آغاز ساخت تأسیسات ۱ میلیارد دلاری «پاسیفیک فیوژن» برای دستیابی به «بازده خالص تأسیسات» تا سال ۲۰۳۰

در تصور عمومی، انرژی همجوشی مانند سرابی ابدی است که همیشه سی سال با ما فاصله دارد و برای دستیابی به آن به دونات‌های مغناطیسی غول‌پیکر (توکامک‌ها) یا تأسیسات لیزری به اندازه استادیوم نیاز است. فرض بر این است که همجوشی تنها از طریق پروژه‌های عظیم و سفارشی چند میلیارد دلاری که دهه‌ها طول می‌کشد تا ساخته شوند، محقق خواهد شد.

اما نقطه عطف بزرگ بعدی در این حوزه، اکنون در صحرای نیومکزیکو در حال ساخت است و بر معماری کاملاً متفاوتی تکیه دارد. با تغییر تمرکز از محصورسازی مغناطیسی پیوسته به پالس‌های سریع و الکتریکی، نسل جدیدی از زیرساخت‌های همجوشی در تلاش است تا معادله انرژی را با استفاده از قطعات مدولار و قابل تولید انبوه حل کند.

روز سه‌شنبه، شرکت پاسیفیک فیوژن کلنگ ساخت یک پردیس تحقیقاتی و تولیدی ۱ میلیارد دلاری را در «مسا دل سول» (Mesa del Sol) در آلبوکرکی به زمین زد. این تأسیسات طراحی شده است تا تا سال ۲۰۳۰ به نقطه عطفی به نام «بازده خالص تأسیسات» (net facility gain) دست یابد.

در مکانیک همجوشی، بازده خالص تأسیسات به این معنی است که سیستم، انرژی همجوشی بیشتری نسبت به کل انرژی الکتریکی ذخیره شده در دستگاه برای راه‌اندازی واکنش، تولید کند. در حالی که اشتعال علمی (تولید انرژی بیشتر از آنچه مستقیماً به سوخت وارد شده است) در سال ۲۰۲۲ توسط تأسیسات ملی اشتعال (NIF) به دست آمد، بازده خالص تأسیسات هرگز در هیچ کجای جهان به نمایش گذاشته نشده است.[1][4]

پروژه آلبوکرکی صرفاً یک بازی تجاری نیست؛ بلکه عمیقاً با زیرساخت‌های فدرال در هم تنیده شده است. پاسیفیک فیوژن همزمان با مراسم کلنگ‌زنی، همکاری رسمی با سازمان ملی امنیت هسته‌ای (NNSA) وابسته به وزارت انرژی را اعلام کرد. هدف این تأسیسات تولید انفجارهای همجوشی با بازده بالا است که از ۱۰۰ مگاژول فراتر رود.

برای NNSA، این قابلیت یک بستر دیرینه برای شبیه‌سازی دماها و فشارهای شدید انفجارهای هسته‌ای فراهم می‌کند و به دانشمندان اجازه می‌دهد تا ذخایر تسلیحات هسته‌ای ایالات متحده را بدون توسل به آزمایش‌های انفجاری زیرزمینی، حفظ و تأیید کنند.[1]

برای درک اینکه چگونه این تأسیسات از گلوگاه‌های سنتی توسعه همجوشی عبور می‌کند، باید به مکانیسم زیربنایی آن نگاه کرد. پاسیفیک فیوژن از همجوشی محصورسازی اینرسیایی مبتنی بر پالس‌دهنده استفاده می‌کند.

به جای تلاش برای معلق نگه داشتن یک پلاسمای سوزان پیوسته در یک میدان مغناطیسی، سیستم پالس‌های الکتریکی با جریان بالا و سریع را شلیک می‌کند تا یک سیلندر فلزی کوچک حاوی سوخت دوتریوم-تریتیوم را به صورت الکترومغناطیسی فشرده کند. نیروی خالص این فشردگی مغناطیسی، سوخت را گرم و فشرده می‌کند تا اتم‌ها با هم ترکیب شوند و در کسری از ثانیه، انفجار عظیمی از انرژی آزاد شود.[2]

این رویکرد به شدت بر فیزیک چگالی انرژی بالا که در ماشین Z آزمایشگاه‌های ملی ساندیا (Sandia National Laboratories) به نمایش گذاشته شده است، بنا شده است. با این حال، همجوشی سنتی مبتنی بر پالس‌دهنده، به سیم‌پیچ‌های مغناطیسی خارجی گران‌قیمت و یک‌بار مصرف نیاز داشت تا سوخت را قبل از رسیدن پالس فشرده‌سازی اصلی، از قبل مغناطیسی کنند.

پاسیفیک فیوژن اخیراً یک طراحی هدف ساده‌شده را به نمایش گذاشته است که فقط از آلومینیوم و پلاستیک ساخته شده و میدان مغناطیسی داخلی خود را ایجاد می‌کند. این امر نیاز به سیم‌پیچ‌های خارجی را از بین می‌برد و پیچیدگی و هزینه قطعاتی را که در هر شلیک همجوشی از بین می‌روند، به شدت کاهش می‌دهد.

سیستم تحویل توان نیز به همان اندازه مدولار است و از معماری شناخته شده به عنوان ژنراتور مارکس با تطبیق امپدانس استفاده می‌کند. به جای تکیه بر لیزرهای عظیم و سفارشی، این سیستم از «آجرهای» قابل تولید انبوه متشکل از خازن‌ها و سوئیچ‌های استاندارد ساخته شده است.

