رآکتور گداخت هسته‌ای چین، چگالی پلاسما را از حد دیرینه گرین‌والد فراتر برد

برای تقریباً چهار دهه، تلاش برای مهار قدرت ستارگان بر روی زمین توسط یک محدودیت سرعت سخت و نامرئی کنترل می‌شد. گداخت هسته‌ای، فرآیندی که به خورشید انرژی می‌دهد، وعده انرژی پاک تقریباً نامحدود را می‌دهد، اما تکرار آن مستلزم محصور کردن پلاسما در دماهایی است که از ۱۰۰ میلیون درجه سانتیگراد فراتر می‌رود. برای دستیابی به این هدف، دانشمندان از بطری‌های مغناطیسی عظیم و دونات‌شکل معروف به توکامک استفاده می‌کنند. با این حال، هر زمان که محققان سعی می‌کردند سوخت بیشتری را در این بطری‌های مغناطیسی بسته‌بندی کنند تا خروجی انرژی را افزایش دهند، پلاسما به ناچار به شدت ناپایدار می‌شد و فرو می‌پاشید.[5][6][7]

این سقف سخت، که به عنوان حد گرین‌والد شناخته می‌شود، از اواخر دهه ۱۹۸۰ تاکنون طراحی و مقیاس هر رآکتور گداخت بزرگ را دیکته کرده است. این امر مهندسان را مجبور کرد تا ماشین‌های به‌طور فزاینده‌ای غول‌پیکر بسازند—مانند پروژه چند میلیارد دلاری ایتر (ITER) که در حال حاضر در فرانسه در دست ساخت است—فقط برای تولید توان کافی در چگالی‌های پلاسما پایین‌تر و ایمن‌تر. فرض غالب در این حوزه این بود که حد گرین‌والد یک قانون اساسی و اجتناب‌ناپذیر فیزیک پلاسما است.[4][7]

اکنون این فرض بنیادی در هم شکسته شده است. در یک دستاورد مهم، فیزیکدانانی که رآکتور ابررسانای پیشرفته تجربی چین (EAST) را اداره می‌کنند، با موفقیت چگالی پلاسما را بسیار فراتر از حد گرین‌والد بردند و یک واکنش پایدار را بدون ایجاد ناپایداری‌های فاجعه‌بار که آزمایش‌های قبلی با چگالی بالا را مختل کرده بود، حفظ کردند.[1]

این پیشرفت، که جزئیات آن در مجله ساینس ادونسز (Science Advances) منتشر شده است، نشان‌دهنده یک تغییر مفهومی در درک فیزیکدانان از محصورسازی مغناطیسی است. تیم تحقیقاتی با کنترل دقیق نحوه تعامل پلاسمای فوق‌گرم با دیواره‌های داخلی رآکتور در طول راه‌اندازی، به یک رژیم پایدار «بدون چگالی» دست یافتند. چگالی پلاسما به ۶۵ درصد بالاتر از حداکثر نظری رسید و به راحتی در ۱.۳ تا ۱.۶۵ برابر حد گرین‌والد کار کرد.[1][2]

پینگ ژو، فیزیکدان پلاسما در دانشگاه علم و فناوری هواژونگ و یکی از رهبران این مطالعه، اظهار داشت: «این یافته‌ها یک مسیر عملی و مقیاس‌پذیر برای گسترش محدودیت‌های چگالی در توکامک‌ها و دستگاه‌های گداخت پلاسمای سوزان نسل بعدی پیشنهاد می‌کنند.» این فقط یک رکورد عددی نیست؛ بلکه بازتعریف اساسی از آنچه در هسته یک رآکتور گداخت ممکن است، می‌باشد.[2][7]

برای درک بزرگی این دستاورد، باید به مکانیک گداخت هسته‌ای نگاه کرد. این فرآیند شامل کوبیدن هسته‌های اتمی سبک، معمولاً ایزوتوپ‌های هیدروژن مانند دوتریوم و تریتیوم، به یکدیگر با چنان نیرویی است که با هم ترکیب شده و هلیوم را تشکیل می‌دهند. از آنجایی که هسته‌های اتمی دارای بار مثبت هستند و به طور طبیعی یکدیگر را دفع می‌کنند، غلبه بر این مانع الکترواستاتیک نیازمند انرژی جنبشی فوق‌العاده‌ای است که به معنای دماهای نجومی است.[6]

