گزارش ویژه‌ی تایم: انرژی بی‌نهایت، برای همیشه، برای همه (بخش دوم)
یکی از فناوری‌های عجیب و غریب بوجود آمده برای انجام فرایند همجوشی هسته‌ای، در دل ساختمانی ۱۰ طبقه با زیربنایی به اندازه‌ی سه زمین فوتبال در سانفرانسیسکو نهفته است. اینجا «تاسیسات ملی احتراق و علوم فوتونی» (NIF) است و در ساختمان آن، یکی از قدرتمندترین لیزرهای دنیا قرار دارد. لیزری فرابنفش که می‌تواند در عرض یک ۲۰ میلیاردم ثانیه، ۵۰۰ تریلیون وات انرژی منتقل کند. این میزان انرژی، ۱۰۰۰ برابر مصرف لحظه‌ای ایالات متحده است. پرتوی لیزر به استوانه‌ای طلایی پر از گاز هیدروژن می‌تابد و اتم‌های درون این استوانه دچار همجوشی می‌شوند.
ماشین‌هایی به نام توکامک
یکی از راه‌های رایج‌تر برای ایجاد همجوشی، کنترل پلاسما به صورت مغناطیسی است. پلاسما حساسیت زیادی نسبت به میدان مغناطیسی دارد. بنابراین میدان مغناطیسی باعث می‌شود بتوانیم بدون برقراری تماس فیزیکی با این ماده‌ی داغ، آن را کنترل کنیم. این همان کاریست که در ماشینی به نام «توکامک» (Tokamak) انجام می‌شود. توکامک ماشینی فلزی و توخالی به شکل دونات است که دور آن سیم‌پیچ‌هایی برای ایجاد یک آهنربای الکتریکی قدرتمند پیچیده شده است. این سیم‌پیچ‌ها میدان مغناطیسی ایجاد می‌کنند و در نتیجه پلاسمای درون دستگاه فشرده می‌شود.
توکامک نخستین بار در دهه‌ی ۱۹۵۰ در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شد و از آن زمان نقش مهمی در پژوهش‌های همجوشی هسته‌ای داشته است. در دهه‌ی ۱۹۸۰، توکامک‌های بزرگی در آمریکا، ژاپن و انگلستان ساخته شدند که صدها میلیون دلار هزینه داشتند. اکنون در شهر کوچکی خارج از مارسی فرانسه، توکامکی بزرگ در حال ساخته شدن است. این همان «رآکتور گرما‌هسته‌ای آزمایشی بین‌المللی» (ITER) است که درباره‌ی آن صحبت کردیم؛ وقتی کامل شود، ۳۰ متر ارتفاع و ۲۳ هزار تن وزن خواهد داشت. با راه‌اندازی‌اش هزاران نفر در رابطه با آن مشغول به کار خواهند شد. در این توکامک، ۸۴۰ متر مکعب پلاسما قرار خواهد گرفت. آهنرباهای الکتریکی آن به ۱۰۰ هزار کیلومتر سیم از جنس نیوبیوم-قلع احتیاج خواهند داشت. هزینه‌ی آن نیز همان‌طور که اشاره کردیم، توسط کنسرسیومی بین‌المللی از کشورهای آمریکا، روسیه، اتحادیه اروپا، چین، ژاپن، کره‌ی جنوبی و هند تامین می‌شود.
