گزارش ویژه‌ی تایم: انرژی بی‌نهایت، برای همیشه، برای همه (بخش اول)

در یکی از پارک‌های فناوری «اورنج کانتی» (Orange County) ایالت کالیفرنیا، ساختمان بزرگ و سفید رنگی خود نمایی می‌کند. در این ساختمان، یک ماشین جادویی قرار دارد که بر خلاف ماهیت شگفت‌انگیزش، ظاهری چنان معمولی دارد که حتی راهنمای من نیز آن را گم می‌کند. برای یافتن آن، باید به دنبال چند نشانه باشیم؛ نشانه‌هایی مثل یک برج پر از نیتروژن مایع و سازه‌ای آلونک مانند که درون آن «چرخ‌های لنگرهایی» (Flywheel) برای ذخیره‌ی انرژی جای گرفته است. این ماشین به اندازه‌ی یک خانه‌ی کوچک است؛ با این حال وقتی روشن می‌شود، چنان مصرف انرژی زیادی دارد که می‌تواند منجر به قطعی برق در کل منطقه‌ی اورنج کانتی شود. به همین دلیل ژنراتوری به صورت جداگانه برای آن ساخته شده است. جالب این‌جاست که به دلیل خاصیت مغناطیسی خیلی زیاد آهن و جلوگیری از بوجود آمدن مشکل، همه‌ی میلگرد‌های آهنی «پی» این ساختمان، با میلگردهایی از جنس فولاد ضد زنگ تعویض شده‌اند‌. این ماشین چیزی نیست جز، یک مدل آزمایشی از رآکتور همجوشی هسته‌ای است. 

استارتاپ‌های کوچک، موتور محرک پژوهش‌ها در زمینه‌ی همجوشی‌ هسته‌ای

شرکتی کوچک به نام «تری آلفا انرژی» (Tri Alpha energy) این رآکتور را ساخته و وقتی به طور کامل عملیاتی بشود، دنیا را کاملا متحول می‌کند. اتفاقا عملیاتی شدن آن شاید خیلی زودتر از آن‌چه فکرش را بکنید، انجام بشود. رآکتور شرکت تری‌آلفا، تنها رآکتور همجوشی هسته‌ای جهان نیست. ده‌ها دستگاه از آن‌ها در سراسر جهان وجود دارد که در مراحل مختلف تکمیل شدن هستند. بیشتر آن‌ها را دانشگاه‌ها، شرکت‌های بزرگ و دولت‌ها می‌سازند. بزرگترین آن‌ها، «رآکتور گرما‌هسته‌ای آزمایشی بین‌المللی» (ITER) است که کنسرسیومی بین‌المللی آن را در جنوب فرانسه می‌سازد. این پروژه ۲۰ میلیارد دلار هزینه دارد و امید است که در سال ۲۰۲۷ به اتمام برسد. به طور کلی پژوهش‌‌ها در زمینه‌ی همجوشی هسته‌ای، هزینه‌بر و زمان‌بر هستند و نیروی انسانی زیادی را درگیر می‌کنند.

پروژه‌ی ITER حدود ۲۰ میلیارد دلار هزینه دارد و امید است که در سال ۲۰۲۷ به اتمام برسد

در یک دهه‌ی گذشته، مرزهای جدیدی در زمینه‌ی پژوهش همجوشی هسته‌ای گشوده شده است. همان موجی که موتور محرک استارت‌آپ‌ها و نوآوری‌های دنیای امروز ما شد، پژوهش‌های همجوشی را نیز فرا گرفته است. اکنون بسیاری از شرکت‌های گمنام بر روی آن کار می‌کنند و به پیشرفت‌های سریعی می‌رسند؛ پیشرفت‌هایی که فقط از دست شرکت‌های خصوصی این‌چنینی بر می‌آید. جالب است که شرکت «تری آلفا» تا همین چند ماه پیش حتی وب‌سایت هم نداشت. بودجه‌ی آن‌ها از کمک هزینه‌های دولتی پر دردسر تامین نمی‌شود، بلکه از آن سرمایه‌گذاران خصوصی می‌آید که علاقه‌ی فراوانی به ریسک کردن در زمینه‌هایی این‌چنین هیجان انگیز دارند. بسیاری از مردم حتی نام این شرکت‌های خصوصی را نشنیده‌اند، شرکت‌هایی مثل «جنرال فیوژن» (General Fusion) در کانادا و «هلیون انرژی» (Helion Energy) در آمریکا از آن جمله هستند. ولی احتمالا درباره‌ی سرمایه‌گذاران آن‌ها شنیده‌اید؛ مثل «بزوس اکسپدیشنز» (Bezos Expeditions) متعلق به مدیرعامل آمازون، «میتریل کپیتال منجمنت» (Mithril Capital Management) متعلق به «پیتر تیل» (Peter Thiel) از بنیانگذاران «پی‌پال» (PayPal) و «ولکان» (Vulcan) متعلق به «پال آلن» (Paul Allen) از بنیانگذاران مایکروسافت.