در این دماها، سوخت به پلاسما تبدیل می‌شود—یک سوپ آشفته از الکترون‌ها و یون‌های آزاد. هیچ ماده فیزیکی روی زمین نمی‌تواند ماده‌ای را که در ۱۵۰ میلیون درجه سانتیگراد می‌سوزد، مهار کند. در عوض، توکامک‌ها از میدان‌های مغناطیسی بسیار قدرتمند برای معلق نگه داشتن پلاسما در خلاء استفاده می‌کنند و از تماس آن با دیواره‌های فلزی رآکتور جلوگیری می‌کنند.[4][5]

کارایی یک رآکتور گداخت عمدتاً توسط سه عامل تعیین می‌شود: دمای پلاسما، زمان محصور بودن آن و چگالی آن. چگالی به سادگی تعداد ذرات سوخت بسته‌بندی شده در یک حجم معین است. هرچه پلاسما چگال‌تر باشد، هسته‌های اتمی بیشتر با هم برخورد می‌کنند و واکنش‌های گداخت بیشتری رخ می‌دهد.[5][7]

در واقع، این رابطه تصاعدی است. دو برابر کردن چگالی پلاسما، خروجی انرژی رآکتور را چهار برابر می‌کند. به طور طبیعی، فیزیکدانان همیشه می‌خواسته‌اند چگالی را تا حد امکان بالا ببرند. اما در سال ۱۹۸۸، مارتین گرین‌والد، فیزیکدان آمریکایی، یک مرز ریاضی مشاهده کرد: هرگاه چگالی پلاسما از نسبت معینی نسبت به جریان الکتریکی عبوری از آن فراتر می‌رفت، پلاسما از هم می‌پاشید.[4][7]

برای دهه‌ها، مکانیسم فیزیکی دقیق پشت حد گرین‌والد موضوع بحث‌های شدید باقی ماند، اما واقعیت تجربی غیرقابل انکار بود. هنگامی که این حد شکسته می‌شد، پلاسما معمولاً در لبه‌ها خنک می‌شد و باعث کاهش کیفیت محصورسازی مغناطیسی می‌شد. سپس پلاسما از قفس مغناطیسی خود فرار می‌کرد، به دیواره‌های رآکتور برخورد می‌کرد و به سرعت واکنش را متوقف می‌کرد—پدیده‌ای خشن که به عنوان اختلال (Disruption) شناخته می‌شود.[4][5]

رآکتور ایست (EAST)، که توسط مؤسسات علوم فیزیکی هفئی زیر نظر آکادمی علوم چین اداره می‌شود، به طور خاص برای آزمایش محدودیت‌های پلاسمای با عملکرد بالا و حالت پایدار طراحی شده است. این تأسیسات که «خورشید مصنوعی» چین نامیده می‌شود، دارای آهنرباهای ابررسانای پیشرفته و دیواره داخلی با پوشش تنگستن است که آن را به یک بستر آزمایشی ایده‌آل برای عبور از مرزهای عملیاتی تبدیل می‌کند.[3]

تیم تحقیقاتی چین فرضیه دادند که حد گرین‌والد یک قانون تغییرناپذیر طبیعت نیست، بلکه نتیجه نفوذ ناخالصی‌ها به پلاسما است. هنگامی که پلاسما با دیواره رآکتور تماس پیدا می‌کند، می‌تواند اتم‌های سنگین—مانند تنگستن یا کربن—را جدا کند که سپس وارد پلاسما شده و گرمای آن را تابش می‌کنند. این اثر خنک‌کننده در لبه پلاسما همان چیزی است که ناپایداری مرگبار را آغاز می‌کند.[1][7]

