انرژی همجوشی هسته‌ای فرآیندی است که نیروی خورشید و ستارگان را تأمین می‌کند. در این فرآیند، هسته‌های سبک اتم‌ها (معمولاً ایزوتوپ‌های هیدروژن مانند دوتریوم و تریتیوم) تحت فشار و دمای فوق‌العاده بالا با یکدیگر ترکیب شده و یک هسته سنگین‌تر (مانند هلیوم) را تشکیل می‌دهند. این ترکیب، جرم مفقوده‌ای را به شکل عظیمی از انرژی آزاد می‌کند.
هدف نهایی تحقیقات همجوشی، تولید نیروی برق با استفاده از این انرژی پاک، ایمن و تقریباً نامحدود است.
۱. مبانی فنی همجوشی: «خورشید را در قفس قرار دادن»
برای وقوع همجوشی، باید بر نیروی دافعه الکترواستاتیک بین هسته‌های مثبت غلبه کرد. این امر مستلزم دستیابی به سه شرط اصلی است که به آن «معیار لاوسون» (Lawson Criterion) گفته می‌شود:
- دمای فوق‌العاده بالا: حدود 150 میلیون درجه سانتی‌گراد (ده برابر داغ‌تر از مرکز خورشید) برای تبدیل سوخت به پلاسما (حالت چهارم ماده که در آن الکترون‌ها از هسته جدا شده‌اند).
- چگالی کافی: پلاسما باید به اندازه کافی متراکم باشد تا هسته‌ها فرصت کافی برای برخورد داشته باشند.
- زمان حبس کافی: پلاسما باید به اندازه کافی در دمای بالا حبس شود تا واکنش‌های همجوشی رخ دهند.
روش‌های اصلی حبس پلاسما
- حبس مغناطیسی (Magnetic Confinement - Tokamak): متداول‌ترین رویکرد، استفاده از دستگاهی حلقوی به نام توکاماک است. در این روش، میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی (تولیدشده توسط آهن‌رباهای ابررسانا) پلاسمای داغ را در فضای خلأ به دور خود می‌پیچند تا از تماس آن با دیواره‌های محفظه جلوگیری شود. پروژه ITER بزرگترین مثال از این روش است.
- حبس لختی (Inertial Confinement - ICF): این روش از پرتوهای لیزری قدرتمند برای فشرده‌سازی و گرم کردن یک گلوله کوچک سوخت به نقطه‌ای که واکنش همجوشی رخ دهد، استفاده می‌کند.
۲. سوخت و ایمنی: مزیت‌های همجوشی
همجوشی هسته‌ای مزایای قابل توجهی نسبت به شکافت هسته‌ای (روش رایج فعلی نیروگاه‌ها) دارد:
- ایمنی ذاتی (Inherent Safety): در صورت بروز اختلال یا نقص فنی، واکنش همجوشی بلافاصله متوقف می‌شود. برخلاف شکافت هسته‌ای، احتمال ذوب شدن هسته یا وقوع واکنش‌های زنجیره‌ای کنترل‌نشده وجود ندارد.
- سوخت نامحدود: سوخت اصلی همجوشی، دوتریوم، به فراوانی در آب دریا یافت می‌شود. تریتیوم، ایزوتوپ دیگر، می‌تواند در داخل راکتور از لیتیوم (که آن هم به وفور در پوسته زمین موجود است) تولید شود.
- پسماند کم: همجوشی، پسماند رادیواکتیو با عمر طولانی تولید نمی‌کند. محصولات جانبی عمدتاً هلیوم غیررادیواکتیو و مواد رادیواکتیو با عمر کوتاه هستند که مدیریت آن‌ها بسیار آسان‌تر است.
۳. افق تجاری‌سازی: از تحقیقات تا نیروگاه‌ها
در سال‌های اخیر، تحقیقات همجوشی از فاز نظری به سمت اثبات علمی و مهندسی حرکت کرده است.
الف) نقطه عطف علمی (Scientific Breakeven)
در دسامبر 2022، دانشمندان در مرکز ملی اشتعال (NIF) در آمریکا توانستند با استفاده از روش حبس لختی، برای اولین بار به نقطه عطف علمی (Scientific Breakeven) دست یابند. در این آزمایش، انرژی خروجی از واکنش همجوشی (Q_fusion) از انرژی لیزری ورودی برای آغاز واکنش (Q_laser) بیشتر بود. این یک دستاورد علمی عظیم محسوب می‌شود.
ب) چالش‌های مهندسی و تجاری‌سازی
با این حال، رسیدن به نقطه عطف مهندسی و تجاری‌سازی نیازمند سال‌ها کار است:
- Q مهندسی (Net Energy Gain): رسیدن به جایی که انرژی خروجی همجوشی، بیشتر از کل انرژی مصرفی برای راه‌اندازی و خنک‌سازی کل نیروگاه (شامل پمپ‌ها، مگنت‌ها و سیستم‌های جانبی) باشد.
- مواد مقاوم: هیچ ماده‌ای در حال حاضر نمی‌تواند به طور دائم در برابر نوترون‌های پرانرژی تولیدشده در واکنش همجوشی و دمای پلاسمای 150 میلیون درجه‌ای مقاومت کند. توسعه آلیاژهای پیشرفته برای دیواره‌های راکتور حیاتی است.
- پایداری پلاسما: حفظ پلاسما در دما و چگالی لازم برای دوره‌های طولانی (به جای میلی‌ثانیه) همچنان یک چالش بزرگ مهندسی است.
ج) زمان‌بندی احتمالی
در حال حاضر، بسیاری از شرکت‌های خصوصی و دولتی (مانند ITER، Commonwealth Fusion Systems - CFS و Helion) اعلام کرده‌اند که انتظار دارند تا سال‌های 2035 تا 2040 اولین نیروگاه‌های همجوشی تجاری را به شبکه برق متصل کنند. این زمان‌بندی اگرچه خوش‌بینانه است، اما نشان‌دهنده شتاب سرمایه‌گذاری خصوصی در این حوزه است.
