انرژی هسته ای همچنین می تواند با واکنش های همجوشی هسته های سبک تولید شود. این تکنیک مزایای بسیاری را نوید می دهد و تلاش های تحقیق و توسعه جهانی را به خود جلب کرده است. آژانس بین المللی انرژی اتمی از زمان آغاز به کار از تحقیقات انرژی همجوشی حمایت کرده است و به کشورهای عضو کمک می کند تا دانش و علم و فناوری همجوشی را مبادله کنند و ایجاد کنند. فعالیت های گداخت بین المللی و نقش آژانس بین المللی انرژی اتمی تحقیقات جهانی پیشرفت چشمگیری در فیزیک همجوشی و پلاسما داشته است.

بسیاری از سوالات علمی در سال های گذشته حل شده است. همجوشی هسته ای کنترل شده و تحقیقات فیزیک پلاسما در حال حاضر در بیش از 50 کشور عضو آژانس بین المللی انرژی اتمی انجام می شود. چالش این است که ثابت کنیم همجوشی به عنوان یک منبع انرژی از نظر علمی امکان پذیر است. از آنجایی که این امر به دستگاه‌های بزرگ، پیچیده و گران‌قیمتی برای رسیدگی به چالش‌های فیزیک و فناوری مرتبط با راکتور نیاز دارد، همکاری بین‌المللی در تحقیق و توسعه همجوشی مورد نیاز است.

دستیابی دانشمندان به همجوشی هسته ای انقلابی در فیزیک 1111

آژانس بین‌المللی انرژی اتمی همکاری و هماهنگی بین‌المللی را برای کمک به رفع شکاف‌های موجود در فیزیک، فناوری و مقررات و پیشبرد در توسعه استفاده صلح‌آمیز از انرژی همجوشی تقویت می‌کند. فعالیت‌های آژانس در این زمینه، از جمله، فیزیک پلاسما و توان همجوشی، فناوری‌ها و مواد، هم برای همجوشی مغناطیسی و هم اینرسی را شامل می‌شود.

پیشرفته ترین و بزرگترین آزمایش همجوشی جهان با هفت عضو بین المللی (چین، هند، ژاپن، کره جنوبی، اتحادیه اروپا، فدراسیون روسیه و ایالات متحده)، پروژه راکتور آزمایشی حرارتی هسته ای بین المللی (ITER) است. بر اساس مفهوم tokamak (با استفاده از دستگاهی که پلاسما را از طریق میدان مغناطیسی محدود می کند)، ITER در حال حاضر در Cadarache، فرانسه ساخته می شود. راکتور برای دستیابی به قدرت همجوشی حداقل 10 و تولید 500 مگاوات (MW) توان همجوشی طراحی شده است.

همچنین فناوری های کلیدی لازم برای یک راکتور همجوشی را آزمایش خواهد کرد. یکی دیگر از ابتکارات همجوشی، تأسیسات بین‌المللی تابش مواد همجوشی (IFMIF)، یک پروژه مشترک اروپایی و ژاپنی است که در ژاپن ساخته خواهد شد و قرار است به موازات ITER عمل کند. IFMIF موادی را آزمایش و انتخاب خواهد کرد که می توانند در برابر شرایط شدید تولید شده توسط نوترون های همجوشی پرانرژی راکتورهای همجوشی آینده مقاومت کنند.

در حال حاضر در مراحل طراحی، انتظار می رود نیروگاه DEMOnstration (DEMO) برق همجوشی را به شبکه تامین کند. DEMO نمونه اولیه یک نیروگاه تجاری خواهد بود که بر پایه ITER ساخته شده است. انتظار می رود ساخت آن در طول عملیات ITER و IFMIF انجام شود. برای دستیابی به اهداف، DEMO باید ابعاد خطی حدود 15 درصد بزرگتر از ITER و 30 درصد چگالی پلاسما بیشتر داشته باشد. آژانس بین المللی انرژی اتمی میزبان انجمن های مختلف مرتبط با همجوشی، از جمله کنفرانس دوسالانه انرژی همجوشی، مجموعه ای از کارگاه های آموزشی در مورد پروژه DEMO و بسیاری از جلسات فنی است.