توکامک ماشینی فلزی و توخالی به شکل دونات است که دور آن سیم‌پیچ‌هایی برای ایجاد یک آهنربای الکتریکی قدرتمند پیچیده شده است
معمولا پروژه‌های همجوشی به دلیل پیچیدگی، بزرگی زیاد و البته حساسیت‌های سیاسی، از ضرب‌الاجل اولیه برای اتمام پروژه، فراتر می‌روند. بسیاری اوقات نیز بودجه‌ی تعیین شده‌ی اولیه، کفاف پروژه را نمی دهد و برنامه با کمبود پول مواجه می‌شود. برای مثال پروژه‌‌ای که تاسیسات ملی احتراق و علوم فوتونی آن را اجرا کرد، هفت سال بعد از موعد مقرر و با بودجه‌ی ۵ میلیارد دلار به پایان رسید. دقیقا دو برابر بودجه‌ای که اول کار برایش در نظر گرفته شده بود. پروژه‌ی ITER نیز همین وضعیت را دارد و در حالی که قرار بود سال ۲۰۱۶ به پایان برسد، بهره‌برداری کامل از آن به سال ۲۰۲۷ موکول شد؛ البته باز هم ممکن است به تعویق بیفتد. جالب اینجاست که بودجه‌ی اولیه‌ی آن ۵ میلیارد دلار بود و اکنون به ۲۰ میلیارد دلار رسیده است. مقایسه کنید با آزمایشگاه بزرگ LHC در سرن که کارش با ۴.۷۵ میلیارد دلار به پایان رسید. بیندرباور می‌گوید: «دانشگاه‌ها نمی‌توانند به برنامه‌ریزی پروژه‌های همجوشی پایبند باشند و در زمان مقرر و با بودجه‌ی تعیین شده، پروژه را تکمیل کنند.»
هدف همه‌ی این ماشین‌ها آن است که بتوانند از نقطه‌ی سر به سر مصرف انرژی و تولید انرژی بگذرند. یعنی بتوانند بیشتر از اینکه انرژی مصرف کنند، انرژی تولید کنند. بعضی از توکامک‌های بزرگ در دهه‌ی ۱۹۹۰ توانستند به نقطه‌ی سر به سر نزدیک شوند، ولی تا به حال هیچ‌کدام از آن گذر نکرده‌اند. پژوهش‌ها در زمینه‌ی فناوری همجوشی هسته‌ای بسیار آرام پیش می‌روند و خیلی هزینه‌بر هستند. «مایکل لابرژ» (Michael Laberge) که بنیانگذار شرکت «جنرال فیوژن» در کانادا است می‌گوید: «در پژوهش‌های دانشگاهی، هدف آخر رسیدن به مقالههای پژوهشی است. این درحالیست که مردم دوست دارند هدف نهایی پژوهش‌های همجوشی، دستیابی به انرژی الکتریکی باشد، ولی هدف نخست دانشگاه‌ها، ارائه‌ی مقالههای متعدد در کنفرانس‌ها و سر درآوردن از جزییات مختلف فرایند همجوشی است.» سر در آوردن از جزییات و درک بهتر فرایند همجوشی خیلی خوب است، ولی در دنیای واقعی، مردم به انرژی فراوان و پاک احتیاج دارند.
یکی از افراد بسیار تاثیر‌گذار در تاسیس شرکت تری‌آلفا، فیزیک‌دانی به نام «نورمن روستوکر» (Norman Rostoker) است. روستوکر که در سال ۲۰۱۴ فوت کرد، یک فیزیک‌دان پلاسما بود که در ریاضیات نیز بسیار حاذق بود و البته می‌توانست علم خود را خیلی خوب به صورت عملی پیاده کند. بیندرباور یکی از شاگردان اوست. حتی در اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰، روستوکر به توکامک‌ها بدبین بود. در یک توکامک، ذرات ماده‌ی پلاسما در مدارهایی مارپیچی و باریک به دور خطوط جریان الکتریکی گردش می‌کنند. ولی اغتشاشات الکترومغناطیسی باعث می‌شود که ذرات از مدار دقیق خود خارج و پلاسما ناپایدار شود. در نتیجه‌ی این ناپایداری، پلاسما دمای خود را از دست می‌دهد. نگه داشتن ذرات در مدار کار بسیار مشکلی است. یکی از راه‌هایی که دانشمندان برای مقابله با این عدم پایداری برگزیده‌اند، ساخت توکامک‌های بزرگ و بزرگتر است. ولی نکته اینجاست که هرچه توکامک‌ها بزرگتر می‌شوند، پیچیده و گران‌تر می‌گردند و به انرژی بیشتری احتیاج دارند. به همین دلیل روستوک فکر کرد که شاید راه‌حل بهتری هم وجود داشته باشد.