شرکت بزوس اکسپدیشنز متعلق به جف بزوس مدیرعامل آمازون، روی پژوهش‌های مرتبط با فناوری همجوشی هسته‌ای سرمایه‌گذاری می‌کند

آرزو و هدف نهایی این شرکت‌ها، چیزهای کوچکی مثل اینکه گوگل آن‌ها را بخرد نیست. آن‌ها می‌خواهند به یک منبع انرژی فوق‌العاده پاک و ارزان‌قیمت دست یابند که تبدیل به دستاوردی تاریخی برای نوع بشر شود. استفاده از انرژی همجوشی هسته‌ای به معنی پایان دادن به مصرف سوخت‌های فسیلی است و می‌تواند نوش‌دارویی برای درمان تغییرات اقلیمی دست‌ساز بشر باشد. این منبع انرژی می‌تواند کره‌ی زمین را نجات دهد و این هدف نهایی کسانی است که روی آن کار می‌کنند.

«مایکل بیندرباور» (Michael Binderbauer) یکی از بنیانگذاران و مدیر ارشد بخش فناوری شرکت تری‌آلفا است. او که ۴۶ ساله است، مدرک دکترای خود را از دانشگاه کالیفرنیا در ایروین گرفته و شخصیتی پرجذبه دارد. بیندرباور اعتماد بنفس زیادی دارد، در استدلال‌هایش کاملا منطقی است و می‌تواند ساعت‌ها برای شما درباره‌ی فیزیک پلاسما صحبت کند. احتمالا این‌ها همان ویژگی‌های شخصیتی است که صنعت همجوشی هسته‌ای به آن احتیاج دارد.

استفاده از نیروگاه‌های همجوشی هسته‌ای به معنی پایان دادن به استفاده از سوخت‌های آلاینده‌ی فسیلی است

طبق اطلاعات منبعی موثق، تری‌آلفا موفق‌ترین شرکت خصوصی در جذب سرمایه برای تحقیق در زمینه‌ی همجوشی هسته‌ای است و تا به حال توانسته صدها میلیون دلار جذب کند. هرچند که این مبلغ زیادی است، ولی نسبت به پروژه‌های عظیمی که دولت آن‌ها را تامین مالی می‌کند، ناچیز می‌نماید. تحقیق درباره‌ی امکان استحصال انرژی از فرایند همجوشی هسته‌ای، اصلا چیز جدیدی نیست. نظریه‌پردازی‌های اولیه‌ی آن به دهه‌ی ۱۹۲۰ باز می‌گردد و نخستین تلاش‌ها برای ساخت نیروگاه همجوشی هسته‌ای در دهه‌ی ۱۹۴۰ صورت گرفت. نیم‌قرن پیش هم تصور می‌شد که همجوشی می‌تواند جهان را نجات دهد. بیندرباور می‌گوید: «همه‌ی ما از اینکه بشنویم آینده‌ی انرژی جهان در قلب رآکتورهای همجوشی هسته‌ای است، هیجان‌زده می‌شویم. بنابراین وقتی کسی درباره‌ی آن صحبت می‌کند، شور و شوق فراوانی درباره‌اش ایجاد می‌شود که به نظر من خطرناک است.» (این یکی از دلایلی است که دانشمندان همجوشی هسته‌ای دوست ندارند درباره‌ی آن با روزنامه‌نگاران صحبت کنند.)

همجوشی هسته‌ای دقیقا چیست؟

بسیاری اوقات، مردم فکر می‌کنند همجوشی هسته‌ای شبیه به شکافت هسته‌ای است و این دو تفاوت کمی با یکدیگر دارند. شکافت هسته‌ای همان چیزی است که هم اکنون در نیروگاه‌های هسته‌ای مرسوم، از آن استفاده می‌کنیم. ولی همجوشی هسته‌ای پدیده‌ای کاملا متفاوت است. شکافت هسته‌ای به معنی تبدیل اتم‌های بزرگی مثل اورانیوم ۲۳۵ به اتم‌های کوچک‌تر است. این واکنش انرژی زیادی آزاد می‌کند، ولی نقاط ضعف بسیاری هم دارد. اورانیوم عنصری نادر و پایان‌پذیر است و در ضمن نیروگاه‌های هسته‌ای، گران‌قیمت و خطرناک هستند. فجایعی مثل نیروگاه چرنوبیل و فوکوشیما به ما نشان داده‌اند که نباید به نیروگاه‌های هسته‌ای اطمینان کنیم.

