درباره‌ی رآکتور همجوشی هسته‌ای که آلمانی‌ها ساختند

روز پنجشنبه ۱۹ آذر، ماشین عظیم یک میلیارد یورویی که آلمانی‌ها برای ۲۰ سال روی آن کار می‌کردند، به کار افتاد. این ماشین نوعی رآکتور همجوشی هسته‌ای (گداخت هسته ای) به نام «استلاریتور» (Stellarator) است؛ ماشینی که آلمانی‌ها اسمش را «وندلشتاین ۷ ایکس» (Wendelstein 7-X) گذاشته‌اند. در آغاز، دانشمندان به مدت دو ماه این ماشین را با گاز هلیوم پر می‌کنند. هلیوم یک گاز بی‌اثر است و پژوهشگران با استفاده از آن می‌خواهند مطمئن شوند که می‌توانند به طور موثر، این گاز را کنترل کنند و دمای آن را بالا ببرند. در پایان ماه ژانویه‌ی سال بعد، آزمایش‌ها با گاز هیدروژن آغاز می‌شود. بدین ترتیب دانشمندان می‌توانند با همجوشی ایزوتوپ‌های هیدروژن، به منبعی قابل اعتماد برای استحصال انرژی پاکیزه و بی انتها دست یابند. در ادامه بیشتر درباره‌ی این ماشین توضیح می‌دهیم.

اگر درباره‌ی انرژی همجوشی هسته‌ای مطالعه کرده باشید، حتما در مورد توکامک‌ها هم خوانده‌اید. این ماشین‌های دوناتی شکل (حلقوی)، برای این ساخته شده‌اند که بتوانند گاز یونیزه شده به نام پلاسما را در میدان‌های مغناطیسی به دام بیندازند و آن را به دمای بسیار زیاد برسانند. بدین ترتیب هسته‌های هیدروژن به هم جوش می‌خورند. توکامک‌ها، ستون فقرات پیشبرد پژوهش‌های هسته‌ای هستند و ساخت آن‌ها نسبتا آسان است، با این حال از زمانی که بوجود آمده‌اند، پیشرفت خیلی زیادی نکرده‌اند.

ولی بیایید توکامک‌ها را کنار بگذاریم، جایی در شمال شرقی آلمان، پژوهشگران یک ماشین همجوشی هسته‌ای خیلی عظیم و متفاوت به نام استلاریتور ساخته‌اند. این ماشین یک میلیارد یورویی وندلشتاین ۷-X نام دارد و در حقیقت حلقه‌ای به قطر ۱۶ متر است که تجهیزات مختلف عجیب و غریبی به بدنه‌ی آن نصب شده و سیم‌های زیادی از آن آویزان است. در ضمن تکنسین‌های زیادی مرتب در حال کار کردن با قسمت‌های مختلف آن هستند. درون این ماشین که بیشتر به ماشین‌های موجود در فیلم‌های علمی-تخیلی شبیه است، ۵۰ آهنربای الکتریکی هرکدام به وزن ۶ تن قرار دارد.

هرچند اساس کار استلاریتورها با توکامک‌ها یکسان است، ولی تا به حال توجه کمی به آن‌ها می‌شد. توکامک‌ها خیلی بهتر می‌توانند گاز را به دام بیندازند و دمای آن را بالا ببرند. با این حال استلاریتور ویژگی‌هایی دارد که می‌تواند باعث شود به هنگام استفاده‌‌ به صورت اقتصادی، ماشین‌ بهتری نسبت به توکامک‌ باشد. استلاریتورها به هنگام کارکرد خیلی با ثبات‌تر هستند و برخلاف توکامک‌ها، هر از گاه دچار فروپاشی نمی‌شوند. با این حال ساخت استلاریتورها مشکل‌تر است و ممکن است برخلاف انتظار، هزینه و تاخیر در ساخت آن‌ها بیشتر از ساخت توکامک‌ها شود. «توماس کلینگر» (Thomas Klinger) که سرپرست گروه آلمانی سازنده‌ی وندلشتاین ۷-X است می‌گوید: «کسی متوجه معنی ساخت استلاریتور نمی‌شد.»

