آیا واقعا در طی دو سه دهه آینده ما به رویای فراوری انرژی با همجوشی هسته ای fusion می رسیم؟! - سفر حرفه ای ترکیه

این مقاله به آنالیز دقیق جنبه های فنی، مالی و ژئوپلیتیک این فناوری می پردازد و تحلیل می نماید که آیا واقعاً در دو یا سه دهه آینده، شاهد انقلاب همجوشی خواهیم بود یا این رؤیا همچنان در افق های دور باقی می ماند.

01

تفاوت همجوشی با شکافت؛ بازسازی قلب خورشید

نخستین نکته ای که باید درک کرد، تفاوت بنیادین همجوشی (Fusion) با شکافت هسته ای (Fission) است. در شکافت، اتم های سنگین مثل اورانیوم (Uranium) شکسته می شوند که منجر به فراوری زباله های رادیواکتیو با عمر طولانی می گردد. اما در همجوشی، هسته های سبک مثل ایزوتوپ های هیدروژن یعنی دوتریوم (Deuterium) و تریتیوم (Tritium) در دمای بسیار بالا با هم ترکیب شده و هلیوم (Helium) فراوری می نمایند. این فرآیند دقیقاً همان چیزی است که در خورشید رخ می دهد. مزیت بزرگ این روش، نبود زباله های هسته ای خطرناک و پایداری ذاتی فرآیند است؛ چرا که در صورت بروز کوچک ترین نقص فنی، واکنش بلافاصله متوقف می گردد و احتمال وقوع فجایعی مانند چرنوبیل (Chernobyl) عملاً صفر است.

02

چالش فنی؛ محصورسازی در دمای 150 میلیون درجه

بزرگ ترین مانع فعلی، دمای مورد احتیاج برای آغاز واکنش است. برای اینکه هسته ها به هم نزدیک شوند، باید بر نیروی دفع الکترومغناطیسی غلبه نمایند که مستلزم دمایی حدود 150 میلیون درجه سانتی گراد است؛ یعنی ده برابر داغ تر از هسته خورشید. در این دما، ماده به حالت پلاسما (Plasma) در می آید. از آنجا که هیچ ظرف فیزیکی نمی تواند این دما را تحمل کند، دانشمندان از محصورسازی مغناطیسی (Magnetic Confinement) در دستگاه هایی به نام توکامک (Tokamak) یا محصورسازی لیزری (Inertial Confinement) استفاده می نمایند. بهره وری کنونی هنوز در مرحله گذار از نقطه سربه سر (Breakeven) است؛ یعنی تازه داریم به مرحله ای می رسیم که انرژی فراوریی بیش از انرژی مصرفی برای گرم کردن پلاسما باشد.

03

پروژه ایتر و افق زمانی تحقق تجاری

پروژه بین المللی ایتر (ITER) در فرانسه، بزرگ ترین کوشش جمعی بشریت برای دستیابی به این فناوری است. با مشارکت کشورهای قدرتمند، این راکتور بزرگ در حال ساخت است تا ثابت کند همجوشی در مقیاس صنعتی امکان پذیر است. با این حال، پیش بینی های واقع بینانه نشان می دهند که احتمالاً تا دهه 2040 میلادی شاهد اتصال اولین نیروگاه های آزمایشی به شبکه برق نخواهیم بود. بنابراین، در حالی که نسل کنونی زیرساخت ها را می سازد، نسل بعدی اولین کسانی خواهند بود که از برق مقرون به صرفه و تمام نشدنی همجوشی استفاده می نمایند. این انتقال تدریجی است و ناگهانی نخواهد بود.

04

زلزله در اقتصاد کشورهای صادرنماینده نفت

ظهور انرژی همجوشی، حکم یک زلزله مالی را برای کشورهای متکی به سوخت های فسیلی دارد. وقتی هزینه فراوری برق به سمت صفر میل کند، تقاضا برای نفت و گاز به شدت کاهش می یابد و تنها محدود به صنایع پتروشیمی می گردد. کشورهای فراورینماینده نفت اگر نتوانند اقتصاد خود را متنوع نمایند، با بحران های بزرگ بودجه ای و اجتماعی روبرو خواهند شد. در مقابل، قدرت مالی از کشورهای دارای منابع زیرزمینی به کشورهای صاحب فناوری منتقل می گردد. این یک بازتعریف کلی در مفهوم ژئوپلیتیک انرژی ایجاد خواهد نمود.

