چرا مهار اینرسی کلید انرژی همجوشی هسته‌ای است؟

در 5 دسامبر 2022، تأسیسات ملی احتراق (NIF) در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) با فراتر رفتن از آستانه احتراق و تولید 3.15 مگاژول (MJ) انرژی همجوشی، به نقطه عطف بزرگی دست یافت. NIF با وارد کردن 2.05 مگاژول انرژی به سیستم، اولین دستاورد در زمینه به‌دست آوردن انرژی از یک سیستم انرژی همجوشی را به نمایش گذاشت. اما افزایش مقیاس این دستاورد برای تأمین انرژی دنیای واقعی با انرژی همجوشی، ساده‌تر از آن است که گفته می‌شود.

با توجه به اینکه کشورها به دنبال روش‌های غیر آلاینده برای تأمین انرژی اقتصاد خود هستند، سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر در سال‌های اخیر تقویت شده‌اند. در حالی که این سیستم‌ها می‌توانند بدون هیچ گونه انتشار کربن، برق تولید کنند، ماهیت متناوب آنها همچنین نیاز به نصب راه حل‌های ذخیره سازی انرژی در مقیاس بزرگ دارد که باعث افزایش هزینه‌ها و پیچیدگی‌های امنیت انرژی می‌شود.

برای انتقال ساده‌تر به انرژی پاک‌تر، به منبعی مداوم و با قابلیت مقیاس‌پذیری آسان نیاز داریم و همجوشی هسته‌ای پتانسیل ایفای این نقش را دارد. در حالی که دستاورد NIF در سال 2022 لحظه سرنوشت سازی در تاریخ انرژی همجوشی بود، هنوز از تبدیل این فناوری به یک فناوری تجاری مقرون به صرفه فاصله زیادی دارد.

نقش اصلی NIF توسعه انرژی همجوشی نیست.

عدم دامنه NIF

NIF بخشی از اداره امنیت هسته‌ای ملی (NNSA)، یک آژانس نیمه مستقل در داخل وزارت انرژی است. این آژانس که در سال 2000 تأسیس شد، وظیفه امنیت ملی را بر عهده دارد، عمدتاً با حفظ یک انبار هسته‌ای ایمن و قابل اعتماد و پیشرانه هسته‌ای برای نیروی دریایی ایالات متحده.

بخشی از ابتکار تحقیق آن، توسعه فناوری‌های تحول‌آفرین مانند همجوشی هسته‌ای است. با این حال، توسعه یک فناوری همجوشی هسته‌ای تجاری مقرون به صرفه فراتر از دامنه NNSA است.

بنابراین، در حالی که NIF دستاوردهای انرژی بیشتری را از همجوشی هسته‌ای پس از سال 2022 نشان داده است، تقریباً خروجی را به 5.2 مگاژول دو برابر کرده است، آزمایش‌های این آزمایشگاه محدود به بهبود انرژی لیزر و افزایش دستاوردهای انرژی است و بر تولید خروجی پیوسته و قابل اطمینان برق متمرکز نیست.

انرژی همجوشی

برای تولید انرژی در مقیاس بزرگ از طریق همجوشی، دانشمندان به دنبال تکرار شرایط واکنش خورشید هستند. همجوشی در دماهای بالای 10 میلیون درجه سانتیگراد در حالت ماده‌ای به نام پلاسما رخ می‌دهد که حاوی یون‌های داغ و باردار و الکترون‌های آزاد است.

در این دماها، هسته‌های اتمی بر دافعه الکتریکی خود غلبه می‌کنند و می‌توانند با هم ترکیب شوند و مقادیر زیادی انرژی آزاد کنند. با این حال، برای انجام این کار، هسته‌ها باید در فضاهای بسیار کوچکی محدود شوند، به طوری که نیروهای جاذبه بر نیروهای دافعه غلبه کنند. این امر می تواند از طریق مهار مغناطیسی یا مهار مبتنی بر لیزر به دست آید.

