راکتور گداخت هسته‌ای جت (JET) اروپا و آزمایش‌های پیشرو در پلاسما

راکتور گداخت هسته‌ای جت (JET)، یا حلقه توروسی اروپایی مشترک، یکی از پیشرفته‌ترین دستگاه‌های تحقیقاتی همجوشی هسته‌ای در جهان است که از سال ۱۹۸۳ در مرکز فیوژن کالام نزدیک آکسفورد بریتانیا فعالیت می‌کند. راکتور جت با طراحی توروسی، پلاسما را در دمای ۱۵۰ میلیون درجه سلسیوس محبوس می‌کند و به عنوان پیش‌درآمدی برای راکتورهای آینده مانند پروژه ایتر عمل می‌کند. JET با همکاری ۲۸ کشور اروپایی، بیش از ۴۰ سال داده‌های حیاتی جمع‌آوری کرده و رکوردهای جهانی در تولید انرژی همجوشی را ثبت نموده است. این راکتور به عنوان بزرگ‌ترین و قدرتمندترین توروس ساخته‌شده، نقش کلیدی در درک رفتار پلاسما، مدیریت گرما و تولید تریتیوم ایفا کرده و به دانشمندان کمک کرده تا به سمت انرژی پاک و نامحدود گام بردارند.

راکتور جت در سال ۱۹۷۱، زمانی که کشورهای عضو جامعه انرژی اتمی اروپا (Euratom) بر سر برنامه همجوشی توافق کردند، پایه‌گذاری شد و هدف آن، تولید یک دستگاه اروپایی برای تحقیقات همجوشی بود. در سال ۱۹۷۳، پیشنهاد ساخت JET مطرح شد و پس از سه سال طراحی، در دسامبر ۱۹۷۷، سایت کالام به عنوان مکان میزبانی انتخاب شد. تأمین مالی در آوریل ۱۹۷۸ تأیید شد و “تعهد مشترک JET” به عنوان نهاد قانونی تشکیل گردید. ساخت، از ژانویه ۱۹۷۹ آغاز شد و در ژوئن ۱۹۸۳، اولین پلاسما تولید شد، که JET را به بزرگ‌ترین توروس جهان با حجم ۸۴ مترمکعب تبدیل کرد.

مشخصات راکتور گداخت هسته‌ای JET

معرفی راکتور گداخت هسته‌ای جت (JET) اروپا

راکتور گداخت هسته‌ای جت یا Joint European Torus یکی از بزرگ‌ترین و پیشرفته‌ترین پروژه‌های تحقیقاتی در حوزه گداخت هسته‌ای در جهان است. این راکتور در شهر کالام، آکسفوردشر بریتانیا قرار دارد و توسط کنسرسیومی از کشورهای اروپایی تحت نظارت سازمان EUROfusion اداره می‌شود. هدف اصلی از ساخت این سامانه، بررسی عملی امکان استفاده از گداخت هسته‌ای برای تولید انرژی پاک و پایدار بوده است. JET نخستین راکتور در جهان بود که توانست واکنش گداخت را با سوخت دوتریوم و تریتیوم به‌صورت کنترل‌شده ایجاد کند.

در مقایسه با سایر پروژه‌های تحقیقاتی مانند ITER، راکتور JET نقش زیربنایی و آزمایشی دارد. این تأسیسات از زمان راه‌اندازی در سال ۱۹۸۳ تا امروز، نقشی اساسی در توسعه فناوری گداخت، به‌ویژه در طراحی توکامک‌ها، ایفا کرده است. این مرکز نه تنها از نظر فناوری، بلکه از دید همکاری بین‌المللی، نمادی از اتحاد علمی اروپا در مسیر دستیابی به انرژی آینده به شمار می‌آید.

هدف از طراحی و ساخت این راکتور آزمایشی

هدف اصلی از ساخت JET، ایجاد بستری برای آزمایش مفاهیم بنیادی گداخت هسته‌ای در شرایط نزدیک به نیروگاه واقعی بود. این پروژه از ابتدا با این رویکرد طراحی شد که بتواند پلاسمایی پایدار و داغ‌تر از دمای مرکز خورشید را ایجاد و نگه‌داری کند تا رفتار مواد و میدان‌های مغناطیسی در چنین دماهایی بررسی شود.