همچنین انتشاراتی در مورد همجوشی، مانند مجله فیوژن و کتاب فیوژن فیزیک تولید می کند. شبکه هایی از موسسات و دانشمندان را برای رسیدگی به مسائل کلیدی مورد علاقه مشترک ایجاد می کند. پایگاه های داده را برای جامعه فیوژن نگهداری می کند. و از فعالیت های آموزشی و آموزشی در زمینه همجوشی پشتیبانی می کند.

گداخت هسته‌ای،^[۱]همجوشی هسته‌ای، فوزیون یا فیوژن (به انگلیسی Fusion) فرایندی عکس عمل شکافت هسته‌ای است. در فرایند همجوشی هسته‌ای هسته‌های سبک مانند هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم با یکدیگر همجوشی داده شده و هسته‌های سنگین‌تر و مقداری انرژی تولید می‌شود.

برای اینکه همجوشی امکان‌پذیر باشد هسته‌هایی که در واکنش وارد می‌شوند باید دارای انرژی جنبشی کافی باشند تا بر میدان الکترواستاتیکی پیرامونشان فائق آیند؛ بنابراین دماهای وابسته به واکنش‌های همجوشی فوق‌العاده بالاست.

در سال ۱۹۵۲ اولین انفجار آزمایشی گرماهسته‌ای باعث آزاد شدن مقدار زیادی انرژی کنترل‌نشده شد. این آزمایش نشان داد که اگر دمای یک گاز متشکل از ذرات باردار – پلاسما – با چگالی بالا تا حد ۵۰ میلیون درجه کلوین افزایش یابد، باعث ایجاد واکنش همجوشی هسته‌ای در گاز یونیده می‌شود. پس از انفجار موفقیت‌آمیز بمب هیدروژنی جستجو برای آزاد کردن کنترل شده انرژی همجوشی شروع شد.

گرمای همجوشی به مفهوم گرمای حاصله از همجوشی هسته‌ای است

همجوشی هسته‌ای، واکنشی کاملاً برعکس شکافت هسته‌ای است. به جای شکافتن اتم‌های بزرگ به اتم‌های کوچک، اتم‌های کوچک به یکدیگر جوش داده می‌شوند تا اتم‌های بزرگ به‌وجود آیند. این واکنش انرژی خیلی زیادی آزاد می‌کند، چرا که طبق نظریهٔ نسبیت خاص انشتین، قسمتی از مادهٔ این واکنش به انرژی تبدیل می‌شود. واقعیت این است که خارج از نیروگاه‌های همجوشی و در طبیعت، ما هر روز اثر این واکنش را احساس می‌کنیم. همجوشی هسته‌ای همان چیزی است که در مرکز خورشید رخ می‌دهد. خورشید یک رآکتور عظیم همجوشی هسته‌ای است؛ این ستاره هیدروژن را به عناصر سنگین تبدیل می‌کند و نور و گرمای حاصل از واکنش را برای ما که روی زمین هستیم، ارسال می‌کند.^[۶]

مزیت‌ها

مزیت همجوشی هسته‌ای نسبت به شکافت هسته‌ای:

• منابع سوخت آن بسیار فراوان است. به عنوان مثال دوتریوم حدود ۱۵۳ ۰٫۰ درصد اتمی از هیدروژن‌های آب اقیانوس‌ها را تشکیل می‌دهد. تریتیوم نیز در فرایند جذب نوترون توسط لیتیوم قابل تولید است.
• به ازاء هر نوکلئون از ماده سوخت، انرژی تولیدی نسبت به روش شکافت بیشتر است.
• معضل پسماندهای هسته‌ای را ندارد.
• اینکه در هنگام وقوع حوادث احتمالی، رآکتور همجوشی از کنترل خارج نمی‌شود.