او یکی از این راه‌حل‌ها را در شتاب‌دهنده‌های ذرات دید. شتاب‌دهنده‌هایی مثل «برخورد دهنده‌ی بزرگ هادرونی» (LHC) در سرن، که در آن ذرات زیراتمی در تونل‌های طولانی و حلقوی با شدت زیاد به یکدیگر برخورد می‌کنند. در شتاب‌دهنده‌ها، ذرات در مدارهایی بسیار پایدار گردش می‌کنند. روستوکر و بیندرباور فکر کردند که شاید بتوان چنین مدارهایی را در رآکتورهای همجوشی استفاده کرد. آن‌ها دو سالی به این موضوع فکر کردند. بیندرباور می‌گوید: «اگر بتوانیم شتاب‌دهنده‌ها را به دنیای همجوشی هسته‌ای بیاوریم، شاید بتوانیم کاری کنیم که پلاسما رفتار بهتری از خودش نشان دهد. بدین ترتیب می‌توان به یک پلاسمای پایدار دست یافت.»
ذرات زیراتمی در تونل‌های طولانی و حلقوی «برخورد دهنده‌ی بزرگ هادرونی» با شدت زیاد به یکدیگر برخورد می‌کنند
روستوکر در ضمن اعتقاد داشت که تحقیقات همجوشی باید به بخش خصوصی واگذار شوند، چرا که بدین ترتیب با سرعت بیشتری نسبت به مراکز دانشگاهی و دولتی پیش می‌روند. او اعتقاد داشت که انرژی همجوشی هسته‌ای باید به شکل یک محصول قابل خرید و فروش درآید. بیندرباور می‌گوید: «مشکل همجوشی این است که علم آن را پیش می‌برد. به همین دلیل هم پیشرفت کندی دارد و دقیقا با نیازهای جامعه منطبق نیست. این درحالیست که باید به هدف و نتیجه‌ی نهایی فکر کرد.»
جذب بودجه کار بسیار مشکلی است. توکامک‌ها همه‌ی پول اختصاص داده شده را بالا می‌کشند و این سرمایه‌گذاران خصوصی را می‌ترساند. به خصوص اینکه سرمایه‌گذاران در «سیلیکون‌ولی» عادت کرده‌اند که استارت‌آپ آن‌ها خیلی زود به سوددهی برسد. جذب نیروی انسانی هم مشکل است. ساخت یک رآکتور همجوشی نیاز به همکاری فیزیک‌دان‌ها و مهندسان زیادی دارد، دو گروهی که در طول تاریخ هم خیلی رابطه‌ی خوبی با یکدیگر نداشتند.
پژوهشگرانی که در استارت‌آپ‌هایی مثل تری‌آلفا کار می‌کردند، برخلاف آزمایشگاه‌های دانشگاهی، خود را از بحث‌های نظری خلاص کردند. تا وقتی یک روش کار می‌کرد، دیگر به دنبال تحقیق بر اینکه چرا آن روش کار می‌کند، نبودند. آن‌ها خیلی عملگرایانه با مسائل برخورد می‌کردند و در نتیجه سرعت کار بالا رفت. ممکن است بعضی از مراکز آکادمیک با این کار مخالف باشند، ولی کسی نمی‌تواند انکار کند که شرکت تری‌آلفا توانسته با بودجه‌ای خیلی کم، یک رآکتور همجوشی آزمایشی درست کند.