علاوه بر پژوهش‌های بنیادی، JET نقش تعیین‌کننده‌ای در آماده‌سازی فناوری برای پروژه عظیم‌تر ITER در جنوب فرانسه داشت. بسیاری از اجزای کلیدی، از جمله سیستم‌های گرمایش پلاسما و کنترل مغناطیسی، در JET توسعه یافتند و سپس در ITER مورد استفاده قرار گرفتند. بدین ترتیب، JET نه‌تنها یک آزمایشگاه، بلکه سکوی پرتابی برای آینده گداخت هسته‌ای محسوب می‌شود.

ساختار کلی و عملکرد توکامک JET

JET بر پایه طراحی «توکامک» بنا شده است؛ توکامک نوعی راکتور حلقوی‌شکل است که از میدان‌های مغناطیسی قوی برای نگهداری پلاسما در حالت تعلیق استفاده می‌کند. پلاسما درون محفظه‌ای دوناتی‌شکل با دمای بیش از ۱۵۰ میلیون درجه سانتی‌گراد قرار دارد. در این حالت، اتم‌های دوتریوم و تریتیوم با هم ترکیب شده و انرژی عظیمی آزاد می‌کنند.

ساختار JET شامل محفظه پلاسما، سیم‌پیچ‌های مغناطیسی، سامانه‌های گرمایشی (مانند تزریق ذرات پرانرژی و امواج رادیویی)، و سیستم‌های خلأ پیشرفته است. کنترل دقیق فشار، دما و میدان مغناطیسی از مهم‌ترین چالش‌های عملکردی این توکامک محسوب می‌شود.

طراحی فنی راکتور گداخت هسته‌ای جت و ساختار توروسی

طراحی فنی راکتور جت، بر پایه مفهوم توروسی استوار است که پلاسما را با میدان‌های مغناطیسی محبوس می‌کند و JET را به دستگاهی با شعاع اصلی ۲.۹۶ متر و شعاع جزئی ۱.۲۵ متر تبدیل کرده است. حلقه توروسی، از ۳۶ کویل TF (میدان توروسی) با جریان ۶۶,۰۰۰ آمپر تشکیل شده و وزن کل راکتور ۸,۰۰۰ تن می‌رساند. دیواره داخلی، از کربن فایبر کامپوزیت و بریلیم ساخته شده و گرمای پلاسما را تحمل می‌کند.

ساختار با سیستم وکیوم ۱۰^-۹ پاسکال، پلاسما را ایزوله می‌کند و کویل‌های PF (میدان پلاسمایی) شکل را کنترل می‌کنند. JET، با قدرت گرمایش ۳۸ مگاوات، از ICRF و NB استفاده می‌کند و سنسورهای تشخیصی، دما را تا ۱۵۰ میلیون درجه اندازه‌گیری می‌کنند.

عملکرد پلاسما در راکتور جت و رکوردهای جهانی

پلاسما در راکتور گداخت هسته‌ای جت با دستیابی به دمای ۱۵۰ میلیون درجه و چگالی ۵×۱۰^۱۹ ذره بر مترمکعب، شرایط راکتور را شبیه‌سازی می‌کند و زمان محبوس‌سازی را به ۵.۲ ثانیه رسانده است. در کمپین نهایی DTE3، JET ۶۹ مگاژول انرژی تولید کرد، که رکورد جهانی است و Q=0.67 (نسبت انرژی تولید به ورودی) را به دست آورد. این عملکرد از گرمایش خنثی پرتو (NB) و امواج فرکانس یونی بالا (ICRF) ناشی می‌شود و پلاسما را پایدار نگه می‌دارد. JET، در ۱۹۹۷، ۱۶ مگاوات قدرت همجوشی تولید کرد و در ۲۰۲۲، ۵۹ مگاژول را ثبت نمود.

دستاوردهای کلیدی راکتور جت، شامل اولین همجوشی کنترل‌شده در ۱۹۹۱ با مخلوط تریتیوم-دوتریوم است که ۲ مگاوات قدرت تولید کرد و JET را به پیشگام بدل نمود. در ۱۹۹۷، رکورد ۲۲.۷ مگاژول را ثبت کرد و در ۲۰۲۱، ۵۹ مگاژول را به دست آورد. JET در DTE3، سناریوهای ITER را آزمایش کرد و گرمایش آلفا را مشاهده نمود.

