چطور میتوان با ضربات هماهنگ شده چکش گداخت هسته ای تولید کرد

واو، چقدر روشنه. باید کلی انرژی مصرف کنه. خب، رسوندن شما هم به اینجا با هواپیما باید یه خورده ای انرژی برده باشه. پس کل سیاره به مقدار زیادی انرژی احتياج داره، و تا الآن ما بیشتر از سوخت های فسیلی استفاده کرده ایم. ما تا الآن گاز سوزوندیم. سواری خوبی بوده. ما رو به اینجایی رسونده که الآن هستیم، ولی مجبوريم متوقفش کنیم. دیگه نمی تونیم به اینکار ادامه بدیم.
ما الآن داریم انواع دیگه ی انرژی رو امتحان میکنیم، انرژی های جایگزین، ولی بهمون اثبات شده که کار سختیه که یک راهی رو پیدا کنیم که علاوه بر مناسب بودن مقرون به صرفه هم باشه مثل نفت، گاز و زغال سنگ. خود من انرژی هسته ای رو ترجیح میدم. چون، انرژی زیادی ایجاد می کنه، انرژی خوب و قابل اعتمادی تولید می کنه، و دی اکسید کربن هم تولید نمی کنه.
ما امروزه دو نوع واکنش هسته ای رو میشناسیم که باعث تولید انرژی میشه : شكافت و هم جوشی. خب در شكافت، ما یک هسته اتم بزرگ رو میگیریم و به دو قسمت تقسیمش میکنیم. که کلی انرژی تولید ميشه، و این همون کاریه که امروزه رآکتور های هسته ای انجام میدن. خیلی خوب هم جواب ميده. و اون یکی هم جوشيست. من شخصا هم جوشی رو ترجیح میدم كه خیلی بهتره. خب در اینجا ما دو تا هسته اتم کوچک رو میگیریم، میریزیمشون رو هم، و هلیوم درست می کنیم، و این خیلی خوبه. کلی انرژی ایجاد میکنه. این راه تولید انرژی توسط طبیعته. خورشید و تمام ستارگان هستی از هم جوشی تغذیه میشن. خب، یک رآکتور هم جوشی، در حقیقت خیلی مقرون به صرفه خواهد بود و همین طور خیلی ایمن. ضایعات اون فقط تا مدت کوتاهی رادیواکتیو اند، و ذوب نمی شه. و در عین حال، سوخت هم جوشی از اقیانوس گرفته میشه. شما می تونین سوختش رو از اقیانوس استخراج کنین به ازای حدودا یک هزارم سنت برای هر کیلووات-ساعت، بنابرین خیلی خیلی ارزونه. و اگه انرژی همه سیاره از هم جوشی تامین می شد، میتونستیم سوخت رو از اقیانوس استخراج کنیم. و برای میلیارد ها میلیارد سال کارمی کرد .
خب، اگه هم جوشی اینقدر خوبه پس چرا ازش استفاده نمی کنیم؟ پس کجاست؟ خب، همیشه یه مقدار مشکلات هست. انجام هم جوشی کار خیلی خیلی سختیه. مشکل اینه، اون دو تا هسته اتم، هردوتاشون بار مثبت دارن، بنابراین تمایلي به گداخت ندارند. اینوری می رن! اونوری می رن! بنابرین برای اینه که گداختشون بدیم، باید با سرعت زیادی به سمت هم پرتابشون کنیم، و اگه سرعت کافی داشته باشن، برخلاف جهت پس زدن میدان الکتریکیشون حرکت می کنن، و به هم برخورد می کنن، و انرژی تولید می کنن. خب، سرعت ذرات یک ابزار برای اندازه گيری دماست. بنابرین دمای لازم برای گداخت هسته ای حدود صد و پنجاه میلیارد درجه سانتی گراد هست. نسبتا گرمه! و این دلیل اینه که انجام هم جوشی اینقدر سخته.