خوشبختانه تری‌آلفا مشاوران علمی خیلی خوبی دارد که از آن جمله می‌توان به «بورتون ریشتر» (Burton Richter) برنده‌ی نوبل فیزیک ۱۹۷۶ و «رونالد دیویدسون» (Ronald Davidson)، مدیر پیشین آزمایشگاه‌های همجوشی در MIT و پرینستون اشاره کرد. بیندرباور به یاد می‌آورد که در سال ۲۰۰۸ نخستین رآکتور آزمایشی همجوشی را در حضور آن‌ها رونمایی کرد. او می‌گوید: «به یاد دارم که همه‌ی آن‌ها تعجب کردند و با خودشان گفتند که آیا این بچه‌ها توانسته‌اند رآکتور را بسازند؟»
رآکتور تری‌آلفا کاملا با توکامک‌هایی که امروز در جبهه‌ی تحقیقات همجوشی وجود دارند یا حتی لیزر تاسیسات ملی احتراق و علوم فوتونی متفاوت است. این رآکتور، توپی برای شلیک حلقه‌های پلاسمای داغ دارد. این حلقه‌ها با سرعتی نزدیک به یک میلیون کیلومتر بر ساعت شلیک می‌شوند. این رآکتور یک توپ دیگر نیز دارد که روبروی توپ اول قرار گرفته است. این دو، همزمان حلقه‌های پلاسمایی را به سوی یکدیگر شلیک می‌کنند. دو حلقه‌ی پلاسما به شدت با یکدیگر برخورد می‌کنند و در مرکز محفظه با یکدیگر ترکیب می‌شوند. شدت این برخورد به حدی است که دمای پلاسما به ۱۰ میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد. دو حلقه‌ی پلاسمایی به یک توده‌ی واحد ۷۰ تا ۸۰ سانتی‌متری به شکل توپ راگبی تبدیل می‌شوند که یک سوراخ بزرگ درون آن است. این توده بر سر جای خود چرخش می‌کند. ولی کار همین‌جا تمام نمی‌شود. پیرامون محفظه‌ی مرکزی، ۶ عدد تفنگ کوچک وجود دارد که اتم‌های هیدروژن را به لبه‌های توده‌ی پلاسمایی شلیک می‌کنند تا پلاسما پایدار و داغ بماند. دو نکته درباره‌ی این توده وجود دارد، یکی اینکه ذرات در مداری عریض‌تر نسبت به مدار موجود در توکامک‌ها گردش می‌کنند و بنابراین در برابر اغتشاشات پایدار‌تر هستند. دوم اینکه این توده‌ی پلاسما میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. به جای ایجاد میدان مغناطیسی از بیرون، تری‌آلفا از پدیده‌ای به نام «پیکربندی واژگون میدان» (Field-reversed Configuration) یا همان FRC استفاده می‌کند، یعنی اینکه خود پلاسما میدان مغناطیسی محدود کننده‌ی خود را تولید می‌کند.
این ماشین یک هیولای واقعیست که ۲۳ متر طول و ۱۱ متر عرض دارد. تعداد زیادی لوله و کابل به یکدیگر وصل شده‌اند و روی بدنه‌ی آن درجه‌ّها و عقربه‌های زیادی وجود دارد. نام آن C-2U است و آن‌قدر پیچیده است که بیشتر شبیه به رآکتورهای فیلم‌های هالیوودی می‌نماید. این ماشین در سالنی بزرگ از ساختمان تری‌آلفا در اورنج کانتی قرار گرفته و در کنار آن، اتاق کنترلی متشکل از صدها کامپیوتر برای کنترل و پردازش اطلاعات آن وجود دارد. حدود ۱۰ هزار مهندس نیز به طول مداوم سلامت ماشین را کنترل می‌کنند. این ماشین در هر ۵ میلیونیوم ثانیه، داده‌هایی به حجم یک گیگابایت تولید می‌کند.
در ماه آگوست امسال تری‌آلفا اعلام کرد که این ماشین داده‌های خیلی جالبی تولید کرده است. تا به حال تلاش شرکت بر این بوده که بتواند پلاسما را به مدت طولانی‌تری در حالت پایدار قرار دارد و کمتر بر پایدار نگه داشتن آن در دمای بالاتر تمرکز کرده است. پایدار نگه داشتن به مدت زمان طولانی‌تر، کار سخت‌تری پنداشته می‌شود. اکنون بیندرباور اعتقاد دارد که به این هدف رسیده‌اند. آن‌ها در ماه ژوئن توانستند به مدت ۵ میلی‌ثانیه پلاسما را پایدار نگه دارند. بیندرباور می‌گوید: «ما کاملا بر این فناوری غالب شده‌ایم و می‌توانیم پلاسما را ۱۰۰ درصد پایدار نگه داریم.»