05

شکاف فناورانه؛ استعمار تازه در لباس انرژی

یکی از نگرانی های جدی جامعه شناسان، ایجاد یک شکاف دیجیتال و انرژی است. کشورهایی که توانایی ساخت و نگهداری راکتورهای همجوشی را دارند، به منبع ثروتی دست می یابند که قابل رقابت نیست. کشورهای در حال توسعه ممکن است مجبور شوند برای دهه ها حق نشر استفاده از این فناوری را خریداری نمایند که نوعی وابستگی نوین ایجاد می نماید. با این حال، اگر این فناوری به صورت یک میراث بشری (Human Heritage) مدیریت گردد، می تواند فقر مطلق را در دنیا ریشه کن کند؛ چرا که آب شیرین کن ها و سیستم های کشاورزی صنعتی با انرژی مقرون به صرفه، مشکل غذا و آب را حل خواهند کرد.

06

تغییر چهره فناوری؛ از پروازهای فضایی تا شهرسازی

انرژی تقریبا نامحدود، محدودیت های فعلی مهندسی را از بین می برد. در حوزه فضایی، موتورهای همجوشی (Fusion Propulsion) می توانند زمان سفر به مریخ (Mars) را از ماه ها به هفته ها کاهش دهند. در روی زمین، بازیافت کامل زباله ها که به انرژی بسیار زیادی احتیاج دارد، مالی می گردد. شهرهای آینده می توانند سیستم های تهویه مطبوع بزرگ و گلخانه های عمودی داشته باشند که در تمام طول سال غذای تازه فراوری می نمایند. در واقع، بسیاری از فناوری هایی که امروزه به علت مصرف بالای انرژی غیرمالی هستند، به استانداردهای روزمره تبدیل خواهند شد.

07

سوءبرداشت های تاریخی؛ چرا همواره 30 سال تا همجوشی فاصله داریم؟

یک جوک قدیمی در دنیای فیزیک وجود دارد که می گوید: همجوشی همواره 30 سال با ما فاصله دارد. این خوش بینی بیش از حد در دهه های 1950 و 1960 میلادی ناشی از عدم درک پیچیدگی های رفتار پلاسما بود. پلاسما به شدت ناپایدار است و مانند حبابی لغزنده در دستان مغناطیسی دانشمندان بازی می نماید. امروزه با یاری هوش مصنوعی (Artificial Intelligence) و ابرکامپیوترها، ما توانسته ایم رفتار پلاسما را شبیه سازی و کنترل کنیم. بنابراین، برخلاف گذشته، وعده فعلی بر پایه محاسبات دقیق تری است، هرچند چالش های مهندسی مواد برای تحمل تابش های نوترونی همچنان پابرجا است.

08

همجوشی در فرهنگ عامه؛ از مرد آهنی تا سفرهای ستاره ای

سینما و ادبیات تخیلی نقش مهمی در زنده نگه داشتن رؤیای همجوشی داشته اند. راکتور آرک (Arc Reactor) در فیلم های مارول (Marvel) که انرژی لباس مرد آهنی (Iron Man) را تامین می نماید، در واقع تصویری فانتزی از همجوشی سرد یا فشرده است. در مجموعه پیشتازان فضا (Star Trek)، موتورهای همجوشی زیربنای تمدن بشری برای خروج از منظومه شمسی هستند. این بازتاب های فرهنگی نشان دهنده اشتیاق جمعی ما برای غلبه بر محدودیت های فیزیکی و رسیدن به عصری است که در آن انرژی دیگر یک کالای کمیاب نیست بلکه یک حق طبیعی محسوب می گردد.

09

امنیت و پایداری؛ خاتمه جنگ های انرژی

بسیاری از منازعات تاریخی و معاصر ریشه در دسترسی به منابع انرژی دارند. همجوشی هسته ای به علت استفاده از سوخت هایی که در آب دریا به وفور یافت می شوند، می تواند به جنگ های انرژی خاتمه دهد. از نظر ایمنی، برخلاف راکتورهای شکافت که خطر ذوب شدن قلب راکتور (Meltdown) را دارند، راکتور همجوشی در صورت بروز اختلال به سادگی خاموش می گردد. بعلاوه، مواد رادیواکتیو فراوری شده در بدنه راکتور، نیمه عمر کوتاهی دارند و پس از چند ده سال کاملاً بی خطر می شوند که در مقایسه با هزاران سال در روش های فعلی، یک پیروزی بزرگ برای محیط زیست است.

10

بخش فنی؛ اعداد و ارقام کلیدی که باید بدانید

برای درک بهتر شرایط فعلی، نگاهی به این حقایق فنی بیندازید:

• دمای مورد احتیاج: حدود 150،000،000 درجه سانتی گراد برای غلبه بر نیروی کولنی (Coulomb Force).
• فاکتور بهره وری (Q): هدف پروژه ایتر رسیدن به Q=10 است؛ یعنی فراوری 500 مگاوات توان در برابر 50 مگاوات ورودی.
• چگالی انرژی: یک گرم سوخت همجوشی معادل 8 تن نفت انرژی فراوری می نماید.
• مدت زمان پایداری: رکورد فعلی محصورسازی پلاسما در دماهای بالا تنها چند دقیقه است و باید به حالت مداوم (Steady State) برسد.