اساس کار استلاریتورها با توکامک‌ها یکسان است ولی بعضی از نقاط ضعف آن‌ها را ندارد.

وندلشتاین ۷-X می‌تواند یک نقطه‌ی عطف باشد. این ماشین که در موسسه‌ی تحقیقات فیزیک پلاسمای مکس‌پلانک آلمان قرار دارد، اولین مثال بزرگ از استلاریتورهایی است که توسط ابرکامپیوترها طراحی شده‌اند. اگر این ماشین بتواند مثل توکامکی در همین اندازه عملکرد داشته باشد، پژوهشگران این حوزه می‌توانند مسیر جدیدی در همجوشی هسته‌ای ترسیم کنند. «دیوید اندرسون» (David Anderson) از دانشگاه ویسکانسین مدیسون می‌گوید: «کسانی که روی توکامک‌ها کار می‌کنند، خیلی دوست دارند ببینند نتیجه چه می‌شود و هیجان‌زده هستند.» وندلشتاین ۷-X نخستین استلاریتور بزرگ جهان است و ساخت آن ۱.۱ میلیون ساعت کار برده است. این ماشین با استفاده از پیچیده‌ترین مدل‌های مهندسی ساخته شده و می‌تواند بازه‌های دمایی خیلی زیاد و نیروهای شدید را تحمل کند.

استلاریتورها در برابر همان چالش‌هایی قرار دارند که دیگر ماشین‌های همجوشی مثل توکامک‌ها با آن‌ها درگیر‌ هستند. آن‌ها باید بتوانند دمای گاز را تا ۱۰۰ میلیون درجه‌ی سانتیگراد، یعنی هفت برابر دمای هسته‌ی خورشید بالا ببرند و آن را نگه دارند. این میزان دما، الکترون‌ها را از اتم‌ها جدا می‌کند و پلاسمایی از الکترون‌ها و یون‌ها برجای می‌گذارد. این باعث می‌شود یون‌ها بتوانند آن‌قدر سریع حرکت کنند که با یکدیگر برخورد کنند و به هم جوش بخورند. با این حال این کار باعث بی‌ثبات شدن گاز می‌شود. به همین دلیل گاز را در یک قفس مغناطیسی نگه می‌دارند. سیم‌پیچی به دور تونل‌های مملو از گاز پیچیده شده که وقتی جریان برق از آن عبور می‌کند، میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود و در نتیجه گاز از بدنه‌ی تونل دور می‌ماند و درون آن هدایت می‌شود. در ضمن تونل به صورت حلقه ساخته شده تا هیچ خط پایانی برای گاز وجود نداشته باشد.

با این حال این شکل حلقوی مشکلاتی هم ایجاد می‌کند. مشکل این است که سیم‌پیچ‌های نزدیک به مرکز دونات به هم نزدیک‌تر هستند و در نتیجه، میدان مغناطیسی در آن‌جا قوی‌تر است. این عدم تعادل مغناطیسی باعث می‌شود که پلاسما به دیواره‌های تونل برخورد کند. راه‌حل، نصب آهنرباهای الکتریکی دیگری در قسمت بیرونی تونل است که بتواند با بوجود آوردن نوعی پیچش در جریان پلاسما، آن اثر مغناطیسی اضافه را خنثی و تعادل را برقرار کند.

