همجوشی هسته‌ای فرآیندی به درازای عمر خورشید

سامانه همجوشی هسته‌ای، سطح عالی از نمود خلاقیت شجاعانه در این دو محقق است که هم‌اکنون در قالب پروژه‌ای پیش ساخته و در ابعاد کوچک متبلور شده است. این پروژه در حالی کلید خورده است که از چند دهه پیش استفاده از همجوشی هسته‌ای به عنوان یاری‌رسان مطمئن و تقریبا دائمی در تامین منابع مورد نیاز انرژی برای بشر، نزد دانشمندان به عنوان اصلی پذیرفته شده به حساب می‌آمده است؛ اما پیاده کردن طرح‌های موجود آن هم با هزینه‌ای کم و رعایت عالی‌ترین سطوح استاندارد، همواره به عنوان موانع چالشی خودنمایی کرده‌اند. اکنون مدل ارائه شده از سوی لابرگ و همکارش می‌تواند پایانی بر این دو چالش بزرگ باشد.

ماشینی که بی‌شباهت به دستگاه شکنجه نیست!

بر اساس طرح کلی که اساس آن روی تک‌برگ کوچکی ترسیم شده و روی دیوار اتاق کار این دو محقق نصب شده است، چشم‌انداز ساخت این ماشین شباهت زیادی به نوعی دستگاه شکنجه دارد که در قرون وسطی به کار گرفته می‌شده است. این ماشین پیچیده شامل توپی فلزی است که از همه طرف با میله‌های فلزی احاطه و به وسیله دو سیلندر طولانی نیز به دو نیم تقسیم شده است. سازه‌ای که این محققان ارائه می‌کنند، بزرگ اما نه چندان عظیم است و ابعاد آن را می‌توان حدودا 10 برابر یک ربات کوچک انسان‌نما متصور شد. آنچه لابرگ در اتاق کار خود و با بودجه قابل توجه 2 میلیون دلاری در حال پیاده کردن آن است، در حقیقت یک تاسیسات برق همجوشی هسته‌ای است. لابرگ می‌گوید: این ایده شاید در نگاه اول کمی دیوانه‌وار به نظر بیاید اما حقیقتا دور از دسترس نیست. این محقق در ادامه این نکته را تایید می‌کند که از نگاه بسیاری از محققان دانشگاهی و مراکز دولتی کشورهای مختلف جهان، همجوشی هسته‌ای چالشی بزرگ و شاید دست‌نیافتنی است. اما باید پذیرفت که بی‌دلیل برچسب نادرستی به آن زده‌اند و تصویر غلطی از همجوشی هسته‌ای ارائه شده است که می‌گوید تا 20 سال آینده نیز تحقق آن به عنوان دستیابی بشر به منبع بی‌پایان انرژی عملی نخواهد شد. بی‌شک چنین نگرشی هیچ کمکی به بشر نخواهد کرد و تنها رهاورد آن درجا زدن خواهد بود.

لابرگ فناوری مورد نظر خود را این‌گونه تشریح می‌کند: این روشی است که به همجوشی هدف مغناطیسی شناخته شده است و فرآیندی است که طی آن پلاسمای به دام افتاده در میدان مغناطیسی به سرعت فشرده شده تا همجوشی صورت گیرد. بی‌شک این فناوری تحقق خواهد یافت زیرا در عین حال که نسبتا کم هزینه است، ابعاد ساختاری منطقی و نه‌چندان جاگیری دارد. لابرگ می‌گوید اگر بین 6 تا 10 سال زمان، چند‌‌صد‌میلیون دلار به وی و شرکتش یعنی همجوشی عمومی داده شود، او تاسیسات تولید الکتریسیته به روش همجوشی هسته‌ای را ارائه خواهد کرد.

درصورتی‌که ایده لابرگ به نتیجه برسد، دنیای بشری از مزایایی قابل توجه و حتی غیرقابل تصور بهره‌مند خواهد شد: منبع تولید انرژی ارزان قیمت و تقریبا بی‌انتها آن هم بدون محصولات جانبی و خطرناک شیمیایی و تنها زباله‌های رادیواکتیویته‌ای که عمر بسیار کوتاهی دارند. از آن گذشته هرگز نباید انتظار تکرار فاجعه‌ای همچون چرنوبیل را در سر داشت. به عقیده کارشناسان اهمیت کار لابرگ تا آنجاست که در صورت رسیدن به نتیجه مورد نظر، او را باید به عنوان برنده جایزه نوبل معرفی کرد و شاید این کمترین تشکر از وی باشد.

صحبت کردن درباره هزینه تحقیقات روی این پروژه یکی از چالش برانگیزترین بخش‌های تلاش لابرگ بوده است. در کنار این نکته، امکانات و تجهیزات، فضای کافی و منابع انسانی نیز قابل توجه بوده‌اند. البته این موارد برای اداره یک شرکت تحقیقاتی ضروری هستند اما برخی از آنها برای دانشمندی همچون لابرگ که با هر نوع عامل حواس‌پرتی مخالف است، فاکتورهایی آزاردهنده به حساب می‌آیند.