به عنوان مثالی از انرژی تولیدی در یک رآکتور همجوشی می‌توان گفت اگر یک گالن از آب دریا را که دارای مقدارکافی دوترون است در واکنش همجوشی استفاده کنیم معادل ۳۰۰ گالن گازوئیل انرژی بدون آلودگی تولید می‌کند.

سختی‌های فرایند همجوشی هسته‌ای

چیزی که باعث می‌شود رسیدن به فناوری همجوشی مشکل باشد، عدم علاقهٔ هستهٔ اتم‌ها به جوش خوردن با یکدیگر است. هستهٔ اتم هیدروژن دارای یک پروتون است و بنابراین بار الکتریکی مثبت دارد. وقتی می‌خواهیم یک هستهٔ اتم هیدروژن دیگر را به آن جوش بدهیم، به دلیل اینکه هر دو دارای بار مثبت هستند، در برابر جوش خوردن مقاومت می‌کنند.

تنها راه این است که به زور این کار را انجام دهیم و آن‌قدر دمای اتم‌ها را بالا ببریم که به پلاسما تبدیل شوند. اگر پلاسمایی با دمای بسیار بالا داشته باشیم، بعضی از هسته‌ها چنان محکم به یکدیگر برخورد می‌کنند که به یکدیگر جوش می‌خورند. برای انجام این فرایند، به دما و فشار خیلی زیادی احتیاج است.

مشکل این‌جاست که ما بر روی زمین باید شرایط قسمت مرکزی خورشید را بازسازی کنیم. خورشیدی که جرم‌اش ۳۳۰ هزار برابر زمین است و دمای مرکز آن به ۱۷ میلیون درجهٔ سانتیگراد می‌رسد. مشکل نخست این است که بر روی زمین به اندازهٔ خورشید سوخت هیدروژن در اختیار نداریم، باید دما را به ۱۰۰ میلیون درجهٔ سانتیگراد برسانیم. مشکل دوم که ماده در شکل پلاسما رفتارهای عجیبی از خود نشان می‌دهد.

پلاسما شکل چهارم ماده است نه مایع، نه جامد و نه گاز. وقتی پلاسما را در دما و فشار خیلی زیاد قرار می‌دهیم، به شدت ناپایدار می‌شود. برای کنترل شرایط ناپایدار آن نیز از تجهیزات معمولی نمی‌توان استفاده کرد. به نوعی باید بر روی زمین یک ستاره ساخت. این کار به قدری چالش‌برانگیز است که بشر برای رسیدن به آن، باید پیچیده‌ترین فناوری تاریخ را بسازد.^[۶]

روش‌های همجوشی

لیزر نوا در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در تحقیقات همجوشی

محصورسازی به روشهای متفاوتی انجام پذیر است. مهم‌ترین این روشها عبارتند از:

محصور سازی مغناطیسی

در این روش از میدان‌های پرقدرت برای حفظ یک پلاسما استفاده می‌گردد. سه نوع رآکتور توکامک، اسفرومک و استلراتور بر اساس این روش طراحی شده‌اند.

همجوشی هسته‌ای کنترل شده توسط میدان مغناطیسی پر توان

در این روش از لیزرهای پرتوانی جهت محصورساختن ساچمه‌های کوچکی استفاده می‌شود که در آنها سوخت هسته‌ای فشرده سازی شده باشد.

دانشمندان از یکی از مهم‌ترین آستانه‌ها برای دستیابی به انرژی همجوشی عبور کردند. تیمی از پژوهشگران در آزمایشگاه ملی «لارنس لیورمور» آمریکا اولین واکنش همجوشی شناخته‌شده با «بهره خالص انرژی» یا انرژی آزادشده بالاتر از انرژی مصرف‌شده برای شروع واکنش را خلق و به «احتراق همجوشی» دست پیدا کردند. این اولین‌باری است که بشر موفق به انجام چنین کاری می‌شود.