نخستین استلاریتور در سال ۱۹۵۱ توسط اخترفیزیک‌دانی به نام «لیمان اسپیتزر» (Lyman Spitzer) در دانشگاه پرینستون ساخته شد. استلاریتور او به شکل عدد ۸ انگلیسی بود. توکامک‌ها اولین بار دهه‌ی ۱۹۵۰ در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شدند. توکامک‌ها هم پیچش را بر روی توده‌ی پلاسما ایجاد می‌کنند، با این حال این پیچش از درون ایجاد می‌شود. آن‌ها از دستگاه‌هایی مثل ترنسفورماتور برای تحریک الکترون‌ها و یون‌ها جهت حرکت مثل جریان الکتریکی در تونل استفاده می‌کنند. این جریان، نوعی میدان مغناطیسی عمومی چنبره‌ای ایجاد می‌کند که وقتی به میدان موجود در طول تونل اضافه می‌شود، خطوط مارپیچی میدان درون تونل را ایجاد می‌کند.

قطعات عجیب وندلشتاین ۷ ایکس باید با دقت میلی‌متری به یکدیگر متصل شوند. همه‌ی جوشکاری‌ها با کامپیوتر انجام و با لیزر نظارت می‌شد.

توکامک و استلاریتور هر دو به خوبی کار می‌کنند، ولی توکامک‌ها در با ثبات نگه داشتن پلاسما بهتر هستند. قسمتی از آن به دلیل تقارن مغناطیسی توکامک‌ها است که باعث می‌شود ذرات گاز مسیر مستقیم‌تری را بپیمایند. اندرسون می‌گوید که در استلاریتورها «ذرات دچار تکان‌ و انحراف زیادی می‌شوند» این باعث می‌شود که بسیاری از آن‌ها از مسیر خارج شوند. به همین دلیل بیشتر تحقیقات همجوشی در دهه‌ی ۱۹۷۰ روی توکامک‌ها متمرکز شد. نتیجه‌ی آن را می‌توانیم در توکامک عظیمی به نام ITER که در فرانسه ساخته می‌شود ببینیم. این ماشین عظیم ۱۶ میلیارد یورویی، با تلاش کنسرسیومی بین‌المللی ساخته می‌شود و قرار است بتواند انرژی بیشتر از آن‌چه مصرف می‌کند را تولید کند. این توکامک‌ می‌تواند راه ما به سوی رسیدن به رآکتورهای همجوشی اقتصادی را هموار کند.

ولی توکامک‌ها هم مشکلات زیادی دارند. یک ترنسفورماتور می‌تواند در پالس‌هایی کوتاه جریان را از درون پلاسما عبور دهد و این برای ساخت رآکتورهای اقتصادی مناسب نیست. جریان موجود در پلاسما ممکن است دچار مشکل شود و در نتیجه به فروپاشی مغناطیسی بینجامد. بدین ترتیب که قوام پلاسما از دست برود و نیروهای مغناطیسی آن‌قدر زیاد شوند که به توکامک آسیب برسد.

در عوض استلاریتورها خیلی ایمن هستند. میدان مغناطیسی آن‌ها به طور کامل از سیم‌پیچ‌های خارجی تامین می‌شود که نیاز به پالس‌های جریان الکتریکی ندارند. در ضمن هیچ جریان پلاسمایی وجود ندارد که منجر به فروپاشی شود. این دو عامل باعث شده که بعضی گروه‌های پژوهشی، استلاریتورها را رها نکنند.

پیش از استلاریتور آلمانی، بزرگترین استلاریتور جهان به نام «ماشین عظیم مارپیچی» (LHD) سال ۱۹۹۸ در ژاپن ساخته شده بود. این استلاریتور، نوعی از همان طراحی کلاسیک استلاریتوری است که لیمان اسپیتزر ساخته بود. LHD نیز دارای دو سیم‌پیچ مارپیچی بزرگ برای اعمال نیرو به پلاسما و سیم‌پیچ‌های دیگر جهت کنترل آن است. این استلاریتور همه‌ی رکوردها را از آن خود کرده است. این استلاریتور کاملا با ثبات است و تقریبا با توان توکامکی به اندازه‌ی خودش کار می‌کند.

