس‌های جریان الکتریکی را روی زمین تخلیه می‌کند. در این ماشین، جریانی به میزان میلیون‌ها آمپر به سمت یک استوانه‌ی فلزی با ابعاد مدادپاک‌کن می‌تواند فرستاده شود که باعث القای میدان مغناطیسی می‌شود و آن به نوبه‌ی خود، نیرویی به نام زی-پینچ (تنگش زتا) (Z pinch) را ایجاد می‌کند که در کسری از ثانیه استوانه را خرد می‌کند.

از سال 2012 پژوهشگران از این نیرو برای انفجار درونی استوانه‌های پر شده با ایزوتوپ‌های هیدروژن استفاده کرده‌اند به امید آنکه به دما و فشار بسیار بالای مورد نیاز برای تولید انرژی از طریق همجوشی هسته‌ای دست یابند. آن‌ها علی رغم همه‌ی تلاش‌های خود، هنوز موفق نشده‌اند تا به احتراق مورد نظر دست یابند؛ نقطه‌ای در واکنش گداخت که انرژی‌ای بیشتر از آنچه که صرف تولید آن شده، بدست می‌آید تا از آن پس واکنش بدون نیاز به انرژی خارجی ادامه یابد و به اصطلاح خودنگه‌دار (self-sustaining) شود.

دانشمندان پس از اضافه کردن دو جزء دیگر فکر می‌کنند که سرانجام در مسیر درستی قرار گرفته‌اند. پژوهشگرانی که روی گداخت لختی خطی مغناطیسی (MagLIF) آزمایشگاه ساندیا کار می‌کنند، میدان مغناطیسی ثانویه‌ای را به سیستم اضافه کردند تا از نظر حرارتی سوخت هیدروژنی را عایق‌بندی کنند و نیز از یک لیزر به منظور پیش‌گرمایش آن بهره گرفتند (اینجا را ببینید). در اواخر ماه نوامبر آن‌ها سیستم را با استفاده از جریان الکتریکی‌ای به میزان 16 میلیون آمپر، میدان مغناطیسی به قدرت 10 تسلا و لیزر سبزی با انرژی 2 کیلو ژول برای اولین بار مورد آزمایش قرار دادند.

مارک هرمن (Mark Herrmann) سرپرست ماشین Z در ساندیا می‌گوید: «نتایج هیجان‌انگیز بود و نشان می‌داد که سیستم همانگونه که انتظار داشتیم، عمل می‌کرد.»

این آزمایش 1010 نوترون پرانرژی را نتیجه داد که معیاری برای تعداد واکنش‌های همجوشیِ رخ‌ داده می‌باشد و نیز رکوردی برای MagLIF محسوب می‌شود؛ اگرچه هنوز به حد مطلوب دست نیافته است اما با این وجود، این آزمایش کاربرد مناسب روش‌های مبتنی بر توان پالسی را در گداخت هسته‌ای نشان می‌دهد. دیوید همر (David Hammer) متخصص فیزیک هسته‌ای از دانشگاه کرنل می‌گوید: «به نظر می‌رسد که در اسرع وقت به بهره‌ی قابل‌توجهی با استفاده از توان پالسی دست می‌یابیم.»

بودجه‌ی پروژه‌ی MagLIF به ارزش سالانه 5 میلیون دلار ، در مقایسه با پروژه NIF در کالیفرنیا با بودجه‌ی 3.5 میلیارد دلار و پروژه ITER در فرانسه با بودجه‌ی 20 میلیارد دلار نسبتاً محدود است. در پروژه‌ی NIF از لیزری با انرژی 2 مگا ژول برای انفجار کپسول‌های سوخت استفاده می‌شود و در پروژه‌ی ITER ده‌ها هزار تن آهنربای ابررسانا در یک توکامک دونات‌شکل مورد استفاده قرار می‌گیرد تا پلاسما در سر جای خود برای دستیابی به همجوشی هسته‌ای خودنگه‌دار، باقی بماند.

هردو پروژه با مشکلاتی مواجه‌اند. بعد از یک تلاش پیوسته‌ی دوساله، NIF تا تاریخ مورد نظر در سال 2012 به حد احتراق مورد انتظار برای همجوشی دست پیدا نکرد. هرمن می‌گوید که بهره‌ی همجوشی آن به طور قابل‌توجهی تا 1016 نوترون در آزمایش آخر افزایش پیدا کرده است اما با کاهش بودجه‌ در سال 2014 روبروست و به همین ترتیب، پروژه‌ی ITER نیز نیاز به زمان و بودجه‌ی بیشتری دارد و به نظر نمی‌رسد که تا سال 2027 قابل بهره‌برداری باشد؛ در حالی که پیش‌بینی اولیه‌ی آن 11 سال کمتر از این زمان بوده است.

پروژه‌ی MagLIF نه تنها ارزانتر است بلکه به نظر می‌رسد که مزایای فنی نیز داراست. لیزر بکار رفته در آن علاوه بر پیش‌گرمایش سوخت هیدروژنی، آن را رساناتر و در نتیجه بیشتر مستعد پذیرش نیروی زی-پینچ قرار می‌دهد. بعلاوه در مقاله‌ای که در اواخر سال گذشته منتشر شد، پژوهشگران MagLIF شواهدی آوردند مبنی بر آنکه میدان مغناطیسیِ ثانویه‌ی بکار رفته و همچنین عایق‌سازی سوخت ممکن است اثر جانبی خوشایندِ ایجاد ثبات استوانه را هنگام انفجار به همراه داشته باشد (اینجا را ببینید). استفان اسلوز (Stephen Slutz) یکی از پژوهشگران ساندیا که سیستم MagLIF را در سال 2009 پیشنهاد کرد، می‌گوید که اگر چنین باشد، ناپایداری‌های هیدرودینامیکی که می‌توانند سوخت و انرژی را قبل از آنکه همجوشی آغاز شود، پراکنده کند، کاهش پیدا می‌کند.

طی چند سال آینده، پژوهشگران MagLIF قصد دارند تا هر سه شاخص را در دسترس قرار دهند. آن‌ها قادرند ماشین Z را تا 27 میلیون آمپر، میدان مغناطیسی را تا 30 تسلا و انرژی لیزر را تا 8 کیلوژول ارتقاء دهند. آن‌ها همچنین قصد دارند در سوخت از دو ایزوتوپ دوتریوم و تریتیوم باهم استفاده کنند تا بهره نوترونی افزایش پیدا کند. آن‌ها امیدوارند تا سال 2015 به بهره‌ی 1016 نوترون یا حدود 100 کیلوژول انرژی دست یابند که برای احتراق مورد نظر کافی می‌باشد.

منبع