باگ(مشكل) كوچولوی هم جوشی خودم رو وقتی فهميدم كه مدرک دكتری خودم رو از دانشگاه بريتيش كلمبيا گرفتم، و بعدش يه شغل خوب در يک مركز چاپگر ليزری پيدا كردم كه برای صنعت چاپ، چاپگر ميساخت. برای ده سال در اونجا كار كردم و يكم دلم رو زد و بعدش در حالی كه چهل سالم شده بود و بحران ميانسالی رو تجربه ميكردم، همونطور كه ميدونيد چيزهای معمول در اين دوره: من كيستم؟! بايد چه كنم؟ بايد چه كنم؟ چه ميتوانم بكنم؟ و به همين صورت نگاهی به كار خوب خودم انداختم و فهميدم كارم درحقيقت قطع درختان جنگلهاست در همين محدوده B.C (بريتيش كلمبيا) و همينطور دفن همه شما زيرِ ميليونها تُن هرزنامه! خوب، بايد گفت كه خيلی رضايت بخش و ارضا كننده نبود. به همين دليل بعضيا يه پورشه ميخرن. بعضي ديگه يه جور معشوقه برا خودشون دست و پا ميكنن. ولی من تصميم گرفتم اين وضعيتم رو برای حل مشكل گرمايش جهانی بكار ببندم و همجوشی رو به واقعيت بدل كنم.
خوب، اولين چيزی كه انجام دادم اين بود كه به تحقيقات علمی نگاهی بندازم و ببينم كه همجوشی چطور كار ميكنه؟ خوب، فيزيكدانان برای مدت كوتاهی روی همجوشی كار كرده بودن و يكي از روشهايی كه گداخت رو ايجاد ميكنن استفاده از تجهيزاتيست به نام tokamak كه يک حلقه بزرگ از سیم پیچ مغناطيسی ست سیم پیچ ابررسانا كه ميدان مغناطيسی را حول چنين حلقه ای ايجاد ميكند و گازداغ ميان آن كه پلاسما ناميده ميشود، در اين بين گير مي افتند. ذرات روی ديوار دايره ای، ميچرخند و ميچرخند و ميچرخند. ذرات روي ديوار دايره ای، ميچرخند و ميچرخند و ميچرخند. و در اين ناحيه مقادير زیادی گرما آزاد ميكنند تا سعی كنند تا به دماي گداخت برسند. خوب اينم داخل يه دونه از اين شيرينيهای دونات در بخش سمت راست ميتونيد پلاسمای گداخت رو ببينيد.
و اما روش دوم ايجاد گداخت بكار بستن گداخت ليزريست. تو گداخت ليزری شما يه توپ كوچك پينگ پونگ داريد سوخت گداخت رو در مركز قرار ميديد و با شليک ليزر از همه جهات، اونو نيست و نابود ميكنيد ليزرها بسيار نيرومندند و باعث ميشوند كه توپ پينگ پنگ با سرعت بسيار زيادی فشرده بشه بشه و اگر چيزی رو به اندازه كافی فشار بديم، گرم ميشه و اگر اين كار رو با سرعت خيلی خيلی زياد انجام بديم و در عرض يک ميليارديوم ثانيه انجام بشه به اندازه ای گرما و انرژی توليد ميكنه كه گداخت هسته ای ايجاد ميشه خوب اينم از درون يكی از اين دستگاهها. ميتونيد بيم ليزر و گلوله رو ببينيد كه در مركز قرار دارند.
بيشتر مردم فكر ميكنند كه گداخت هيچ كجا صورت نميگيره اونا فكر ميكنند كه فيزيكدانان توی آزمايشگاهشون به سختی كار ميكنن ولي هيچ اتفاقی نميفته كه در واقع درست نيست. اين نموداريست كه استفاده از گداخت رو از۳۰سال گذشته تا كنون رو نشان ميده. همونطور كه ميبينيد امروزه ده هزار برابر زمانی كه اين كار رو شروع كرديم، توليد داريم. ده هزار برابر زمانی كه اين كار رو شروع كرديم، توليد داريم. كه پيشرفت نسبتا خوبيه. در حقيقت اين پيشرفت با سرعتی كه قانون افسانه ای موربیان می کنه در مورد تعداد ترانزيستورهایی كه ميشه روی يک ريزتراشه قرارداد انجام میشه. اين نقطه در اينجا JET نام داره كه مخفف "Joint European Torus" است. كه يك توكاماک دونات شكل بزرگ تو اروپا محسوب ميشه و اين ماشين در سال ۱۹۹۷ ۱۶ مگاوات انرژی همجوشی با مصرف ۱۷ مگاوات انرژی حرارتی، توليد كرد. خوب الان ممكنه كه بگيد خيلی به دردبخور نيست، ولي در حقيقت خيلی نزديكن به هم درنظر بگيريد كه حالا ميتونيم حدود ده هزار برابر بيشتر از زمانی كه شروع كرديم، انرژی بگيريم. اين نقطه دوم در اينجا NIF است. يا به عبارتي ديگر: "National Ignition Facility" كه يك ماشين ليزری بزرگ توی ايالات متحده است و ماه قبل اعلام كردند كه البته با كمی سروصدا كه توانسته اند مقدار بيشتری انرژی از گداخت توليد كنند نسبت به انرژی كه در توسط دستگاه و در مرکز اون توپ پينگ پونگ متمركز ميشه. البته هنوز اينقدر خوب نيست چون ليزری كه اين انرژی رو در وسط متمركز ميكنه به مراتب انرژی بيشتری مصرف ميكنه ولي تقريبا خوبه.