در سال های اخیر، بیشتر صحبت ها در مورد افزایش مقیاس همجوشی هسته ای حول محور راکتور توکامک بوده است که از مهار مغناطیسی اتم ها در پلاسما استفاده می کند. ITER، بزرگترین راکتور همجوشی هسته ای جهان که در فرانسه در حال ساخت است، نیز از مهار مغناطیسی پلاسما استفاده می کند. با این حال، این رویکرد هنوز هیچ دستاورد انرژی ارائه نکرده است.

در مقابل، مهار مبتنی بر لیزر، یا مهار اینرسی مورد استفاده NIF، به طور مکرر دستاوردهای انرژی را نشان داده است و از این رو، پیشنهاد جذابی برای تجاری سازی انرژی همجوشی است.

الکس والیس، بنیانگذار و مدیرعامل Xcimer Energy، در ایمیلی به Interesting Engineering توضیح داد: «مهار لیزری نسبت به مهار مغناطیسی، ریسک فیزیکی به طور قابل توجهی کمتری دارد، زیرا فیزیک بحرانی قبلاً به صورت تجربی نشان داده شده است.»

«جدا از این، حتی اگر مهار مغناطیسی در نهایت به اثبات برسد، سیستم‌های مهار مغناطیسی ممکن است برای بهره برداری تجاری بیش از حد پیچیده و پرهزینه باشند.»

«اجزای یک سیستم مهار لیزری به این معنی است که یک سیستم مهار لیزری احتمالاً برای توسعه، تولید و بهره برداری تجاری ارزان تر خواهد بود.»

Focused Energy یکی از استارت‌آپ‌هایی است که برای بهبود کار NIF تلاش می‌کند.

بهبود مهار اینرسی

رویکرد آزمایشی NIF بر کارایی متمرکز نیست، زیرا برای مأموریت امنیت ملی خود مورد نیاز نیست. تنظیمات آن می تواند چند شلیک لیزری در روز انجام دهد. با این حال، Focused Energy قصد دارد 10 شلیک در ثانیه انجام دهد.

اسکات مرسر، مدیرعامل Focused Energy، در ایمیلی به Interesting Engineering گفت: «برای اینکه این موضوع را درک کنید، NIF حدود 400 شلیک در سال انجام می دهد و Focused Energy قادر خواهد بود 400 شلیک را در کمتر از یک دقیقه انجام دهد.»

رویکرد این شرکت از رویکرد NIF از یک جهت مهم متفاوت است. NIF از یک درایو غیر مستقیم استفاده می کند که در آن یک پوسته استوانه ای توخالی به نام هولاروم برای فشرده سازی و گرم کردن سوخت با لیزر استفاده می شود. مرسر اظهار می دارد که این یک رویکرد ناکارآمد برای دستیابی به دستاوردهای انرژی بالا است.

در عوض، Focused Energy از یک رویکرد درایو مستقیم استفاده می‌کند که توسط آزمایشگاه انرژی‌های لیزری (LLE)، یک آزمایشگاه ملی ایالات متحده در دانشگاه روچستر، توسعه داده شده است.

مرسر در این ایمیل افزود: «در این فرآیند، ما کره‌های کوچک 4 میلی متری سوخت دوتریوم-تریتیوم را می گیریم و مستقیماً با لیزر به آنها ضربه می زنیم تا آنها را فشرده کنیم. این یک هدف ساده تر و یک فرآیند کارآمدتر است که می تواند انرژی بسیار بیشتری را نسبت به درایو غیرمستقیم آزاد کند.»

این شرکت همچنین در تلاش است تا سیستم لیزری مورد استفاده برای هدف همجوشی را افزایش دهد. بازدهی 10-15 درصد برای انرژی همجوشی در مقیاس تجاری ضروری است.