دانشمندان آمریکایی در تاریخ 5 دسامبر (14 آذرماه) به چنین موفقیتی دست پیدا کردند. پژوهشگران از 192 لیزر در مرکز ملی احتراق برای بمباران یک سیلندر حاوی هیدروژن منجمدشده که توسط الماس احاطه شده بود، استفاده کردند.

این واکنش با برخورد یک گلوله سوختی از دوتریوم و تریتیوم با 2.05 مگاژول انرژی انجام شد. این موضوع منجر به ایجاد موجی از ذرات نوترونی و خروجی 3.15 مگاژول انرژی شد. این افزایش تنها معادل حدود 0.68 کیلوگرم TNT است، با این حال برای برآورده‌کردن معیارهای احتراق همجوشی کافی است.

قدمی بزرگ برای دستیابی به انرژی همجوشی هسته‌ای

چندین دهه می‌شود که دانشمندان روی انرژی همجوشی هسته‌ای کار می‌کنند. تأسیسات ملی احتراق در سال 2009 کار خود را شروع کرد، با این حال سال 2014 فناوری همجوشی مبتنی بر لیزر توانست حجم قابل قبولی انرژی تولید کند.

پیشرفت‌های این مرکز در سال گذشته میلادی سرعت گرفت و دانشمندان توانستند در آگوست سال گذشته میلادی حجم بالایی انرژی تولید کنند. خروجی دانشمندان معادل 70 درصد انرژی لازم برای شکل‌گیری واکنش بود. تلاش پژوهشگران در ماه سپتامبر منجر به تولید 1.2 مگاژول انرژی به وسیله انفجار 2.05 مگاژولی شد. اما حالا دانشمندان توانسته‌اند انرژی تولیدشده بالاتری را نسبت به انرژی مصرف‌شده تجربه کنند و به احتراق همجوشی دست یابند.

با وجود این موفقیت، آزمایشگاه لانرس لیورمور و وزارت انرژی آمریکا در کنفرانسی که برای این دستاورد برگزار شد، به این موضوع اشاره کردند که هنوز تا تجاری‌شدن رآکتورهای همجوشی هسته‌ای فاصله زیادی داریم و کارهای زیادی باقی‌مانده‌اند.

دانشمندان باید تعداد واکنش‌ها در هر دقیقه را بهبود دهند و فرایند را ساده‌تر کنند تا بتوانند به‌راحتی آن را تکرار کنند. علاوه بر این موارد، باید مقیاس تولید انرژی به اندازه‌ای افزایش پیدا کند تا بتواند انرژی موردنیاز خانه‌ها را تأمین کند تا توسعه چنین سیستم‌هایی توجیه داشته باشد.

در حالی که چندین دهه از ایجاد رآکتورهای هسته‌ای می‌گذرد، اما آن‌ها از شکافت هسته‌ای و نه همجوشی هسته‌ای استفاده می‌کنند. در همجوشی هسته‌ای برخلاف شکافت هسته‌ای، اتم‌های کوچک به یکدیگر جوش داده می‌شوند تا اتم‌های بزرگ‌تر به وجود بیایند و این واکنش انرژی بسیار زیادی آزاد می‌کند.

همجوشی هسته‌ای نه‌تنها آلودگی دی‌اکسید کربن ندارد، بلکه نسبت به نیروگاه‌های هسته‌ای کنونی انرژی بسیار بیشتری تولید می‌کند، خطر فاجعه هسته‌ای ندارد و همچنین زباله‌های رادیواکتیو بسیار کمتری تولید می‌‎کند.

با توجه به این مزایا، همجوشی هسته‌ای یکی از بهترین راه‌حل‌ها برای تولید انرژی پاک و مقابله با گرمایش جهانی محسوب می‌شود. در حالی که استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر در سال‌های اخیر افزایش چشمگیری داشته، اما رآکتورهای همجوشی هسته‌ای می‌توانند رؤیای انسان برای دستیابی به منبع انرژی پاک نامحدود را محقق کنند.