خوب اينم ITER است. كه به زبان فرانسوی اينگونه تلفظ ميشود: EE-tairh. كه يک كار گروهی بزرگ با شركت چندين كشوره كه يک دونات بسيار بزرگ مغناطيسی رو در جنوب فرانسه ساختن و اين ماشين، وقتی كه تكميل شد، ۵۰۰ مگاوات انرژی گداخت توليد خواهد كرد كه فقط ۵۰ مگاوات برای توليدش كافيه. پس درحقيقت اين يكی ديگه واقعا انرژی توليد ميكنه. اين يكی كار خواهد كرد. از اون ماشينهايی خواهد بود كه انرژی توليد ميكنن.
خوب اگر به نمودار نگاهی بندازيد متوجه خواهيد شد كه اون دو نقطه اندكی در سمت راست منحنی قرار دارند. ما به نوعی از پيشرفت بازمونديم. در واقع دانش توليد اون ماشينها دقيقا به موقع به دستمون رسيد تا تا بتونيم در امتداد اين منحنی توليد گداخت داشته باشيم. با اين حال، سياستهايی كه در كار بوده باعث شده تمايلی برای انجامش وجود نداشته به همين دليل به سمت راست منتقل شده ITER براي مثال، ميتونست سال ۲۰۰۰ يا ۲۰۰۵ ساخته بشه. ولي از اونجا كه يک كار گروهی بين المللی محسوب ميشه، سياست وارد كار شد و همين باعث كمی تاخير شد. برای مثال، حدود سه سال طول كشيد تا تصميم گرفته بشه كه اين مركز در چه منطقه ای ساخته بشه.
گداخت اغلب به اين دليل كه كمي بيش از حد گران تمام ميشه مورد انتقاد بوده. خوب بله، يك تا دو ميليارد دلار در سال بايد هزينه بشه خوب بله، يك تا دو ميليارد دلار در سال بايد هزينه بشه تا كار ساختش پيش بره. ولي بايد اين هزينه رو با هزينه انجام قانون مور(در مورد ترانزيستورها) مقايسه كرد. كه هزينه بيشتری طلب ميكنه. نتيجه قانون مور اين گوشيهاي همراهيه كه در جيب هممون وجود داره. اين گوشيهای همراه، و اينترنت همراه اونها حدود يك تريليون(يك ميليارد ميليارد) هزينه بر بوده است فقط برای اينكه امثال من بتونيم يه سلفی(عكس از خود) بگيريم و روی فیس‌بوک‌مون قرار بديم. تا وقتی پدرم ببينه بهم افتخار كنه. همچنين ما حدود ۶۵۰ ميليارد دلار در يك سال صرف يارانه نفت و گاز و انرژیهای تجديدپذير ميكنيم. پس فقط نيم درصد اين هزينه هارو صرف گداخت ميكنيم. كه من به شخصه فکر نمی کنم هزينه خيلي زيادي باشه. و درحقيقت يك جور زرنگی هم محسوب ميشه درنظر داشته باشيد كه ميتونيم همه مشكلات انرژی خودمون رو حل كنيم اون هم برای چند ميليارد سال آينده.
