7 دقیقه
زمینه: چرا تریتیوم برای همجوشی اهمیت دارد
همجوشی هستهای — فرایند ترکیب هسته‌های سبک برای آزادسازی انرژی — به‌طور گسترده بهعنوان منبع بالقوهٔ برق فراوان و کم‌کربن شناخته میشود. در میان واکنشهای پیشنهادی همجوشی، واکنش دوتریوم–تریتیوم (D–T) برای دستگاه‌های نسل اول در دسترس‌تر است زیرا نسبت به مسیرهای دیگر به دما و ورودی انرژی کمتری نیاز دارد. تریتیوم، ایزوتوپ پرتوزای هیدروژن، سوخت ضروری برای همجوشی D–T است اما نادر، پرهزینه برای تولید و دارای نیمه‌عمر حدود 12.3 سال است (تقریباً ۵٫۵٪ کاهش در سال در ذخایر کلی).
ترنس تارنوفسکی، فیزیکدان آزمایشگاه ملی لس آلاموس، در نشست پاییزهٔ انجمن شیمی آمریکا پیشنهادی مطرح کرد که نشان می‌داد میتوان تریتیوم را از موادی که در سوخت هستهای مصرفشده وجود دارند تولید کرد. مفهوم او بر تبدیل برخی مولفه‌های پسماند هستهای با عمر طولانی به سوخت مفید همجوشی با استفاده از تابش هدفمند و شتابدهندههای ذرات مبتنی است. اگر عملی و اقتصادی باشد، این رویکرد میتواند دو چالش راهبردی توسعهٔ همجوشی را حل کند: تامین سوخت و مدیریت بلندمدت پسماند مصرفشده.
روش پیشنهادی: تولید تریتیوم از سوخت هستهای مصرفشده
نیروگاه‌های هستهای استاندارد با شکافت کار میکنند؛ هسته‌های سنگین مانند اورانیوم را می‌شکنند تا انرژی آزاد شود. نتیجه، پسماند سوخت هستهای مصرفشده است که حاوی اورانیوم و پلوتونیوم باقی‌مانده به‌علاوه ترکیبی از محصولات شکافت و ایزوتوپ‌های رادیواکتیو است که برای دهه‌ها تا میلیون‌ها سال خطرناک باقی می‌مانند. تارنوفسکی پیشنهاد میدهد از یک شتاب‌دهندهٔ ذرات برای القای واکنشهای انتقال هستهای در این پسماندها استفاده شود تا تریتیوم را بهعنوان فرآوردهٔ جانبی تولید کند.
چگونگی عملکرد (مرور کلی)
- یک شتاب‌دهندهٔ ذرات یا منبع مشابه ذرات پرانرژی (پروتون، نوترون یا الکترون) ذرات را به سوخت مصرف‌شدهٔ پردازش‌شده یا بخشهای مشخصی از پسماند وارد می‌کند.
- این تعاملات واکنشهای هستهای (اسپالیشن و انتقال هستهای) را القا میکنند که ایزوتوپ‌های موجود را به نوکلیدهای دیگر تبدیل کرده و در نهایت مقداری تریتیوم به‌دست می‌آورند.
- تریتیوم به‌صورت شیمیایی جدا و بازیابی میشود تا بهعنوان سوخت همجوشی استفاده شود؛ مواد باقی‌مانده همچنان رادیواکتیو هستند و باید مدیریت شوند.
تارنوفسکی تأکید می‌کند که فیزیک پایهٔ چنین فرایندهای انتقال هستهای به‌خوبی شناخته‌شده است و پیشرفت‌های اخیر در فناوری شتاب‌دهنده و مواد میتواند کارآیی این روش را نسبت به مفاهیم قدیمی‌تر به‌طور قابل‌توجهی افزایش دهد.
عملکرد، هزینه‌ها و پیامدهای عملی
در برآوردهای اولیه، تارنوفسکی محاسبه می‌کند که ورودی انرژی در حدود یک گیگاوات-سال (مقیاسی عملیاتی بزرگ با هزینههای سرمایهای و برق که احتمالاً ده‌ها میلیون دلار در سال خواهد بود) میتواند حدود ۲ کیلوگرم (۴٫۴ پوند) تریتیوم در سال تولید کند. آن مقدار تریتیوم، در صورت مصرف در راکتورهای همجوشی، میتواند برق مورد نیاز ده‌ها هزار خانهٔ آمریکایی را برای یک سال تأمین کند — که نشان‌دهندهٔ چگالی بالای انرژی سوخت همجوشی است.
عرضه‌های فعلی تریتیوم در ایالات متحده محدود و پرهزینه است: برآوردهای بازار و دولت هزینه را حدود ۱۵ میلیون دلار به‌ازای هر پوند (حدود ۳۳ میلیون دلار به‌ازای هر کیلوگرم) برآورد میکنند. تبدیل پسماند مصرف‌شدهٔ فراوان و متعلق به دولت به تریتیوم میتواند بنابراین هم بهعنوان راه‌حل راهبردی تأمین و هم روشی برای افزودن ارزش به موجودیهای رادیواکتیو موجود عمل کند.
