سوخت بزرگ‌ترین رآکتور همجوشی هسته‌ای جهان آماده‌ی آزمایش است

آزمایش‌های همجوشی هسته‌ای با دوتریوم و تریتیوم در رآکتور آزمایشی جی‌ای‌تی (Joint European Torus) تمرین مهمی برای آزمایش بزرگی است که در ایتر (راکتور گرماهسته‌ای آزمایشی بین‌المللی یا ITER) انجام خواهد شد.

منبع انرژی همجوشی هسته‌ای، خورشید است و اگر فیزیکدانان بتوانند روی زمین این انرژی را مهار کنند، منبع تقریبا بی‌نهایت انرژی خواهد بود. در ماه دسامبر، پژوهشگران جی‌ای‌تی آزمایش‌های همجوشی با تریتیوم را آغاز کردند که ایزوتوپ رادیواکتیو کمیاب هیدروژن است. این سازه ماکتی به اندازه‌ی یک‌دهم حجم پروژه‌ی ۲۲ میلیارد دلاری ایتر است و همان طراحی توکامک دونات‌شکلی را دارد که پیشرفته‌ترین رویکرد جهان برای انرژی همجوشی محسوب می‌شود.

به گزارش نیچر، از سال ۱۹۹۷ این نخستین بار است که پژوهشگران آزمایش‌هایی در یک توکامک با مقدار قابل ‌توجهی تریتیوم انجام می‌دهند. در ماه ژوئن، جی‌ای‌تی شروع به ترکیب مقادیر برابر تریتیوم و دوتریوم کرد که یکی دیگر از ایزوتوپ‌های هیدروژن است. این همان مخلوط سوختی است که ایتر در تلاش برای تولید انرژی بیشتر از واکنش همجوشی، از آن استفاده خواهد کرد.

رآکتور باید پلاسمایی از تریتیوم و دوتریوم را گرم و محصور کند؛ به‌طوری‌که همجوشی ایزوتوپ‌ها به هلیوم، گرمای کافی برای حفظ واکنش‌های همجوشی بیشتر تولید کند. جوئل میلوکس، از سرپرستان این برنامه‌ی علمی در جی‌ای‌تی، می‌گوید: «بسیار هیجان‌انگیز است که سرانجام به نقطه‌ای رسیدیم که می‌توانیم آنچه این همه سال در حال آماده کردن آن بودیم، عملی کنیم.»

اجرای آزمایشی

آزمایش‌های جی‌ای‌تی به دانشمندان کمک می‌کند رفتار پلاسما در توکامک ایتر را پیش‌بینی و براساس آن، آزمایش اصلی و بزرگ را تنظیم و اجرا کنند. تیم لوس، دانشمند ارشد ایتر، می‌گوید این آزمایش‌ها حاصل تلاش تقریبا دو دهه کار هستند. ایتر با واکنش‌های هیدروژنی دارای توان کم در سال ۲۰۲۵ آغاز خواهد شد؛ اما از سال ۲۰۳۵، با مخلوط ۵۰/۵۰ تریتیوم و دوتریوم کار خواهد کرد.

ایتر و جی‌ای‌تی که در مرکز انرژی همجوشی هسته‌ای کولهام (CCFE) در نزدیکی آکسفورد واقع شده‌اند، از میدان‌ مغناطیسی قوی برای محصور کردن پلاسما درون یک حلقه و حرارت دادن آن تا زمان رخ دادن همجوشی استفاده می‌کنند. دما در جی‌ای‌تی می‌تواند به ۱۰۰ میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد برسد که چندین برابر داغ‌تر از دمای هسته‌ی خورشید است.

آخرین آزمایش‌های همجوشی توکامک در جهان با استفاده از تریتیوم در جی‌ای‌تی انجام شد. آن زمان، هدف دستیابی به حداکثر توان بود و این سازه موفق شد به نسبت بی‌سابقه‌ی توان خروجی به توان ورودی (مقدار Q) برابر ۰/۶۷ برسد. این رکورد تا به امروز پابرجا است. اما امسال، هدف حفظ سطح مشابهی از توان همجوشی برای ۵ ثانیه یا بیشتر است تا پژوهشگران بتوانند به بیشترین داده‌های ممکن از این آزمایش‌ها دست یابند و براساس آن، رفتار پلاسمای ماندگارتر را درک کنند.