تفاوت گداخت و شکافت در فیزیک هسته‌ای

شکافت هسته‌ای که در نیروگاه‌های هسته‌ای معمولی مانند نیروگاه چرنوبیل به کار می‌رود، با شکستن هسته‌های سنگین مانند اورانیوم همراه است. در مقابل، گداخت فرایندی است که در آن هسته‌های سبک به هم متصل می‌شوند. شکافت مقادیر زیادی پسماند رادیواکتیو تولید می‌کند، در حالی که گداخت تقریباً فاقد ضایعات خطرناک بلندمدت است. همچنین گداخت از نظر ایمنی برتری دارد، زیرا واکنش در صورت توقف میدان مغناطیسی یا افت دما، بلافاصله خاموش می‌شود. این ویژگی باعث شده که بسیاری از دانشمندان گداخت را منبع «ایمن‌ترین انرژی هسته‌ای» در آینده بدانند.

اصول علمی گداخت هسته‌ای و تولید انرژی

گداخت هسته‌ای فرآیندی است که در آن دو هسته سبک اتمی با هم ترکیب شده و هسته‌ای سنگین‌تر تشکیل می‌دهند. این واکنش در طبیعت، درون ستارگان از جمله خورشید رخ می‌دهد. برای انجام گداخت مصنوعی روی زمین، باید شرایطی مشابه مرکز خورشید فراهم کرد، یعنی دمای بسیار بالا و فشار مناسب تا اتم‌ها از سد کولنی خود عبور کنند.

در راکتور گداخت هسته‌ای جت، واکنش میان دوتریوم و تریتیوم سبب تولید هلیوم و یک نوترون پرانرژی می‌شود. انرژی حاصل از این واکنش، به‌صورت حرارتی آزاد می‌گردد و در آینده می‌تواند برای تولید برق از طریق توربین‌ها مورد استفاده قرار گیرد. هدف اصلی محققان، افزایش بازده انرژی یا همان نسبت خروجی انرژی به ورودی گرمایی است.

چگونگی تولید پلاسما در محفظه JET

برای ایجاد پلاسما، ابتدا گاز دوتریوم و تریتیوم در محفظه تخلیه‌شده تزریق می‌شود. سپس جریان الکتریکی قوی در حلقه مرکزی برقرار می‌گردد تا دما به میلیون‌ها درجه سانتی‌گراد برسد. در این حالت، الکترون‌ها از هسته‌ها جدا می‌شوند و محیطی از ذرات باردار به وجود می‌آید که همان پلاسما است. JET از سه روش گرمایش استفاده می‌کند: گرمایش اهمی (برق مستقیم)، تزریق ذرات پرانرژی، و تابش امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بالا. ترکیب این روش‌ها به حفظ پایداری دمای پلاسما در زمان طولانی کمک می‌کند.

کنترل دما و میدان مغناطیسی در توکامک راکتور گداخت هسته‌ای جت

در راکتور گداخت هسته‌ای جت، میدان مغناطیسی نقش کلیدی در نگهداری پلاسما دارد. شدت میدان به حدود ۳ تا ۴ تسلا می‌رسد و با استفاده از چندین سیم‌پیچ فوق‌رسانا کنترل می‌شود. اگر میدان دچار نوسان شود، پلاسما ممکن است با دیواره تماس پیدا کند و آسیب ببیند. کنترل دما نیز از طریق سامانه‌های بازخوردی بسیار پیشرفته انجام می‌شود. سنسورهای متعدد درون راکتور، دمای لحظه‌ای پلاسما را اندازه می‌گیرند و سیستم کنترل مرکزی به‌طور خودکار توان ورودی را تنظیم می‌کند تا پایداری حفظ شود.

مواد سازنده دیواره داخلی راکتور

دیواره داخلی JET با موادی ساخته شده که در برابر دمای بالا، تابش نوترونی و سایش مقاوم باشند. در ابتدا از گرافیت استفاده می‌شد، اما در ارتقاهای بعدی از آلیاژ بریلیم برای دیواره اصلی و تنگستن برای صفحات انحراف‌دهنده پلاسما بهره گرفته شد. این ترکیب موجب کاهش آلودگی پلاسما و افزایش دوام تجهیزات شد. انتخاب این مواد، مستقیماً بر عملکرد ITER نیز تأثیر گذاشت و تجربیات حاصل از JET در طراحی مواد سازنده دیواره‌های راکتور آینده نقش کلیدی ایفا کرد.