راحته كه من اين حرف هارو بگم ولي دراصل من خيلی بی طرف نيستم براي اينكه يك شركت گداخت رو تاسيس كرده ام و ديگر اينكه اصلا اكانت فیس‌بوک هم ندارم! وقتي در سال ۲۰۰۲ اين شركت گداخت رو راه انداختم ميدونستم كه با غولهای اين صنعت نميتونم دربيفتم. اونها منابع خيلی بيشتری نسبت به من در اختيار دارند. به همين دليل تصميم به يافتن راهي گرفتم كه هم ارزانتر و هم سريعتر باشه.
خوب، گداخت ليزری ومغناطيسی ماشينهای نسبتا خوبي هستن. اونها گوشه ای از پيشرفت شگرف فناوريند ماشينهايی شگفت انگيزی كه نشان داده اند انجام گداخت هسته ای میتونه انجام بشه. با اين حال به عنوان نيروگاه فكر نميكنم خيلی خوب باشند. اونها خيلی بزرگ، بسيار پيچيده و بسيار گران هستند همچنين به نسبت انرژی خيلی زيادی هم از انرژی گداخت به دست نميدهند. وقتي كه گداخت ايجاد ميكنيم، انرژی به صورت نوترونهاي پرسرعت بیرون میاد، و به شكل پلاسما نمود پيدا ميكنه. اين نوترونها به ديواره ها برخورد كرده و باعث خسارت به ماشين ميشوند. از طرف ديگر هم بايد از اين نوترونها گرما گرفت و بخارآبی رو راه بندازيم كه با اون در جايی ديگه توربيني رو به چرخش دربياريم كه روي همه اون ماشينها تا حدودی پس انديشه هايی(فكرهای جديدی) صورت گرفته بود به همين دليل يقين پيدا كردم كه بهترين روش انجامش اينه كه دقيقا در همون نقطه ای باشم كه اين فكرهای جديد معرفی ميكنن.
به همين دليل به مقالات علمی برگشتم و هرچه و هركجا در مورد گداخت بود رو مطالعه كردم يك روشي كه به طورخاص توجهم رو به خودش جلب كرد و "گداخت مغناطيسی هدفمند شده" نام دارد(magnetized target fusion) يا به اختصار:MTF در روش MTF، كاری كه ميخواهيم انجام بديم اينه كه يک خمره بزرگ برميداريم و اون رو با فلز مايع پر ميكنيم و فلز مايع رو به چرخش درمياريم تا در مركزش يك گردابه بوجود بياد يه چيزی شبيه لگن ظرفشويی که وقتی که لاستیک راه آب ظرفشویی را برمیداریم، یک گردابه درست میشود. سپس تعدای پیستون داریم که با فشار بیرون و داخل میشوند و باعث فشرده شدن فلز مایع اطراف پلاسما میشن که اونهم باعث فشرده شدن پلاسما میشه و مثل یک لیزر داغ و داغتر میشه(پلاسما) و در نهایت باعث تولید همجوشی هسته ای میشه پس ترکیبی از دو روش گداخت مغناطیسی و گداخت لیزری داریم. به همین دلیل مزایای هر دوروش را داراست. فلز مایع همه نوترونها را جذب میکند و هیچ نوترونی به دیواره آسیب نمیرساند و به همین دلیل به ماشین آسیبی نمیرسد. فلز مایع داغ میشود و میشه اون رو به یک مبدل حرارتی پمپ کرد، و تولید بخار داشت تا توربین به چرخش دربیاد. این قسمت از این فرایند به این روش به سهولت قابل انجام است. این قسمت از این فرایند به این روش به سهولت قابل انجام است. و دست آخر، همه انرژی مورد نیاز برای گداخت از پیستونهایی که با بخارحرکت می کنن تولید میشود که بسیار ارزانتر از لیزر یا سیم پیچهای ابر رسانا هستند.
خوب تا اینجا همه چیز خوب بود بجز این مشکل که این سیستم اصلا کار نمیکرد! (خنده) همیشه یه گیری هست. خوب، وقتی اونو فشرده میکنید پلاسما با سرعتی بیش از سرعت فشرده شدن، خنک میشه پلاسما با سرعتی بیش از سرعت فشرده شدن، خنک میشه بنابراین شما سعی میکنید که فشردش کنید ولی پلاسما خنک و خنکتر میشه و به همین دلیل هیچ کاری هم انجام نمیداد.
