انقلاب بزرگ در تولید انرژی همجوشی هسته‌ای؛ اولین راکتور تجاری ۱ گیگاواتی تا ۶ سال دیگر!

اینجا پای آینده‌ی انرژی در میان است! استارتاپ آلمانی Proxima Fusion، که تیم آن از مهندسانی از MIT، گوگل، اسپیس‌ایکس و مک‌لارن تشکیل شده، از طراحی جدیدی برای راکتور گداخت هسته‌ای پرده‌برداری کرده که می‌تواند سریع‌ترین مسیر به سوی تجاری‌سازی انرژی همجوشی هسته‌ای باشد. در ادامه با راکتور جذاب استرالیس بیشتر آشنا شوید.

تفاوت دو ایده ساخت راکتور همجوشی هسته‌ای

یک راکتور همجوشی هسته‌ای مانند یک خورشید مصنوعی عمل می‌کند. در این فرآیند، گاز هیدروژن تا دمای فوق‌العاده بالا گرم می‌شود تا به پلاسما تبدیل شود، حالتی که در آن اتم‌ها بسیار پرانرژی و متحرک هستند. برای جلوگیری از برخورد این پلاسما با دیواره‌های راکتور، از میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی استفاده می‌شود که آن را در جای خود نگه می‌دارند. در این شرایط، هسته‌های اتم‌های هیدروژن به هم برخورد کرده و با هم ترکیب می‌شوند (همجوشی می‌کنند) و مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود. این انرژی به گرما تبدیل شده و سپس می‌توان از آن برای تولید برق بدون آلودگی و نامحدود استفاده کرد.

در همین زمینه دو رویکرد تا به امروز برای ساخت راکتور گداخت پیشنهاد شده که توکامک و استلراتور نام دارند. در روش اول، توکامک یک نوع راکتور همجوشی هسته‌ای است که با استفاده از میدان مغناطیسی حلقوی، پلاسما را در یک مسیر دوناتی‌شکل (توریودال) نگه می‌دارد تا واکنش همجوشی رخ دهد. این طراحی ساده‌تر از استلراتور است اما برای پایداری پلاسما به کنترل‌های بیشتری نیاز دارد.

راهکار استلراتور که ایده‌ای قدیمی است ولی این روزها توسط دانشمندان موسسه پروکسیما دنبال می‌شود، رویکردی متفاوت را در نظر می‌گیرد. استلراتور نوعی راکتور همجوشی هسته‌ای است که با استفاده از میدان‌های مغناطیسی پیچیده و پیچ‌خورده، پلاسما را در مسیر ثابت نگه می‌دارد تا واکنش همجوشی رخ دهد. این روش نسبت به توکامک پایدارتر است و به انرژی کمتری نیاز دارد، اما طراحی و ساخت آن بسیار پیچیده‌تر است.

اولین طرح قابل پیاده سازی تجاری راکتور گداخت هسته ای

همانطور که در ابتدای این خبر گفتیم، استارتاپ آلمانی Proxima Fusion، متشکل از مهندسانی از شرکت‌ها و سازمان‌های پیشرفته در حوزه فناوری، از Stellaris، پیشرفته‌ترین طراحی راکتور گداخت هسته‌ای خود را معرفی کرده است. این استلراتور شبه-ایزودینامیک (QI) با استفاده از آهنرباهای ابررسانای دمای بالا (HTS)، پلاسما را در میدان‌های مغناطیسی پیچیده محصور کرده و تولید انرژی خالص در حالت پایدار را ممکن می‌سازد.

در همین زمینه فرانچسکو سیورتینو، هم‌بنیان‌گذار و مدیرعامل Proxima، در گفت‌وگو با TNW می‌گوید:

Stellaris برای کارکرد پیوسته و با پایداری ذاتی طراحی شده است. تاکنون هیچ طراحی دیگری برای نیروگاه همجوشی قادر به اثبات این قابلیت نبوده است.

طراحی Stellaris بر پایه‌ی Wendelstein 7-X، بزرگ‌ترین استلراتور جهان که در مؤسسه‌ی ماکس پلانک برای فیزیک پلاسما در آلمان قرار دارد، شکل گرفته است. در حالی که Wendelstein 7-X برای اهداف تحقیقاتی ساخته شده، Stellaris رویکرد تجاری را در نظر گرفته است.

در همین رابطه بخوانید:

– همه روش‌های تولید برق را کنار بگذارید: همجوشی هسته ای با هوش مصنوعی آینده انرژی است

۶ سال تا تحقق رؤیای تولید برق همجوشی واقعی

موسسه پروکسیما اعلام کرده که قصد دارد این طراحی را با ساخت اولین راکتور نمایشی خود، Alpha، که طی شش سال آینده تکمیل خواهد شد، به واقعیت تبدیل کند. به گفته‌ی سیورتینو، Alpha اولین دستگاه همجوشی در تاریخ خواهد بود که تولید خالص انرژی در حالت پایدار را به نمایش می‌گذارد. این پروژه، پایه‌ای برای ساخت اولین راکتور گداخت هسته‌ای ۱ گیگاواتی شرکت خواهد بود که انتظار می‌رود در دهه‌ی ۲۰۳۰ به بهره‌برداری برسد.