مرسر در مورد رویکرد خود گفت: «لیزرهایی که NIF استفاده می کند سیستم های آنالوگ هستند که از لامپ ها و لامپ های فلاش استفاده می کنند که تقریباً 0.5٪ بازده انرژی دارند. ما در حال انتقال به یک سیستم حالت جامد هستیم که در آن به جای لامپ های فلاش از دیود استفاده می کنیم. این لیزرها تقریباً 10-15٪ بازده انرژی دارند.»

Xcimer Energy مستقر در کلرادو، یکی دیگر از استارت آپ هایی است که برای بهبود راندمان لیزر کار می کند. همانطور که از نامش پیداست، این استارت آپ از لیزرهای فرابنفش اکسیمر استفاده می کند که نور تک رنگ با انرژی بالا را برای مهار اینرسی ساطع می کنند. این رویکرد به طور گسترده در آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی دریایی در واشنگتن دی سی، در کنار فرآیندهای نوری خطی غیر نوری برای فشرده سازی پالس آزمایش شده است.

الکس والیس، بنیانگذار و رئیس Xcimer Energy، در ایمیلی به IE گفت: «مزیت اصلی این رویکرد، کاهش چشمگیر مقدار نوری دقیق مورد نیاز است که هزینه لیزر را کاهش می دهد و لیزر بزرگتر و با انرژی بالاتر را از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می کند.»

این شرکت همچنین به دنبال کاهش هزینه های سیستم های مهار اینرسی با استفاده از جریان نمک لیتیوم مایع (Flibe) برای محافظت از دیوارهای سازه در برابر نوترون ها است. این می تواند به جلوگیری از نیاز به تعویض دیوار سازه هر چند سال یکبار کمک کند، در نتیجه با استفاده از سیستم های مهار اینرسی، اقتصاد برتری ارائه می دهد.

آیا زمان تجاری شدن فرا رسیده است؟

در حالی که NIF در دسامبر 2022 به دستاورد خالص انرژی، که به عنوان Q اندازه گیری می شود، 1.54 دست یافت، هم Focused Energy و هم Xcimer بر این باورند که رویکردهای آنها می تواند در آینده نزدیک دستاوردهای خالص انرژی بسیار بالاتری را ارائه دهد.

Focused Energy قصد دارد در یک نیروگاه آزمایشی آینده به سود 25 دست یابد و در عین حال تا زمانی که فناوری آن به سطح تجاری برسد، این میزان را به بیش از 75 افزایش دهد. Xcimer به همان اندازه بلندپروازانه است و قصد دارد در آینده نزدیک به سود علمی 150 دست یابد. مدیرعامل این شرکت افزود که این امر به مقدار Q 10 تبدیل می شود.

برنامه‌های Focused Energy شامل یک کارخانه آزمایشی در مقیاس کامل به نام Lighthouse تا اواسط دهه 2030 است، جدول زمانی که Xcimer نیز برای کارخانه در مقیاس کامل خود دارد. اما با توجه به اینکه تنها تاسیسات بزرگ دستاوردهای انرژی را نشان می دهند، آیا برای انتخاب مسیر تجاری در انرژی همجوشی خیلی زود است؟

والیس استدلال می کند: «ما با این مشخصه مخالفیم. همجوشی در این مرحله موضوع چندین دهه توسعه و تحقیق بوده است و همجوشی اینرسی لیزری توسط آزمایشگاه های ملی ایالات متحده از دهه 1970 دنبال شده است. با بهره برداری موفقیت آمیز از تاسیسات ملی احتراق، اکنون زمان طبیعی برای خارج کردن این فناوری از آزمایشگاه و وارد کردن آن به واقعیت تجاری است.»

مرسر افزود: «تحقیق و توسعه همجوشی در دسامبر 2022 به نقطه عطف بزرگی دست یافت و نشان داد که همجوشی تجاری نه تنها امکان پذیر است، بلکه در کوتاه مدت نیز قابل دستیابی است. اکنون، همجوشی از قلمرو داستان های علمی تخیلی به قلمرو علم و مهندسی منتقل شده است.»