11

سرمایه گذاری خصوصی؛ ورود میلیاردرها به بازی بزرگ

در سال های اخیر، تغییر مهمی اتفاق افتاده است: ورود سرمایه های خصوصی سنگین. شرکت هایی مانند هلین (Helion) و سی اف اس (CFS) با حمایت میلیاردرهایی چون بیل گیتس (Bill Gates) و جف بزوس (Jeff Bezos) در حال کار روی راکتورهای کوچک تر و مقرون به صرفه تر هستند. این رقابت بخش خصوصی با پروژه های دولتی مثل ایتر، می تواند سرعت رسیدن به نتیجه را به شدت افزایش دهد. بعضی از این شرکت ها ادعا می نمایند که تا خاتمه دهه جاری میلادی می توانند نمونه های اولیه تجاری خود را آزمایش نمایند که در صورت موفقیت، تمام پیش بینی های زمانی قبلی را تغییر خواهد داد.

12

چالش اخلاقی و جامعه شناختی؛ وفور نعمت یا بحران معنا؟

دسترسی به انرژی بی خاتمه، سوالات عمیقی را پیش می کشد. در دنیایی که کار و کوشش برای تامین احتیاجهای اولیه به حداقل می رسد، جوامع با چه چالشی روبرو خواهند شد؟ از دیدگاه روان پزشکی و جامعه شناسی، این وفور نعمت می تواند منجر به نوعی بحران معنا گردد یا برعکس، پتانسیل های انسانی را برای هنر، دانش و اکتشاف آزاد کند. مدیریت این گذار نه تنها یک وظیفه فنی، بلکه یک ماموریت بزرگ سیاسی و اخلاقی است تا اطمینان حاصل گردد که میوه های همجوشی به شکلی عادلانه در سراسر سیاره تقسیم می شوند.

پرسش های متداول درباره همجوشی هسته ای

آیا همجوشی هسته ای خطر انفجار شبیه بمب اتمی دارد؟

خیر؛ فرآیند همجوشی بسیار حساس است و اگر شرایط محیطی تغییر کند، واکنش فوراً متوقف می گردد. برخلاف شکافت هسته ای، در اینجا جرمی بحرانی وجود ندارد که باعث انفجار زنجیره ای کنترل نشده گردد.

تفاوت سوخت همجوشی با سوخت های فسیلی در چیست؟

سوخت اصلی همجوشی از آب دریا و لیتیوم استخراج می گردد که برای میلیون ها سال تامین نماینده احتیاج بشر خواهد بود. این سوخت هیچ گونه گاز گلخانه ای (Greenhouse Gas) فراوری نمی نماید.

چرا با وجود انرژی خورشیدی به همجوشی احتیاج داریم؟

انرژی خورشیدی و بادی متناوب هستند و به شرایط جوی بستگی دارند. همجوشی می تواند به عنوان منبع انرژی پایه (Base Load) عمل کند که در تمام ساعات شبانه روز و در هر مکانی، بدون احتیاج به باتری های بزرگ، برق فراوری می نماید.

دکتر علیرضا مجیدی

پزشک، نویسنده و بنیان گذار وبلاگ خبرنگاران

دکتر علیرضا مجیدی، نویسنده و بنیان گذار وبلاگ خبرنگاران .

با بیش از 20 سال نویسندگی ترکیبی مستمر در زمینهٔ پزشکی، فناوری، سینما، کتاب و فرهنگ.

باشد که با هم متفاوت بیاندیشیم!

دربارهٔ علیرضا مجیدی در خبرنگاران

مطالب مرتبط

انرژی روزانه به دست آمده از باد در آمریکا برای اولین بار از انرژی زغال سنگ و انرژی…

همجوشی هسته ای چیست و چه تفاوتی با شکافت هسته ای دارد؟

رآکتورهای همجوشی هسته ای تازه لاکهید مارتین، تحولی در شیوه دستیابی به انرژی بشریت

وزارت انرژی آمریکا اولین دستاورد بزرگ و امیدوارنماینده همجوشی هسته ای را خاطرنشان کرد

همجوشی هسته ای میلیارد درجه ای هیدروژن-بور تا اوایل دهه 2030 ممکن می گردد؟

باتری تازه تسلا رویای فراوری انرژی در گاراژ خانه ها را تحقق بخشید