چگونه تبدیل مستقیم پلاسما به برق، جدول زمانی همجوشی تجاری را بازنویسی می‌کند

وعده نهایی انرژی همجوشی همیشه یک منبع انرژی پاک و تقریباً نامحدود بوده که قادر به اداره تمدن مدرن است. با این حال، رایج‌ترین طرح‌های راکتورهای همجوشی یک راز با فناوری پایین (Low-Tech) شگفت‌انگیز را به اشتراک می‌گذارند: آنها در اصل، روش‌هایی فوق‌العاده پیچیده برای جوشاندن آب هستند.[1][6]

در نیروگاه‌های حرارتی سنتی – چه با زغال سنگ، شکافت هسته‌ای یا مفاهیم نسل اول همجوشی مانند توکامک عظیم ITER کار کنند – از گرما برای تولید بخار استفاده می‌شود. این بخار پرفشار یک توربین مکانیکی بزرگ را می‌چرخاند که به نوبه خود یک ژنراتور را برای تولید برق شبکه به حرکت در می‌آورد.[3][6]

این فرآیند تبدیل حرارتی ذاتاً ناکارآمد است. به دلیل قوانین سختگیرانه ترمودینامیک، بخش قابل توجهی از انرژی در هر مرحله از چرخه به عنوان گرمای هدر رفته از دست می‌رود و بازده الکتریکی کلی را تقریباً در ۳۰ تا ۴۵ درصد محدود می‌کند.[4][6]

تبدیل مستقیم انرژی (DEC) یک انحراف اساسی از این پارادایم صد ساله ارائه می‌دهد. سیستم‌های DEC به جای جذب گرما برای جوشاندن آب، برق را مستقیماً از انرژی جنبشی ذرات باردار درون خود پلاسمای همجوشی برداشت می‌کنند.[1][2]

فیزیک این روش بر رابطه اساسی بین بارهای متحرک و میدان‌های مغناطیسی تکیه دارد. هنگامی که واکنش‌های همجوشی رخ می‌دهند، یون‌ها و الکترون‌هایی با حرکت فوق‌العاده سریع تولید می‌کنند. از آنجایی که این ذرات حامل بار الکتریکی هستند، حرکت آنها میدان‌های مغناطیسی تولید کرده و با آنها تعامل می‌کند.[5]

در یک راکتور DEC، پلاسمای پرانرژی و در حال انبساط به سمت بیرون در برابر میدان‌های مغناطیسی حاوی آن فشار می‌آورد. راکتور با پالس دادن پلاسما یا هدایت آن از طریق نازل‌های مغناطیسی تخصصی، پلاسما را مجبور می‌کند تا در برابر سیم‌پیچ‌های مغناطیسی خارجی کار فیزیکی انجام دهد.[2][4]

این عمل – تغییر شار مغناطیسی – مستقیماً یک جریان الکتریکی را در داخل سیم‌پیچ‌ها القا می‌کند. این از نظر مفهومی شبیه به سیستم ترمز احیاکننده در یک وسیله نقلیه الکتریکی است، که در آن انرژی جنبشی خودرو مستقیماً به برق تبدیل می‌شود، اما در مقیاس دمای ستاره‌ای.[1][3]

افزایش بازدهی ناشی از دور زدن چرخه بخار حیرت‌انگیز است. از آنجایی که DEC از گلوگاه‌های ترمودینامیکی تبدیل حرارتی جلوگیری می‌کند، مدل‌های نظری و نمونه‌های اولیه نشان می‌دهند که می‌تواند به بازده الکتریکی ۷۰ تا ۸۵ درصد دست یابد و قدرت قابل استفاده بسیار بیشتری را از همان واکنش جذب کند.[4][5]

فراتر از بازدهی، حذف توربین بخار اساساً اقتصاد و ردپای فیزیکی یک نیروگاه را تغییر می‌دهد. توربین‌ها، مبدل‌های حرارتی و برج‌های خنک‌کننده عظیم تا نیمی از هزینه‌های سرمایه‌ای و فضای فیزیکی نیروگاه‌های سنتی را تشکیل می‌دهند.[1][6]

بدون آنها، نیروگاه‌های همجوشی می‌توانند بسیار ماژولار و فشرده شوند. یک راکتور همجوشی بدون توربین می‌تواند از لحاظ نظری در نزدیکی مراکز شهری یا قطب‌های صنعتی بدون نیاز به دسترسی به منابع آبی عظیم برای خنک‌سازی مستقر شود و ادغام شبکه را به شدت ساده کند.[2][5]

با این حال، تبدیل مستقیم یک مشکل مهندسی مهم دارد: به انواع خاصی از واکنش‌های همجوشی نیاز دارد. سوخت استاندارد دوتریوم-تریتیوم (D-T) که در اکثر راکتورهای سنتی استفاده می‌شود، ۸۰ درصد انرژی خود را به صورت نوترون‌های بدون بار آزاد می‌کند که مستقیماً از میدان‌های مغناطیسی عبور کرده و نمی‌توانند برای تولید مستقیم برق جذب شوند.[3][4]

برای اینکه DEC عملی باشد، راکتورها باید از سوخت‌های «بی‌نوترون» (Aneutronic) – مانند دوتریوم-هلیوم-۳ یا هیدروژن-بور – استفاده کنند. این سوخت‌های پیشرفته تقریباً به طور کامل ذرات باردار تولید می‌کنند، که آنها را برای جذب انرژی مغناطیسی عالی می‌سازد و در عین حال آسیب نوترونی رادیواکتیو به دیواره‌های راکتور را کاهش می‌دهد.[2][5]

مانع اصلی این است که سوخت‌های بی‌نوترون برای شعله‌ور شدن به دماهای بسیار بالاتری نیاز دارند – اغلب بیش از یک میلیارد درجه سانتیگراد، در مقایسه با حدود ۱۰۰ میلیون درجه مورد نیاز برای همجوشی استاندارد D-T.[3][6]

پیشرفت‌های اخیر در آهن‌رباهای ابررسانای دمای بالا (HTS) و کنترل پلاسمای مبتنی بر یادگیری ماشینی، سرانجام دستیابی به این شرایط شدید را ممکن می‌سازد. با حل تنگنای استخراج انرژی، تبدیل مستقیم در حال تغییر جدول زمانی همجوشی است و مسیری سریع‌تر و ارزان‌تر را به سمت برق تجاری شبکه وعده می‌دهد.[1][2][4]