لابرگ و شریک تجاری‌اش یعنی داگ ریچاردسون که او نیز به مطالعه فیزیک می‌پردازد بیش از 11 سال همکاری تحقیقاتی نزدیکی داشته‌اند و اکنون در زمینه ارائه مهم‌ترین دستاورد آن یعنی سامانه همجوشی هسته‌ای همکاری می‌کند. این تلاش آغاز شد و تا 4 سال ادامه یافت و در این مدت شکست‌های متعددی نصیب لابرگ شد و در عین حال بالغ بر 800 هزار دلار نیز هزینه کرد تا ایده‌اش محقق شد.

قلب این سامانه یک توده کروی فولادی است که به اندازه توپ بسکتبال بوده و چند میله آن را احاطه کرده است. ترکیب این اجسام تداعی‌کننده کلاه‌های جمجمه‌ای است که در فیلم‌های علمی تخیلی قدیمی دیده می‌شد. میله‌ها در ادامه به دو‌‌سری خازن متصل شده‌اند و در نهایت کل سامانه به گونه‌ای سیم‌پیچی شده است که تداعی‌کننده یک دستگاه شکنجه بزرگ قرون وسطایی است!

لابرگ در آغاز پروژه‌اش در سال 2006 ثابت کرد با استفاده از موج شوک‌آور که به وسیله پالس بزرگی از الکتریسیته تولید شده و برای اهداف آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد، می‌توان برای فشرده‌سازی سریع مقادیری محدود و کمی از پلاسما که برای ایجاد همجوشی هسته ای کافی است، می‌توان استفاده کرد. این همجوشی هرچند بسیار ناچیز است اما با ارائه آن، گویی کلید معمایی بزرگ پیدا شده است. در جایی که برای متلاشی‌‌شدن پلاسما در آزمایش‌های تجربی فعلی از سامانه‌های پر مصرف الکتریکی و پرهزینه استفاده می‌شود، لابرگ طیفی از چکش‌های گازی را ابداع کرده است که با پوسته خارجی خازن پلاسما برخورد کرده و موج شوک‌آور مورد نظر را تولید می‌کند. در حقیقت این خلاقیت به عنوان نقطه تمایز ایده لابرگ و فناوری‌های پرهزینه فعلی به حساب می‌آید.

اما باید پذیرفت تا تحقق ایده و طرح پیش ساخته لابرگ به واقعیت کاربردی یعنی تولید انبوه الکتریسیته فاصله زیادی وجود دارد. او می‌گوید: این دستگاه در حال حاضر انرژی تولید نمی‌کند بلکه صحبت از تولید تنها 100‌کیلوژول انرژی است و شاید بهتر باشد بگویم تولید تنها یک نانوژول انرژی! اما مهم این است که توانسته‌ایم ثابت کنیم توسعه این فناوری و خرد‌کردن پلاسما فرآیندی فوق‌العاده ارزشمند است که نتیجه‌ای جز خارج کردن نوترون‌های همجوشی نداشته است. نوترون‌ها را می‌توان به عنوان نشانی روشن از یک واکنش همجوشی دانست و از این رو این دستاورد نقطه آغازین امیدوارکننده‌ای برای دستیابی بشر به منبع تقریبا بی‌انتهای انرژی به‌‌حساب می آید.

ریچارد سیمون، استاد فیزیک دانشگاه نوادا و مدیر سابق مرکز تحقیقات همجوشی در آزمایشگاه ملی لس‌آلامس آمریکا معتقد است: برای تولید سوخت مورد نظر باید آنچه را که در ستارگان روی می‌دهد شبیه‌سازی کنیم. ایزوتوپ‌های هیدروژن که به عنوان سوخت به‌کار گرفته می‌شوند باید در دمای 270 میلیون درجه فارنهایت نگهداری شوند. در ادامه نیز باید پلاسما فشرده شود. همان‌طور که احتمالا می‌توان متصور شد، دستیابی به چنین شرایطی به حجم خیره‌کننده از الکتریسیته و همچنین تجهیزات و ساختارهای لازم نیاز دارد و یا این‌که باید جایگزینی برای فشرده‌سازی پلاسما پیدا کرد، چیزی شبیه ایده لابرگ. در حقیقت لابرگ با ارائه ایده خود در نظر دارد با صرف هزینه و الکتریسیته کمتر، همجوشی هسته‌ای مؤثری ارائه کند و به محض تحقق این فاز، می‌تواند سامانه‌های مختلف خود را نیز راه‌اندازی کند.