همجوشی هسته‌ای، واکنشی کاملا برعکس شکافت هسته‌ای است. به جای شکافتن اتم‌های بزرگ به اتم‌های کوچک، اتم‌های کوچک به یکدیگر جوش داده می‌شوند تا اتم‌های بزرگ بوجود آیند. این واکنش انرژی خیلی زیادی آزاد می‌کند، چرا که طبق نظریه‌ی نسبیت خاص انشتین، قسمتی از ماده‌ی 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.

همجوشی و شکافت هسته‌ای، فرایند‌هایی عکس یکدیگر هستند

همجوشی هسته‌ای یک منبع انرژی عالی و بی‌نقص است. یک نیروگاه همجوشی می‌تواند به اندازه‌ی سه تا چهار برابر نیروگاه شکافت هسته‌ای مشابه، تولید برق کند. این انرژی اصلا آلاینده نیست و جالب اینکه ماده‌ی خام خوراک رآکتورهای همجوشی هسته‌ای عناصر وافری چون هیدروژن هستند؛ هیدروژن فراوان‌ترین عنصر جهان ماست. این نیروگاه‌ها تقریبا هیچ پسماند رادیواکتیوی از خود باقی نمی‌گذارند و بنابراین آلایندگی آن‌ها صفر است. پسماند هیدروژن، یکی دیگر از عناصر فراوان دنیا یعنی هلیوم است. اگر در نیروگاه‌های همجوشی هسته‌ای مشکلی ایجاد شود، انفجار و فاجعه‌های پس از آن بوجود نمی‌آید، آن‌ها فقط از کار می‌افتند.

«دانیل کلری» (Daniel Clery) نیروگاه‌های همجوشی هسته‌ای را با نیروگاه‌های سوخت فسیلی مرسوم مقایسه می‌کند: «یک نیروگاه یک گیگاواتی زغالی در هر روز به ۱۰ هزار تن زغال‌سنگ احتیاج دارد. در عوض، مقدار لیتیومی که در باتری یک لپ‌تاپ معمولی وجود دارد و مقدار «دوتریومی» که در ۴۵ لیتر آب موجود است، می‌تواند از طریق فرایند همجوشی آن‌قدر انرژی تولید کند که برای مصرف ۳۰ سال کل بریتانیا کافی باشد.» طنز تلخ درباره‌ی همجوشی هسته‌ای است که همیشه گفته‌ایم فناوری استحصال اقتصادی و گسترده‌ی آن، تا ۳۰ سال دیگر محقق می‌شود و دهه‌هاست آن را تکرار می‌کنیم.

چیزی که باعث می‌شود رسیدن به فناوری همجوشی مشکل باشد، عدم علاقه‌ی هسته‌ی اتم‌ها به جوش خوردن با یکدیگر است. هسته‌ی اتم هیدروژن دارای یک پروتون است و بنابراین بار الکتریکی مثبت دارد. وقتی می‌خواهید یک هسته‌ی اتم هیدروژن دیگر را به آن جوش بدهید، 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 دهید و آن‌قدر دمای اتم‌ها را بالا ببرید که به پلاسما تبدیل شوند. اگر پلاسمایی خیلی داغ داشته  باشید، بعضی از هسته‌ها چنان محکم به یکدیگر برخورد می‌کنند که به یکدیگر جوش می‌خورند.

خورشید یک رآکتور همجوشی هسته‌ای عظیم است

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 درجه‌ی سانتیگراد می‌رسد. نکته‌ی بد این‌جاست که چون بر روی زمین به اندازه‌ی خورشید سوخت هیدروژن در اختیار نداریم، باید دما را به ۱۰۰ میلیون درجه‌ی سانتیگراد برسانیم. مشکل دوم این است که ماده در شکل پلاسما رفتارهای عجیبی از خود نشان می‌دهد. پلاسما شکل چهارم ماده است و نه مایع است، نه جامد و نه گاز. وقتی پلاسما را در دما و فشار خیلی زیاد قرار می‌دهید، به شدت ناپایدار می‌شود. برای کنترل شرایط ناپایدار آن نیز از تجهیزات معمولی نمی‌توان استفاده کرد چرا که در دمای ۱۰۰ میلیون درجه، هر ماده‌ی جامدی را نه مذاب، بلکه بخار می‌کند! به نوعی ما باید بر روی زمین یک ستاره بسازیم. آن‌قدر این کار چالش‌برانگیز است که بشر برای رسیدن به آن، یکی از پیچیده‌ و بزرگترین فناوری‌های تاریخ را درست کرده است.

ادامه دارد…

منبع: هفته‌نامه‌ی تایم؛ نسخه‌ی دوم نوامبر ۲۰۱۵