آزمایش‌های تریتیوم-دوتریوم در راکتور جت

آزمایش‌های تریتیوم-دوتریوم از ۱۹۹۱ آغاز شد و در ۱۹۹۷، با مخلوط ۵۰-۵۰، ۱۶ مگاوات قدرت تولید کرد. در DTE3، JET ۶۹ مگاژول در ۵.۲ ثانیه به دست آورد و تریتیوم را بازیافت کرد. این آزمایش‌ها، پلاسمای سوزان را شبیه‌سازی کردند و مدیریت تریتیوم را آزمایش نمودند. JET، ۲.۵ گرم تریتیوم استفاده کرد و بازیافت ۹۹ درصدی داشت.

سیستم‌های خنک‌کننده راکتور جت، با دیواره‌های کربنی و بریلیوم، گرمای ۱۰ مگاوات را مدیریت می‌کنند و پلاسما را از دیواره جدا می‌کنند. دیورتور، گرما را به ۲۰ مگاوات بر مترمربع تحمل می‌کند و با خنک‌کننده آب، دما را کنترل می‌کند. مدیریت گرما، با پمپ‌های خنک‌کننده ۱۰۰۰ لیتر بر ثانیه، JET را ایمن نگه می‌دارد و از فرسایش جلوگیری می‌کند.

ابزارهای تشخیصی راکتور جت، شامل طیف‌سنجی X-ray و لیزرهای توموگرافی، دما و چگالی پلاسما را اندازه‌گیری می‌کنند. سیستم LIDAR، سرعت را ردیابی می‌کند و مغناطیس‌سنج‌ها، میدان را نظارت می‌کنند. این ابزارها بیش از ۵۰ سیستم تشخیصی دارند و داده‌های ۸۰,۰۰۰ پالس را جمع‌آوری کرده‌اند.

نقش راکتور گداخت هسته‌ای جت در برنامه ITER و همجوشی آینده

نقش راکتور جت در برنامه ITER، آزمایش سناریوهای پلاسمایی و دیواره‌های ITER است و داده‌های DTE3، ITER را به Q=10 رساند. JET، مواد بریلیم و تنگستن را آزمایش کرد و مدیریت تریتیوم را معرفی نمود. مطالعات اخیر راکتور جت، در DTE3، رکورد ۶۹ مگاژول را ثبت کرد و گرمایش آلفا را مشاهده نمود. این مطالعات، حمل گرما را تأیید کردند و تریتیوم را بازیافت کردند. تأثیر راکتور گداخت هسته‌ای جت بر تحقیقات همجوشی جهانی، با آموزش ۳۰۰۰ دانشمند و همکاری با ITER، علم را پیش برده و رکوردهای JET، استاندارد راکتورها را تعیین کرده است.

ویژگی‌های اصلی راکتور گداخت هسته‌ای جت (JET) اروپا

• بزرگ‌ترین راکتور گداخت هسته‌ای فعال در جهان پیش از ITER است.
• از ساختار توکامک با میدان مغناطیسی دایره‌ای استفاده می‌کند.
• توانایی ایجاد پلاسما با دمای بیش از ۱۵۰ میلیون درجه سانتی‌گراد را دارد.
• سوخت اصلی آن ترکیب دوتریوم و تریتیوم است.
• هدف اصلی آن، بررسی تولید انرژی از گداخت پایدار و کنترل‌شده است.

وضعیت فعلی پروژه

در سال‌های اخیر، راکتور گداخت هسته‌ای جت آخرین مجموعه آزمایش‌های خود را پیش از توقف کامل در سال ۲۰۲۴ انجام داد. در یکی از آزمایش‌های نهایی، این راکتور موفق شد ۱۱ مگاژول انرژی گداختی تولید کند که رکوردی در تاریخ انرژی گداخت محسوب می‌شود.

اکنون پس از چهار دهه فعالیت، راکتور JET به‌عنوان منبعی بی‌نظیر از داده‌های علمی و تجربیات مهندسی در اختیار پروژه‌های آینده مانند ITER قرار گرفته است. مهندسان در حال بررسی نحوه جداسازی، بازیافت و مستندسازی تجهیزات JET هستند تا دستاوردهای آن برای نسل آینده فیزیک‌دانان حفظ شود.