این آجرها در ماژول‌هایی به اندازه کانتینرهای حمل و نقل مونتاژ می‌شوند. از آنجایی که محرک از واحدهای تکراری و کارخانه‌ای ساخته شده است، هزینه سرمایه تأسیسات به صورت خطی مقیاس‌پذیر است و نگهداری صرفاً شامل تعویض یک کانتینر مدولار است نه بازسازی یک هسته راکتور سفارشی.[2]

ادعای دستیابی به بازده خالص تأسیسات تا سال ۲۰۳۰، نه تنها بر مدل‌سازی نظری، بلکه بر تکرار سریع سخت‌افزاری متکی است. در ماه جولای، یک نمونه اولیه توان پالسی که در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور طراحی و توسط پاسیفیک فیوژن مقیاس‌بندی شده بود، از ۳۰۰۰ شلیک آزمایشی فراتر رفت. این آزمایش با تکرار بالا نشان داد که معماری خازن زیربنایی می‌تواند در برابر چرخه‌های الکتریکی شدید مورد نیاز برای یک سیستم همجوشی تجاری مقاومت کند و یک جزء کلیدی از نقشه راه فناوری همجوشی ایالات متحده را تأیید کرد.

علاوه بر این، این شرکت اخیراً یک نمونه اولیه ماژول مقیاس‌بندی شده را تأیید کرد که تقریباً ۴۴۰ گیگاوات توان خروجی اوج را در یک پالس ۸۰ نانوثانیه‌ای تحویل داد. این تحویل الکتریکی با مشخصات عملکردی مورد نیاز برای راه‌اندازی شرایط همجوشی در مقیاس کامل مطابقت دارد. با اثبات اینکه آجرهای مدولار می‌توانند به طور قابل اعتماد مقادیر عظیمی از جریان را در همگام‌سازی کامل تخلیه کنند، ریسک مهندسی از منبع تغذیه به خود هدف همجوشی منتقل می‌شود.

بازارهای مالی و دولت‌های ایالتی، جدول زمانی تهاجمی ۲۰۳۰ را معتبر می‌دانند. پاسیفیک فیوژن با بیش از ۹۰۰ میلیون دلار بودجه سری A، با حمایت جنرال کاتالیست (General Catalyst)، بریک‌ثرو انرژی ونچرز (Breakthrough Energy Ventures) و کنسرسیومی از سرمایه‌گذاران برجسته فناوری، از حالت پنهان خارج شد.

مقامات نیومکزیکو، به رهبری فرماندار میشل لوجان گریشام، با همسو کردن مشوق‌های دولتی مبتنی بر عملکرد با نقاط عطف استخدام و ساخت و ساز شرکت، پردیس ۱ میلیارد دلاری را تضمین کردند و ایالت را به عنوان یک قطب مرکزی برای زنجیره تأمین نوظهور همجوشی قرار دادند.[2][3][4]

با وجود این شتاب و سرمایه، عدم قطعیت‌های مهندسی قابل توجهی بین تحویل یک پالس الکتریکی قدرتمند و دستیابی به همجوشی تجاری باقی مانده است. نمایش ۴۴۰ گیگاواتی یک آزمایش سخت‌افزاری ماژول پالس‌دهنده بود، نه یک واکنش همجوشی. هیچ هدف همجوشی درگیر نبود و هیچ بازده علمی در طول آن آزمایش‌های الکتریکی خاص نشان داده نشد. فیزیک مقیاس‌بندی این پالس‌ها به جریان ۵۰ تا ۶۰ مگاآمپری مورد نیاز برای همجوشی با بازده بالا، تنش‌های مادی شدیدی را ایجاد خواهد کرد که هنوز به طور کامل آزمایش نشده‌اند.

عدم قطعیت اصلی در پایداری هدف نهفته است. همانطور که جریان الکتریکی عظیم لایه بیرونی هدف را برای ایجاد فشردگی مغناطیسی تبخیر می‌کند، هدف باید در برابر فشرده‌سازی اولیه مقاومت کند بدون اینکه ناخالصی‌ها با سوخت دوتریوم-تریتیوم مخلوط شوند.

در فیزیک چگالی انرژی بالا، ناپایداری هیدرودینامیکی – که در آن پوسته فلزی در حال فروپاشی با سوخت همجوشی سبک‌تر مخلوط می‌شود – یک حالت شکست رایج است که پلاسما را سرد می‌کند و واکنش همجوشی را قبل از اینکه بتواند انرژی خالص تولید کند، خاموش می‌سازد. غلبه بر این چالش در مقیاس کامل، یک چالش فیزیکی بزرگ باقی می‌ماند.

در صورت موفقیت، تأسیسات آلبوکرکی برق شبکه محلی را تولید نخواهد کرد؛ این صرفاً یک سیستم نمایشی و تحقیقاتی است. با این حال، با اثبات اینکه بازده خالص تأسیسات را می‌توان با استفاده از قطعات مدولار و تولید انبوه به دست آورد، این پروژه می‌تواند همجوشی را از یک آزمایش علمی سفارشی به یک محصول صنعتی مقیاس‌پذیر تبدیل کند. پر کردن شکاف بین اشتعال آزمایشگاهی و بازده خالص تأسیسات، گام حیاتی مورد نیاز برای تغییر اساسی مسیر زیرساخت انرژی جهانی است.[1][3]