مزیت استلراتورها در برابر توکامک‌ها

استلراتورها در مقایسه با توکامک‌ها (که در پروژه‌ی عظیم ITER در فرانسه استفاده شده‌اند) به انرژی کمتری برای عملکرد نیاز داشته و پایداری بیشتری هم دارند. با این حال، نقطه‌ضعف آن‌ها پیچیدگی بالا در طراحی و ساخت است. این چالش، باعث شد استلراتورها در دهه‌ی ۱۹۶۰ کنار گذاشته شوند و جای خود را به توکامک‌ها بدهند. اما اکنون، پیشرفت‌های چشمگیر در توان محاسباتی این فاصله را کاهش داده‌اند.

راکتور گداخت مجهز به هوش مصنوعی

مشابه صنایع خودروسازی و هوافضا، Proxima از ابررایانه‌های هوش مصنوعی برای طراحی بهینه‌ی راکتورهای گداخت استفاده می‌کند. این سیستم با درنظرگرفتن پارامترهای کلیدی مانند هزینه، در دسترس بودن مواد و بازدهی، سریع‌ترین و کارآمدترین طرح را تولید می‌کند.

سیورتینو در این باره می‌گوید:

در استلراتورها، فهم هندسه‌ی پیچیده و پیامدهای آن همه‌چیز است. هوش مصنوعی به Proxima کمک می‌کند الگوهایی را کشف کند که به طراحی‌هایی ساده‌تر، سریع‌تر و کم‌هزینه‌تر منجر شوند.

استرالیس می‌تواند بیشترین توان را به ازای هر واحد حجم در مقایسه با تمام استلراتورهای قبلی تولید کند. آهنرباهای ابررسانای دمای بالا (HTS) میدان‌های مغناطیسی قوی‌تری ایجاد می‌کنند، که منجر به راکتورهایی کوچک‌تر، سریع‌تر در ساخت و کارآمدتر می‌شود.

این روش، علاوه بر کاهش هزینه‌های ساخت، هزینه‌های عملیاتی را نیز پایین می‌آورد. نکته‌ی مهم این است که Stellaris تنها از مواد موجود در زنجیره‌های تأمین امروزی استفاده می‌کند و به فناوری‌های ناشناخته وابسته نیست. جزئیات کامل این راکتور امروز در مجله‌ی Fusion Engineering and Design منتشر شده است.

در همین رابطه بخوانید:

– طرح پیشرفته محققان MIT برای ساز و کار همجوشی هسته ای؛ شبیه سازی واقعی خورشید روی زمین!

دستاوردی تاریخی از مؤسسه‌ی ماکس پلانک

Proxima، که در مونیخ مستقر است، در سال ۲۰۲۳ به اولین شرکتی تبدیل شد که از مؤسسه‌ی برجسته‌ی ماکس پلانک برای فیزیک پلاسما منشعب شد. این مؤسسه یکی از پیشروترین مراکز تحقیقاتی گداخت در جهان است و فیزیک‌دانان حوزه پلاسمای بیشتری نسبت به MIT را به خود جذب کرده و اهداف بسیار بزرگی را دنبال می‌کند.

سال گذشته، Proxima توانست ۲۰ میلیون یورو سرمایه جذب کند تا فیزیک پیچیده‌ی همجوشی هسته‌ای را به یک تجارت پایدار تبدیل کند. ایان هوگارت، یکی از سرمایه‌گذاران اولیه‌ی این شرکت، می‌گوید:

وقتی Proxima کار خود را آغاز کرد، بنیان‌گذاران آن گفتند: ‘این ممکن است، ما آن را اثبات خواهیم کرد’ و حالا این کار را انجام داده‌اند. Stellaris استلراتورهای QI-HTS را به عنوان پیشرفته‌ترین فناوری در رقابت جهانی برای تجاری‌سازی انرژی همجوشی معرفی می‌کند.

به هر حال امیدواریم که چنین طرح‌هایی به مرحله تجاری و نهایی برسند تا بشر بتواند برای همیشه معزل تولید انرژی را حل کند. بدون شک راکتور گداخت که عملکردی مانند خورشید را در ابعاد کوچک روی زمین پیاده می‌کند می‌تواند یکی از اولین نامزدها برای کنار گذاشتن همه نوع نیروگاه‌های سوخت فسیلی و اتمی شکافت باشد که در کنار مزایای خود، کوهی از مشکلات را برای کشورها و محیط زیست ایجاد می‌کنند.