در فناوری مورد نظر لابرگ، از عناصر دوتریوم و تریتیوم به عنوان سوخت‌هایی استفاده می‌شود که در طبیعت به وفور وجود داشته و قیمت چندانی هم ندارند. دوتریوم ایزوتوپی از هیدروژن است که در آب دریا به وفور پیدا می شود. بر روی کاغذ می توان این گونه محاسبه کرد که یک گالن آب دریا انرژی بالقوه‌ای معادل 30 گالن بنزین دارد. تریتیوم نیز نسبتا رادیواکتیویته بوده و طول عمر 12 ساله‌‌ای دارد بنابراین پیدا کردن آن کمی سخت است اما جای نگرانی چندانی وجود ندارد؛ چون می‌توان آن را از لیتیوم استخراج کرد. از آن گذشته کانادا که فاصله چندانی تا آنها ندارد به عنوان سرزمینی شناخته شده است که بزرگ‌ترین ذخایر تریتیوم جهان در آن وجود دارد.

سامانه ابداعی لابرگ از نظر شکل ظاهری و ابعاد بی‌شباهت به لوله توپ کشتی‌ها نیست. در حقیقت این نخستین پیستونی است که به عنوان مدل پیش‌ساخته و آزمایشی سامانه همجوشی هسته‌ای اصلی ارائه شده است. بر اساس برآوردهای صورت گرفته رآکتور اصلی که در آینده ساخته خواهد شد شامل 200 دستگاه از این مدل خواهد بود که هر یک بالغ بر 110 کیلوگرم وزن دارند. در دل هر یک از این 200 بخش مشابه هم، پیستون‌هایی قرار دارد که حدود 11 کیلوگرم وزن داشته و در هر ثانیه یک بار به صورت همزمان و با ضریب دقت خیره‌کننده‌ای حرکت شتابدار خود را انجام می‌دهند تا به این ترتیب موج شوک‌آور مورد نظر تولید و همجوشی هسته‌ای با موفقیت انجام شود.

ماشینی که زندگی بشر را نجات می‌دهد

به نظر بسیاری از ناظران، همجوشی هسته‌ای رویایی است که در آینده محقق خواهد شد؛ اما حقیقت چیز دیگری است. داستان همجوشی هسته‌ای قدمتی به درازای طول عمر خورشید دارد. در فرآیندی طبیعی دو یون با یکدیگر برخورد می‌کنند. شدت این برخورد تا به آن حد است که دفع الکترواستاتیکی میان آنها می‌شکند. در نتیجه یون‌ها اتم سنگین‌تری را تولید و انرژی هنگفتی را در قالب گرما آزاد می‌کنند. اما در آزمایش‌هایی که در محیط‌های آزمایشگاهی انجام می‌گیرد، عقیده بر این است که طی واکنشی دست‌ساز حرارت مورد نظر تولید شده و در ادامه به وسیله مبادله‌کننده حرارتی به دام می‌افتد تا در نهایت بخار لازم تولید و از آن برای راه‌اندازی توربین بزرگی استفاده می‌شود.

ابتدایی‌ترین آزمایش‌های همجوشی به تحقیقات دهه 30 میلادی در دانشگاه کمبریج بازمی‌گردد اما در دهه 50 و در جریان دوران جنگ سرد شتاب قابل توجهی پیدا کرد و آن زمانی بود که آمریکا و شوروی سابق بشدت به فرآیند همجوشی تسلیحاتی علاقه‌مند شده بودند. در سال 1952 میلادی محققان در آمریکا نشان دادند که از همجوشی می توان به عنوان هسته تسلیحات مخرب استفاده کرد. آزمایش نخستین بمب هیدروژنی در یکی از جزایر واقع در اقیانوس آرام نتیجه این تحقیقات بود. در حال حاضر چندین آزمایش همجوشی در گوشه و کنار جهان انجام می‌شود و تفاوت‌های موجود میان آنها مربوط به چگونگی استفاده از پلاسما در آنهاست. اما در هر حال به نظر می‌رسد که اعتماد کردن به ایده لابرگ نباید کار چندان سخت و پیچیده‌ای باشد.

این ایده و ایده‌های پراکنده مشابه درحالی ارائه می‌شوند که جهان با بحران بی‌سابقه انرژی روبه‌روست و نشانه‌های آن نیز از هم اکنون در برخی جوامع دیده می‌شود. بر اساس برآوردهای صورت گرفته، تقاضای جهانی برای برق در حال حاضر بالغ بر 4000 گیگاوات است و پیش‌بینی می‌شود این رقم در سال 2030 به 7000 گیگاوات افزایش یابد. در این میان نباید این حقیقت را از یاد برد که منابع فعلی هرگز پاسخگوی این نیاز نجومی نخواهد بود. از این رو به ایده لابرگ به عنوان شانسی بزرگ برای پر کردن این شکاف نگریسته می شود. لابرگ نیز معتقد است: مردم از هر قشری که هستند، سیاستمدار، تاجر و هنرمند... باید به سامانه همجوشی هسته‌ای و تحقق ایده اصلی آن ایمان داشت.

مهدی کیا