تحقق انرژی همجوشی هسته‌ای وابسته به توانایی دانشمندان در حبس پلاسمای فوق‌العاده داغ (با دمای میلیون‌ها درجه سانتی‌گراد) برای مدت زمان کافی است. رایج‌ترین و شناخته‌شده‌ترین روش، استفاده از دستگاه‌های توکاماک (Tokamak) است. با این حال، محدودیت‌های ذاتی توکاماک، محققان را به سمت بررسی روش‌های جایگزین سوق داده است. دو نمونه برجسته از این روش‌ها، استلاراتورها (Stellarators) و حبس مغناطیسی متراکم (Magnetized Target Fusion - MTF) هستند.
۱. استلاراتورها (Stellarators): پایداری ذاتی در هندسه پیچیده
استلاراتورها دومین روش پرطرفدار برای حبس مغناطیسی پلاسما پس از توکاماک هستند. این نام از کلمه لاتین Stella به معنای ستاره گرفته شده است.
الف) تفاوت اساسی با توکاماک
ویژگی | توکاماک (Tokamak) | استلاراتور (Stellarator) |
شکل هندسی | شکل دوناتی متقارن (کیسه شنا) | شکل پیچیده، غیرمتقارن و مارپیچی |
میدان مغناطیسی | نیاز به جریان الکتریکی القایی در پلاسما برای ایجاد میدان مغناطیسی ثانویه (میدان پولویدال). | میدان مغناطیسی مورد نیاز صرفاً توسط آهنرباهای خارجی پیچیده ایجاد می‌شود. |
عملکرد | ناپیوسته (پالسی) به دلیل محدودیت القای جریان. | پیوسته و پایدار، ایده‌آل برای نیروگاه‌های تجاری. |
چالش اصلی | ناپایداری‌های ناگهانی پلاسما به دلیل جریان الکتریکی داخلی. | پیچیدگی شدید در ساخت آهنرباها و محفظه خلاء. |
ب) مزایای کلیدی استلاراتورها
- عملیات پیوسته: از آنجا که استلاراتورها نیازی به جریان الکتریکی القایی برای حبس پلاسما ندارند، می‌توانند به طور پیوسته و مداوم (نه پالسی) عمل کنند. این یک مزیت بزرگ برای تولید برق تجاری است.
- پایداری ذاتی: عدم وجود جریان الکتریکی بزرگ در پلاسما باعث می‌شود که پلاسما از نظر مغناطیسی پایدارتر باشد و از پدیده مخرب "اختلال" (Disruption) که یکی از بزرگترین مشکلات توکاماک است، جلوگیری شود.
- پروژه شاخص: Wendelstein 7-X (W7-X) در آلمان بزرگترین استلاراتور جهان است که برای اثبات امکان‌پذیری عملکرد پایدار و مداوم طراحی شده است.
۲. حبس مغناطیسی متراکم (Magnetized Target Fusion - MTF)
MTF یک رویکرد میانی است که سعی می‌کند از مزایای حبس مغناطیسی (کاهش اتلاف حرارت) و حبس لختی (Inertial Confinement) (استفاده از فشرده‌سازی) به طور همزمان استفاده کند.
الف) مکانیزم عملکرد
در MTF، یک پلاسمای نسبتاً سرد و مغناطیسی شده (یا یک هدف پر از سوخت همجوشی) ایجاد می‌شود. سپس، این پلاسما با استفاده از یک ضربه مکانیکی یا مغناطیسی شدید از بیرون فشرده می‌شود.
- مغناطیسی‌سازی: میدان مغناطیسی پلاسما را در جای خود نگه می‌دارد و اتلاف انرژی از طریق رسانش حرارتی را کند می‌کند.
- فشرده‌سازی: فشرده‌سازی سریع، دمای پلاسما را به حد لازم برای همجوشی می‌رساند. این فشرده‌سازی می‌تواند توسط یک پیستون فیزیکی، یک غلاف فلزی منفجرشونده (Imploding Liner) یا توسط یک شوک مغناطیسی انجام شود.
ب) مزایای کلیدی MTF
- نیاز به انرژی کمتر: چون پلاسما قبلاً مغناطیسی شده است، دمای اولیه مورد نیاز برای رسیدن به نقطه همجوشی کمتر از روش خالص حبس لختی (مانند لیزر در NIF) است.
- مقیاس کوچک‌تر: راکتورهای MTF می‌توانند در مقیاس کوچک‌تر و ارزان‌تر از توکاماک‌ها و استلاراتورهای عظیم ساخته شوند.
- پتانسیل تجاری‌سازی سریع‌تر: شرکت‌هایی مانند General Fusion (که از روش فشرده‌سازی پیستونی استفاده می‌کند) ادعا می‌کنند که MTF مسیر کوتاه‌تری برای دستیابی به نقطه عطف مهندسی دارد.
۳. نتیجه‌گیری: رقابت روش‌ها در مسیر همجوشی
در حال حاضر، هیچ روش واحدی به طور قطع برای تولید برق تجاری برتری خود را اثبات نکرده است.
معیار | توکاماک | استلاراتور | MTF |
ایده‌آل برای عملکرد مداوم | خیر (پالسی) | بله (پیوسته) | بله (تکرار پالسی سریع) |
پیچیدگی ساخت | بسیار بالا | فوق‌العاده بالا (هندسه 3D) | نسبتاً کمتر |
ایمنی ذاتی | متوسط (نیاز به سیستم فعال) | بالا (پایداری ذاتی) | متوسط (وابسته به فشرده‌سازی) |
تمرکز جهانی | بیشترین تمرکز (ITER) | متمرکز (W7-X) | رشد سریع در بخش خصوصی |
روش توکاماک با بیش از نیم قرن تحقیق، بیشترین پیشرفت را داشته است، اما پایداری ذاتی درازمدت آن زیر سؤال است. استلاراتورها با حل مشکل پایداری، ایده‌آل نظری برای یک نیروگاه پیوسته هستند، اما ساخت آن‌ها فوق‌العاده دشوار است. MTF نیز به عنوان یک راه حل مقیاس کوچک و سریع‌تر، در حال جلب سرمایه‌گذاری خصوصی است. آینده انرژی همجوشی احتمالاً با موفقیت یکی از این رویکردهای جایگزین محقق خواهد شد.