بخش قبلی را می‌توانید از این لینک بخوانید
منبع: هفته‌نامه‌ی تایم؛ نسخه‌ی دوم نوامبر ۲۰۱۵
از جناب استادمومن زاده واقعا سپاسگذاری میکنم و امیدوارم به همیشه سربلند وموفق باشند
ارادتمند جبرئیل قربانی
قطعا درکش سخته. انگار به ادم ۱۰۰۰ سال پیش اف ۲۲ نشون بدی
ولی هدف بسیار قابل درک و روشن
ای کاش در کشور ما هم چنین فعالیت هایی وجود داشت
اونا دارن با این تحقیقات قدرتمند بودنشونو برای صده ها اینده ثابت میکنن
اگر ۵۰ سال دیگه آمریکا کل مریخ رو به نام خودش سند زد اصلا تعجب نکنید. حقشم هست
این فناوری اینده ی بشر رو شکل میده واقعا هیجان انگیزه اگر ما بتونیم از استعداد های ملی مون استفاده کنیم میتونیم بهش دستیابیم
اما مشکل اینجاست از این استعداد ها حمایت نمیشه
وای خدا
<>
یعنی در هر ثانیه ۵ گیگ فقط داده میده بیرون که تو یه دقیقه میشه ۳۰۰ گیگ !!!
گذشته از اینا باید به فکر فضای ذخیره سازی داده ها هم باشند …
هر پنج میلیونیم ثانیه یک گیگ، میشه دویست هزار گیک (دویست ترا بایت) در ثانیه!…
سلام . می خواستم بدونم اون دستگاها جنسشون از چیه که در ۱۰ میلیون یا بیشتر در کنش با پلاسما ذوب نمی شوند ؟
تشکر
محفظه اصلا به صورت فیزیکی با پلاسما تماس نداره.
وگرنه ذوب مه چه عرض کنم بخار میشد.
خیلی جالب و هیجان انگیز است.
ممنون
سخته منتظر موندن تا هفته بعد
ممنون آقای مهدی مومن زاده
با اینکه تخصص دیجی کالا در زمینه فروشه اما حتی از بعضی سایت های علمی ایران که فقط مطالب علمی میزارن هم مطالبش عمیق تر و تخصصی تره….واقعا ترجمه مخصوصا تصاویر عالی بودن
با سلام و تشکر از این گزارش.
به نظر می رسد با بمباران توده های پلاسما حجم پلاسمای تحت کنترل در مرکز راکتور دائماً در حال افزایش باشد. چگونه این توده در حال گسترش قابل کنترل است؟
به شدت علاقه منده خوندنه ادامه ی مطلب هستم . سریع تر ادامشو بذارید
ترجمه و قسمت بندی خوب این مقاله به قدری برای من جذاب و پر اهمیت شده که در پایان هر دو قسمت بی صبرانه منتظر قسمت بعدی بودم و هستم.
هر بار در کنار مطالب علمی مهمی که از این مقالات دستگیرم میشه، برای جستجو و مطالعه سایتهای منبع و مرتبط انگیزه پیدا می کنم و از طرفی به خودم یادآوری می کنم این دانشی که امروز ما به راحتی ازش استفاده می کنیم، برقی که در خانه هامون تبدیل به عادی ترین قسمت زندگی شده، نیروگاه ها و و هزاران دانش دیگه، با سرمایه گذاری، ریسک پذیری و تلاش چه کسانی به اینجا رسیده و در آینده فرمهای جدیدی از اون ایجاد خواهد شد.
همیشه وقتی به عظمت یک نیروگاه نگاه می کردم از خودم می پرسیدم واقعا چه کسانی برای اولین بار به ذهنشون رسیده این همه ارتباط، دستگاه، سیستم و غیره کنار هم بتونن کار کنن !!! شاید چون این تکنولوژی ها در زمان های دورتری ایجاد شده بودند و ما در جریانش نبودیم. اما الان شانس این رو داریم که با چند تا از تکنولوژی های عظیمی که حتی تصورش از مخیله بیشتر ما خارج و دست نیافتنی می رسه آشنا شیم و ببینیم کسانی ریسک سرمایه گذاری و فعالیت در این پروژه ها رو به جون می خرند و ۱۰ ها هزار دانشمند روی یک ایده تلاش می کنن تا شاید فردا ما از اون بهره مند شیم و به سادگی فراموش کنیم که چگونه به اونجا رسیدیم!!!
جای بسی تشکر و قدردانی داره که با چنین مقالاتی عده زیادی از افراد رو به خواندن مطالب علمی و پیچیده علاقمند می کنید و بار علمی اون به یک طرف، بار مفهومی و بینشی که از خوندش به دست میاد هم اهمیت ویژه ای داره.
ممنون از آقای مومن زاده و تیم دیجیکالا…
خیلی هیجان‌انگیزه! 🙂