برای دور زدن این مشکل، محققان توالی راه‌اندازی رآکتور را به طور اساسی تغییر دادند. آنها فشار اولیه گاز سوخت را به دقت کالیبره کردند و یک پالس بسیار هدفمند از گرمایش مایکروویو، معروف به گرمایش تشدید سیکلوترون الکترونی (ECRH)، اعمال کردند. این تکنیک به طور مؤثری یک لایه مرزی محافظ و خنک‌تر از پلاسما در نزدیکی دیواره ایجاد کرد، در حالی که هسته را فوق‌العاده داغ نگه داشت.[1][2]

این لایه مرزی به عنوان یک حائل عمل کرد و به شدت از پاشش اتم‌های سنگین تنگستن از دیواره‌های رآکتور کاست. با خالص ماندن پلاسما و عاری بودن از آلاینده‌های جذب‌کننده گرما، تیم توانست سوخت بیشتری را پمپاژ کند و چگالی را بالاتر و بالاتر ببرد. پلاسما خود را تثبیت کرد و وارد حالتی شد که محققان آن را «رژیم بدون چگالی» نامیدند.[1][3]

پیامدهای این کشف برای آینده انرژی گداخت تجاری بسیار عمیق است. از آنجایی که خروجی انرژی به صورت تصاعدی با چگالی پلاسما افزایش می‌یابد، شکستن حد گرین‌والد به این معنی است که نیروگاه‌های آینده می‌توانند برق بسیار بیشتری نسبت به مدل‌سازی‌های قبلی تولید کنند. یک رآکتور که در ۱.۵ برابر حد گرین‌والد کار می‌کند، از نظر تئوری می‌تواند بیش از دو برابر توان رآکتوری را که توسط قوانین قدیمی محدود شده است، تولید کند.[7]

از طرف دیگر، این پیشرفت می‌تواند به مهندسان اجازه دهد تا اندازه رآکتورهای آینده را کوچک‌تر کنند. اگر یک پلاسمای کوچک‌تر و چگال‌تر بتواند همان مقدار انرژی را تولید کند که یک پلاسمای عظیم و کم‌چگالی تولید می‌کند، هزینه‌های سرمایه‌ای ساخت نیروگاه‌های گداخت هسته‌ای می‌تواند به شدت کاهش یابد. این امر یکی از انتقادات اصلی به انرژی گداخت را برطرف می‌کند: اینکه مقیاس و هزینه محض زیرساخت‌های لازم، برق تولیدی را برای رقابت با باد، خورشید یا شکافت هسته‌ای پیشرفته بسیار گران خواهد کرد.[7]

این یافته‌ها به ویژه برای ایتر (ITER)، ابررآکتور بین‌المللی که در حال حاضر در جنوب فرانسه در حال مونتاژ است، مرتبط هستند. ایتر طراحی شده است تا اولین دستگاه گداخت باشد که انرژی خالص تولید می‌کند—یعنی ده برابر بیشتر از آنچه مصرف می‌کند، توان تولید کند. اگر تکنیک‌های پیشگامانه در ایست (EAST) بتوانند با موفقیت برای ایتر سازگار شوند، حاشیه‌های عملیاتی و کارایی کلی پروژه می‌توانند به طور قابل توجهی بهبود یابند.[4][7]

در حالی که آزمایش ایست (EAST) یک جهش بزرگ رو به جلو است، به این معنی نیست که گداخت تجاری فردا از راه می‌رسد. رآکتور این چگالی‌های بی‌سابقه را تنها برای چند ثانیه حفظ کرد و ورودی کلی انرژی همچنان از انرژی گداخت تولید شده فراتر بود. چالش بزرگ بعدی برای جامعه فیزیک جهانی این خواهد بود که این حالت چگالی بالا و محصورسازی بالا را برای ساعت‌ها یا روزها حفظ کند، در حالی که به طور همزمان به دستاورد انرژی خالص نیز برسد.[3][5][7]

با این وجود، موانع روانی و مهندسی که تحقیقات گداخت را برای ۳۶ سال محدود کرده بودند، به طور دائمی برداشته شدند. محققان در هفئی با اثبات اینکه حد گرین‌والد یک مانع مهندسی است نه یک مطلق فیزیکی، مسیری جدید و بسیار تسریع شده را به سوی رویای انرژی نامحدود و بدون کربن گشوده‌اند.[2][7]