“خورشید مصنوعی” چه کاربردی دارد؟

چند روز پیش چین خبر داد، پس از۴ سال توانسته است به موفقیت بی‌سابقه ‌در دنیا دست پیدا کند. این کشور مدعی شد خورشید مصنوعی‌‌‌‌اش حرارتی ۱۰ برابر بیشتر از هسته مرکزی خورشید تولید کرده‌ است. اگر این ادعا صحت داشته باشد خبر خوبی برای جهان است. اما خورشید مصنوعی چیست و چه کاربردی دارد؟ و چرا این موفقیت انقدر برای دنیا مهم است؟

سانه‌های محلی چین در آذرماه سال گذشته، از راه‌اندازی موفقیت‌آمیز رآکتور همجوشی هسته‌ای موسوم به «خورشید مصنوعی» برای نخستین‌بار در دنیا خبر دادند. آغاز به ساخت این راکتور اواخر سال ۲۰۱۸ توسط دانشمندان چینی کلید خورد و این کشور در آن زمان اعلام کرد؛ درحال ساخت نوعی خورشید مصنوعی است که بتوانند از آن به‌عنوان منبع جایگزین انرژی در کره‌زمین استفاده کند. گزارش‌ها حکایت از آن داشت که موسسه علوم فیزیکی Hefei چین روی پروژه شبیه‌ساز خورشید زمینی کار می‌کرد که اساسا یک رآکتور همجوشی بود.

این راکتور برای شبیه‌سازی واکنش‌های طبیعی در خورشید که با استفاده از سوخت هیدروژن و دوتریم ساخته شده است، بزرگ‌ترین و پیشرفته‌ترین دستگاه تحقیق تجربی همجوشی هسته‌ای چین است. به ادعای چینی‌ها، این رآکتور از یک میدان مغناطیسی قدرتمند برای همجوشی پلاسما‌های داغ و گرمایی استفاده می‌کند و این قابلیت را دارد که به دمای بیش از ۱۵۰ میلیون درجه سانتی گراد برسد.

چند روز پیش نیز این کشور خبری را منتشر کرد مبنی بر این که، توانسته است حرارت راکتور همجوشی هسته‌ای را به دمایی حدود ۱۰ برابر بیشتر از دمای خورشید برساند.

بر اساس این خبر؛ “خورشید مصنوعی” چینی، در آخرین آزمایش خود به رکورد جدیدی دست یافته است و این ابررسانای پیشرفته تجربی توکاماک توانسته به مدت ۱۰۵۶ ثانیه در دمای نزدیک به ۷۰ میلیون درجه سانتیگراد فعالیت داشته باشد که این طولانی‌ترین زمان برای این نوع عملیات در جهان است.

این موفقیت توسط گونگ شیانزو، محقق موسسه فیزیک پلاسما آکادمی علوم چین(ASIPP) که مسئول آزمایش انجام شده در هیفی، مرکز استان آنهویی در شرق چین است، اعلام شد.

وی در این باره به رسانه‌ها گفت: ما در آزمایشی در نیمه اول سال ۲۰۲۱ به دمای پلاسما ۱۲۰ میلیون درجه سانتیگراد در مدت ۱۰۱ ثانیه دست یافتیم. این بار، عملیات پلاسما در حالت پایدار به مدت ۱۰۵۶ ثانیه در دمای نزدیک به ۷۰ میلیون درجه سانتیگراد ادامه پیدا کرد.

هدف نهایی “ابررسانای پیشرفته تجربی توکاماک” واقع در موسسه فیزیک پلاسمای آکادمی علوم چین در هیفی، ایجاد همجوشی هسته‌ای مانند خورشید با استفاده از دوتریوم فراوان در دریا برای ارائه یک جریان ثابت از انرژی است. دوتریوم یا هیدروژن سنگین همان عنصر هیدروژن است که علاوه بر پروتون یک نوترون نیز درون هسته آن وجود دارد.

لازم به یادآوری است، دمای هسته خورشید به ۱۵ میلیون درجه سانتی گراد می‌رسد. با این حساب حرارت ۱۰۰ میلیون درجه سانتی گراد راکتور هسته‌ای خورشید مصنوعی چینی ها، قدرتی بار‌ها بیشتر را داشته اشت.

کارشناسان بر این باورند؛ اگر این ادعا درست باشد، انقلابی در نحوه تولید و مصرف انرژی جهان ایجاد خواهد شد.