با این حال، نکات احتیاطی مهمی باقی است. فرایند پیشنهادی آلودگی رادیواکتیوی طولانیمدت را حذف نمی‌کند: مواد باقی‌مانده پس از تولید تریتیوم همچنان خطرناک خواهند بود و نیاز به نگهداری یا دفع ایمن دارند. بررسیهای تنظیمی، امنیتی و زیستمحیطی لازم است و اقتصاد این طرح به‌شدت به هزینههای عملیاتی، سرمایه‌گذاری در شتابدهندهها و فناوری جداسازی بستگی دارد.
چالش‌های فنی و مقرراتی
چندین چالش مهم باید پیش از اجرای این رویکرد در مقیاس گسترده حل شوند:
- نمونه‌نمایش مهندسی: لازم است یک تأسیسات پایلوت ایجاد شود تا نشان دهد شتابدهندهها می‌توانند پسماند سوخت را به‌صورت کارآمد و با هزینهٔ قابل‌قبول منتقل کنند.
- دستکاری و ایمنی پسماند: فرآوری سوخت مصرفشده برای امکان‌پذیر ساختن تابش و جداسازی شیمیایی شامل حفاظت‌های پیچیدهٔ پرتویی و تدابیر حفاظتی برای جلوگیری از انتشار به محیط زیست است.
- اشاعه و سیاست: هر فرایندی که شامل مواد دارای پلوتونیوم باشد نیاز به نظارت شدید برای جلوگیری از انحراف یا سوءاستفاده دارد.
- اقتصاد: ارزش اقتصادی تریتیوم باید هزینههای سرمایهای و عملیاتی را جبران کند. بهبود کارایی شتاب‌دهنده و شیمی جداسازی حیاتی است.
دیدگاه کارشناسی
دکتر مایا سینگ، یک فیزیکدان پلاسما خیالی و تحلیل‌گر سیستم‌های انرژی، می‌گوید: "استفادهٔ مجدد از سوخت هستهای مصرفشده برای تولید تریتیوم، راهی خلاقانه برای پرداختن هم‌زمان به دو مسئلهٔ راهبردی است — تأمین سوخت برای استقرارهای اولیهٔ همجوشی و مدیریت موجودیهای رادیواکتیو. فیزیک این ایده قابل قبول است، اما آزمون واقعی مهندسی سامانه‌ها است: چگونه میتوان آن را ایمن، مقرون‌به‌صرفه و در چارچوب مقررات سخت اجرا کرد. اگر این موانع با برنامهٔ پایلوت رفع شوند، این مفهوم شایستهٔ توجه جدی است زیرا همجوشی از پژوهش به سمت تجاری‌سازی پیش می‌رود."
پیامدهای گسترده‌تر و فناوری‌های مرتبط
اگر محقق شود، تولید تریتیوم از پسماند میتواند اقتصاد و زمان‌بندی پیاده‌سازی را برای رآکتورهای همجوشی D–T تغییر دهد، نیاز به راکتورهای خاص تولید تریتیوم را کاهش دهد و از ذخایر پسماند متعلق به دولت بهره‌برداری کند. پیشرفت‌های مرتبط که قابلیت‌پذیری را افزایش می‌دهند شامل شتابدهندههای کاراتر، بهبود فرآوری و جداسازی شیمیایی برای بازیابی تریتیوم و استراتژی‌های یکپارچه مدیریت پسماند است که تولید را در کنار ذخیرهٔ امن هم‌مکان میکنند.
با این وجود، خودِ همجوشی هنوز با چالش علمی مرکزی به‌نام اشتعال روبرو است: دستیابی به سوختن همجوشی خودپایداری که به‌طور تجاری انرژی خالص تولید کند. تامین سوخت تنها یکی از موانع متعدد است؛ مهندسی یک نیروگاه همجوشی مقاوم و مقرون‌به‌صرفه همچنان چالشی میان‌رشته‌ای است که فیزیک پلاسما، علم مواد و مهندسی سامانه‌ها را شامل میشود.
نتیجه‌گیری
برداشت تریتیوم از پسماند سوخت هستهای مصرفشده با استفاده از انتقال هستهای هدایت‌شده توسط شتاب‌دهنده ایده‌ای امیدوارکننده است که میتواند گلوگاه بزرگی را برای نیروگاه‌های همجوشی اولیه کاهش دهد و در عین حال ارزشی از موجودیهای رادیواکتیو فعلی استخراج کند. این رویکرد نیاز به مدیریت بلندمدت پسماند را از بین نمی‌برد و با موانع فنی، اقتصادی و مقرراتی روبرو است که نیازمند پروژه‌های نمایشی و مطالعات دقیق‌اند. با پیشرفت پژوهش در زمینهٔ همجوشی، راهبردهای منعطف برای تولید سوخت — از جمله گزینه‌هایی که پسماندهای فعلی را دوباره‌مصرف میکنند — می‌توانند نقش مهمی در امکان‌پذیر ساختن استقرار عملی انرژی همجوشی کم‌کربن ایفا کنند.
منبع: livescience
.avif)
نظرات