دو پژوهشگر آلمانی به نام «یورگن نورنبرگ» (Jurgen Nuhrenberg) و «آلن بوزر» (Allan Boozer) فکر کردند می‌توانند با نوعی طراحی متفاوت کاری کنند که پلاسما در میدان مغناطیسی با نیروی ثابت ولی جهات متغیر، پایدار بماند. «پر هرالندر» (Per Helander) از موسسه‌ی تحقیقات فیزیک‌ پلاسمای مکس پلانک می‌گوید: «این میدان شبه متقارن برای به دام انداختن ذرات کاملا مناسب نیست. ولی می‌توانید با آن به حالت کامل نزدیک شوید و به سطحی قابل قبول برسید.» به طور کلی می‌توان کاری کرد که یک استلاریتور به خوبی توکامک کار کند.

استراتژی طراحی این ماشین که با نام «بهینه‌سازی» (Optimization) شناخته می‌شود، یافتن بهترین شکل میدان مغناطیسی که می‌تواند پلاسما را به دام بیندازد است. سپس باید آهنرباهایی طراحی کرد که بتوانند این میدان را بوجود بیاورند. این کار نیاز به توان پردازشی بالایی دارد و تا دهه‌ی ۱۹۸۰ ابرکامپیوترهایی که بتوانند این کار را انجام دهند، ساخته نشده بود.

گراف استلاریتور

نخستین تلاش برای ساخت استلاریتوری بهینه‌سازی شده، به ماشین وندلشتاین ۷-AS انجامید که توسط موسسه‌ی مکس پلانک آلمان ساخته شد و بین سال‌های ۱۹۸۸ تا ۲۰۰۲ کار کرد. این ماشین توانست همه‌ی رکوردهای استلاریتورها تا آن زمان را بشکند. سپس پژوهشگران دانشگاه ویسکانسین مدیسون در سال ۱۹۹۳ تصمیم گرفتند نخستین استلاریتور کاملا بهینه‌سازی شده را بسازند. نتیجه‌ی آن ماشینی به نام «آزمایش مارپیچی متقارن» (HSX) شد که در سال ۱۹۹۹ کار خود را آغاز کرد. «دیوید گیتس» (David Gates) سرپرست فیزیک استلاریتور از آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون می‌گوید: «W7-AS و HSX نشان دادند که این ایده کار می‌کند.»

این موفقیت‌ها باعث شد که پژوهشگران آمریکایی برای ساختن ماشینی بزرگتر روحیه بگیرند. آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون تصمیم گرفت در سال ۲۰۰۴ و با استفاده از استراتژی بهینه‌سازی ولی متفاوت با آن‌چه در موسسه‌ی تحقیقات فیزیک پلاسمای مکس پلانک صورت گرفته بود، ماشین «آزمایش استلاریتور ملی کوچک» (NCSX) را بسازد. ولی مشکلات در قطعات پیچیده‌ی ماشین، باعث شد که هزینه‌ها بالا برود و برنامه عقب بیفتد. سال ۲۰۰۸ درحالی که ۸۰ درصد قسمت‌های مهم این دستگاه ساخته یا خریده شده بود، وزارت انرژی آمریکا این پروژه را متوقف کرد. مدیر NCSX «هاچ نیلسون» (Hutch Neilson) می‌گوید: «ما هزینه‌ها را دست کم گرفته بودیم و از برنامه عقب افتادیم.»

همان زمان، پروژه‌ی W7-X در آلمان انجام می‌شد. دولت این کشور که با فروپاشی دیوار برلین تازه یکپارچه شده بود، در سال ۱۹۹۳ به پروژه چراغ سبز نشان داد. آلمانی‌ها در سال ۱۹۹۴ تصمیم گرفتند شعبه‌ی جدیدی از موسسه‌ی مکس پلانک را در «گرایفسوالد» (Greifswald) جایی که قبلا در آلمان شرقی بود راه‌اندازی کند و ماشین را در آن‌جا بسازد. پنجاه نفر از پژوهشگران و تکنسین‌های موسسه‌ی مکس پلانک به گرایفسوالد رفتند و بقیه نیز مرتب رفت و آمد می‌کردند. بعدها افراد دیگری هم استخدام شدند و در کل تعداد نفراتی که روی ماشین کار می‌کردند به ۴۰۰ نفر رسید. قرار بود که W7-X در سال ۲۰۰۶ با هزینه‌ای ۵۵۰ میلیون یورویی آغاز به کار کند.