همجوشی هسته‌ای چیست؟

در زبان ساده همجوشی هسته ای، منبع اصلی انرژی ستارگان از جمله خورشید است. تکامل ستارگان را می‌توان به عنوان گذر از مراحل مختلف مشاهده کرد زیرا واکنش‌های هسته‌ای باعث ایجاد تغییر ترکیبات آنها در بازه‌های طولانی مدت می‌شوند. سوختن هیدروژن منبع انرژی همجوشی ستاره‌ها را تامین می‌کند و منجر به تشکیل هلیوم (He) می‌شود. تولید انرژی همجوشی برای کاربردهای عملی نیز به واکنش‌های همجوشی بین سبک‌ترین عناصر و تشکیل هلیوم متکی است.

در حقیقت، ایزوتوپ‌های سنگین هیدروژن – دوتریم (D) و تریتیوم (T) – با یکدیگر با کارآیی بیشتری واکنش نشان می‌دهند و هنگامی که تحت همجوشی قرار می‌گیرند، در مقایسه با دو هسته هیدروژن، انرژی بیشتری در هر واکنش تولید می‌کنند. هسته هیدروژن از یک پروتون تشکیل شده است و هسته دوتریم دارای یک پروتون و یک نوترون است، در حالی که تریتیوم دارای یک پروتون و دو نوترون است.

در تعریف دیگر همجوشی هسته‌ای، واکنش بین عناصر سبک است که مانند واکنش شکافت باعث تقسیم عناصر سنگین می‌شوند که به دلیل ویژگی اصلی ماده هسته‌ای یعنی انرژی پیوند طی این فرآیند انرژی آزاد می‌کند.

خورشید مصنوعی به چه درد می‌خورد؟

در خورشید مصنوعی واکنش‌های بین دوتریوم و تریتیوم مهم‌ترین واکنش‌های همجوشی برای تولید برق کنترل شده است، پس نخستین کاربردهای خورشید مصنوعی تولید برق است.

البته از این تکنیک می‌توان در برنامه هایی غیر از تولید برق نیز استفاده کرد. از جمله این کاربردها؛ تولید سوخت برای راکتورهای شکافت هسته‌ای، تولید سوخت مصنوعی و تولید گرما برای کاربردهای فرآیند و گرمایش فضا است. کاربرد لیزر همجوشی هسته‌ای نیز یکی دیگر از کاربردهای این انرژی عظیم است.

 کمک به محیط‌زیست با خورشید مصنوعی

برخلاف سوخت‌های فسیلی مانند زغال‌سنگ، نفت و گاز طبیعی که تهدیدی برای محیط‌زیست هستند، مواد خام مورد نیاز برای خورشید مصنوعی تقریبا به صورت نامحدود روی زمین موجود هستند. بنابراین، انرژی همجوشی به عنوان “انرژی نهایی” ایده آل و پاک برای آینده بشریت در نظر گرفته می‌شود.

دانشمندان امیدوارند این رآکتور بتواند به طور بالقوه منبع قدرتمندی از انرژی پاک را فراهم کند. در جریان همجوشی، بر عکس شکافت هسته ای، هیچ گاز گلخانه‌ای ساطع نمی‌شود و در نهایت خطر کمتری در زمینه بروز حوادث و یا سرقت مواد اتمی وجود دارد.

معایب همجوشی هسته‌ای چیست؟

با تمام کاربردهای مثبت، خورشید مصنوعی بدون عیب نیز نیست. همجوشی هسته‌ای هم بی‌نهایت دشوار و هم بسیار هزینه بردار است. کل هزینه ساخت رآکتور آزمایشی بین‌المللی گرما هسته‌ای (Thermonuclear )، مبلغی معادل ۲۲.۵ میلیارد دلار برآورد شده است.

بر اساس این گزارش؛ قبل از خورشید چینی، راکتور «KSTAR» کره‌ای رکورد ۱۰۰ میلیون درجه‌ای به مدت ۲۰ ثانیه را در دسامبر سال ۲۰۲۰ به ثبت رسانده بود. البته تمامی راکتورهای همجوشی هسته‌ای در ابتدای راه خود هستند، ولی باز هم موفقیت چینی‌ها برای حفظ چنین دماهایی در این بازه‌های زمانی امیدوار‌کننده است و می‌توان نوید بخش آن باشد که نیاز بشر به انرژی پاک به میزان قابل توجه در آینده به آسانی فراهم شود.