کار با تریتیوم چالش‌های منحصربه‌فردی ایجاد می‌کند. پژوهشگران جی‌ای‌تی بیش از دو سال صرف اصلاح اجزای دستگاه خود و آماده‌سازی آن برای کار با این ماده رادیواکتیو کرده‌اند. ایزوتوپ مذکور به‌سرعت متلاشی می‌شود؛ بنابراین فقط در مقادیر بسیار ناچیزی در طبیعت وجود دارد و معمولا به‌عنوان محصول جانبی در رآکتورهای همجوشی هسته‌ای تولید می‌شود. موجودی جهانی آن فقط ۲۰ کیلوگرم است.

بخشی از چالش کار با تریتیوم این است که واکنش‌های آن با دوتریوم نسبت به واکنش‌هایی که فقط دوتریوم در آن شرکت دارد، نوترون‌ بیشتری تولید می‌کند. رآکتورهای تجاری انرژی این نوترون‌ها را برای تولید برق می‌گیرند؛ اما در جی‌ای‌تی، ذرات پرانرژی به درون دستگاه پرتاب می‌شود و به سیستم‌های تشخیصی آسیب می‌رساند. ایان چاپمن، سرپرست CCFE، می‌گوید گروه جی‌ای‌تی مجبور شده است دوربین‌ها و دیگر دستگاه‌ها را پشت حفاظ بتونی قرار بدهد و تمام فرایندهای خود را از ذخیره‌سازی تا کنترل را اصلاح و نوسازی کند.

با شروع آزمایش‌های تریتیوم، بمباران نوترونی تأسیسات درونی را رادیواکتیو می‌کند که در نتیجه، برای ۱۸ ماه به منطقه‌ی ممنوعه‌ای برای انسان‌ها تبدیل می‌شود؛ بنابراین کارکنان مجبور شدند به ذهنیتی شبیه مهندسانی که وسیله‌ی نقلیه‌ی فضایی می‌سازند، عادت کنند. به گفته‌ی چاپمن: «نمی‌توانید وارد کار شوید و مشکلات را برطرف کنید، دستگاه باید از همان بار اول کار کند.»

پالس‌های تریتیوم

در عملیات جی‌ای‌تی از کمتر از ۶۰ گرم تریتیوم استفاده می‌‌شود که بازیافت خواهد شد. سوخت حاوی کسری از یک گرم تریتیوم است که سه تا ۱۴ بار در روز درون توکامک پرتاب می‌شود. میلوکس می‌گوید هر یک از این شلیک‌ها آزمایش جداگانه‌ای با پارامترهای اندکی متفاوت خواهد بود و حدود ۳ تا ۱۰ ثانیه داده مفید ایجاد می‌کند. او می‌گوید: «آنچه به‌ دنبال آن هستیم، اطلاعات فیزیکی است که بتوانیم از آن‌ها برای اعتبارسنجی درک خود استفاده کنیم و سپس آن را برای آماده کردن دستگاه آینده به کار ببریم.»

 در برخی از آزمایش‌ها فقط از تریتیوم استفاده می‌شود. در برخی دیگر تریتیوم و دوتریم در نسبت‌های مساوی با هم ترکیب خواهند شد. هر دو آزمایش مهم هستند؛ زیرا یکی از اهداف اصلی، درک تأثیر تریتیوم دارای جرم بیشتر روی رفتار پلاسما است (تریتیوم دو نوترون در هسته‌ی خود دارد؛ درحالی‌که دوتریم یک نوترون و هیدروژن هیچ نوترونی ندارد). این امر در پیش‌بینی تأثیر استفاده از ایزوتوپ‌های مختلف در ایتر کمک خواهد کرد. جرم ایزوتوپ‌ها روی شرایط مورد نیاز (مانند میدان مغناطیسی، جریان و گرمایش خارجی) پلاسما برای رسیدن به وضعیت مهمی به نام محصور کردن پلاسما تأثیر دارد (در این حالت، ذرات دارای بیشترین انرژی درون گازِ یونیزه باقی می‌مانند و این امر از نظر حفظ دمای پلاسما مهم است).

 تفاوت مهم دیگر با آزمایش‌های سال ۱۹۹۷ این است: جی‌ای‌تی به گونه‌ای بازسازی و اصلاح شده که مواد داخلی که از دستگاه دربرابر اثرات حرارت و بمباران نوترونی محافظت و ناخالصی‌ها را از پلاسما حذف می‌کنند، با موادی که در طراحی ایتر به کار رفته است، مطابقت داشته باشد. از آنجا که این مواد می‌توانند به درون پلاسما بازتاب شوند و آن را سرد کنند، درک نحوه‌ی تعامل آن‌ها با فرایند همجوشی بسیار حیاتی است. چاپمن می‌گوید جدیدترین نسل دانشمندان همجوشی هسته‌ای هرگز با تریتیوم کار نکرده‌اند؛ بنابراین انجام این آزمایش‌ها اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.