وقتی این حالت رو دیدم، گفتم عجب!، این قسمتش واقعا مایه خجالته چون ایده کلی، بسیار بسیار ایده خوبیه. که خوشبختانه من میتونم بهبودش بدم. برای یک دقیقه در موردش فکر کردم و گفتم بسیار خوب! چطور میتونم این کار رو بهبود بدم؟ بعدش در مورد ضربه فکر کردم. چی میشه اگر از یک چکش بزرگ استفاده کنیم که تابش بدیم و اینجوری به میخ بکوبیم تا به بخشی که میخ از چکش ضربه میخورد،ضربه وارد شود و اون رو هل بده تا داخل بره؟ ولی نه این روش جواب نمیده. خوب چیزی که هست اینه که از ایده یک ضربه استفاده کنیم. به همین دلیل پیستون را با بخار شتاب دادیم که کمی زمان میبره ولی بعدش گُرُمب! شما پیستون رو میکوبید و شَتَرَق! همه انرژی در یک لحظه اعمال میشه، و به صورت آنی به مایع انتقال داده میشه که باعث میشه پلاسما خیلی سریعتر فشرده بشه. به همین دلیل گفتم که آره! این خوبه و بیا بسازیمش!
بعدش ما این ماشین رو تو این گاراژ ساختیم. یه ماشین کوچک ساختیم که ترتیبی دادیم تا مقداری نوترون رو توش فشار بدیم که اون نوترونها، نوترونها بازاریاب من هستند که با اون نوترونها ی بازاریاب، تونستم پنجاه میلیون دلار پول دربیارم، و ۶۵نفر رو استخدام کنم. تیمم رو در اینجا میبینید. که اینم چیزی بود که میخواستیم بسازیم. ماشین بزرگی خواهد شد که حدودا در سه متر قطر مایع به چرخش درخواهد آمد و گردابه ای بزرگ در وسط پدید خواهد آمد پلاسما در بالا و پایین قرار خواهد گرفت و پیستون به بغل ضربه وارد میکند گُرُمب! فشردش میکنه، و مقداری انرژی تولید میکنه و نوترون وارد فلز مایع میشه، که وارد یک موتور بخار میشه و توربین رو بکار میندازه و بخشی از بخار برمیگرده تا پیستون رو شلیک کنه. قراره تا ثانیه ای یک بار بهش ضربه بزنیم که صد مگاوات هم الکتریسیته تولید میکنه.
بسیار خوب، این انژکتور رو هم ساختیم که برای شروع فرایند، پلاسما تولید میکنه. این پلاسما رو در یه دمای نیمه گرم حدود سه میلیون درجه سانتی گراد تولید میکنه. از بخت بد، به اندازه کافی پایدار نمیمونه به همین دلیل نیاز داریم تا عمر پلاسمارو کمی بیشترش کنیم البته ماه قبل خیلی بهتر شد، خوب حالا من فرض میکنم که همین حالا پلاسمای فشرده شده داریم. بعدش یک گوی کوچک به این اندازه درست میکنیم، چهارده پیستون هم اطرافش قرار میدیم که مایع رو فشرده خواهند کرد. با این حال فشرده کردن پلاسما سخته. وقتی که فشردش کردیم، تمایل داره که این شکلی یک کمی کج بشه، به همین دلیل نیازه که زمان بندی پیستونها خیلی خوب باشه، و به همین دلیل هم ما از چندین سیستم کنترلی استفاده کردیم که در سال ۱۹۷۰ممکن نبود ولی امروزه با دانش جدید و تروتمیز الکترونیک میتونیم انجامش بدیم. ولی امروزه با دانش جدید و تروتمیز الکترونیک میتونیم انجامش بدیم.
دست آخر، بسیاری فکر میکنند که گداخت چیزی مربوط به آینده است و رخ نخواهد داد، ولی در حقیقت گداخت خیلی نزدیکه و ما تقریبا انجامش دادیم. آزمایشگاههای بزرگ نشان داده اند که گداخت انجام شدنیست، و حالا شرکتهای کوچکی هستند که در موردش فکر میکنند و میگن چیز انجام نشدنی نیست ولی باید ببینیم چطور بسازیمش که صرفه اقتصادی داشته باشه. General Fusion یکی از اون شرکتای کوچکه وبه زودی یک نفر این گردوی سخت رو خواهد شکست که شاید اون General Fusion باشه.
بسیار سپاسگذارم.
(تشویق)