ولی درست مثل استلاریتور آمریکایی NCSX، پروژه‌ی آلمانی‌ها هم دچار مشکلاتی وخیم شد. این ماشین دارای ۴۲۵ تن آهنربای ابررسانا است که باید تا دمای نزدیک به صفر مطلق سرد شوند. کلینگر می‌گوید که سرد کردن آهنرباها با هلیوم مایع، مثل ساختن جهنم روی زمین است. همه‌ی اجزاء سرد شده باید به خوبی کار کنند. نباید هیچ‌گونه نشتی داشته باشند و به دلیل ساختار پیچیده، دسترسی به قسمت‌های مختلف آن مشکل است. در میان آهنرباهای عجیب  و غریب، مهندسان باید ۲۵۰ پنجره‌ی دسترسی برای تغذیه و تخلیه‌ی سوخت، داغ کردن پلاسما و دسترسی به دستگاه‌های سنجش در نظر بگیرند. همه‌چیز نیازمند یک مدل‌سازی سه بعدی بسیار پیچیده است. گلینگر می‌گوید: «این کار را فقط کامپیوتر می‌تواند انجام دهد.»

در سال ۲۰۰۳، پروژه‌ی W7-X به مشکل خورد. یک-سوم آهنرباهایی که ساخته شده بودند در آزمایش‌ها نتوانستند عملکرد درستی داشته باشند و بدین ترتیب کار به تاخیر افتاد. نیروهایی که به رآکتور اعمال می‌شدند، بیشتر از مقدار محاسبه شده بود. کلینگر می‌گوید که ممکن بود کل ماشین آسیب ببیند. بنابراین بعضی از قطعات اصلی نیازمند طراحی و ساخت دوباره شدند. در همین حین یکی از سازندگان آهنرباها ورشکست شد. کلینگر می‌گوید که سال‌های ۲۰۰۳ تا ۲۰۰۷ بحران اقتصادی شدید حاکم بود و پروژه نزدیک بود متوقف شود. ولی با تلاشی که همه انجام دادند، وزیر علوم اجازه داد که پروژه با سقف بودجه‌ی ۱.۰۶ میلیارد یورو ادامه پیدا کند و در سال ۲۰۱۵ به نتیجه برسد.

بالاخره با صرف ۱.۱ میلیون ساعت کار، این ماشین در سال ۲۰۱۴ آماده به کار شد و یک سال زمان برد که قسمت‌های مختلف آن چک شود. خوشبختانه همه‌ی اجزای آن بدون هیچ مشکلی کار می‌کرد. آزمایش‌های الکترونی نشان می‌دهد که میدان مغناطیسی در رآکتور به شکلی درست قرار دارد. «توماس سان پدرسن» (Thomas Sunn Pedersen) از موسسه‌ی تحقیقات فیزیک پلاسمای مکس پلانک می‌گوید: «همه‌چیز در بالاترین دقت خود همان‌طور که انتظار می‌رفت وجود دارد.»

موفقیت در این زمینه، به معنی تغییر در آینده‌ی همجوشی است. قرار است در آینده نیروگاهی آزمایشی به نام DEMO را بسازیم. بیشتر کارشناسان می‌گویند که این نیروگاه نوعی توکامک خواهد بود. ولی اکنون با موفقیت وندلشتاین ۷-X بعضی‌ها فکر می‌کنند که شاید این نیروگاه نوعی استلاریتور باشد.

ویدیوی مربوط به رآکتور همجوشی هسته‌ای وندلشتاین ۷-X

.

منبع: Sciencemag