پروژه ایتر International Thermonuclear Experimental Reactor، از جاه‌طلبانه‌ترین پروژه‌های علمی جهان، با هدف اثبات امکان تولید انرژی پاک و پایدار از همجوشی هسته‌ای در حال اجراست. این پروژه که در جنوب فرانسه در حال ساخت است، همکاری بی‌سابقه‌ای بین 35 کشور از جمله اتحادیه اروپا، ایالات متحده، چین، ژاپن، روسیه، هند و کره جنوبی را به نمایش می‌گذارد. ایتر با استفاده از فناوری توکامک و میدان‌های مغناطیسی قوی، قصد دارد شرایط همجوشی هسته‌ای مشابه خورشید را بازسازی کند.
معرفی پروژه ITER
پروژه ITER یک آزمایشگاه عظیم همجوشی هسته‌ای است که در کاداراش، جنوب فرانسه، در حال ساخت است. این پروژه در سال 1985 با ایده همکاری بین‌المللی برای توسعه انرژی همجوشی شکل گرفت و در سال 2006 با امضای توافق‌نامه بین هفت شریک اصلی (اتحادیه اروپا، ایالات متحده، روسیه، ژاپن، چین، هند و کره جنوبی) رسماً آغاز شد. هدف اصلی ایتر، تولید 500 مگاوات انرژی همجوشی با تنها 50 مگاوات توان ورودی (Q=10) و آزمایش فناوری‌های کلیدی برای نیروگاه‌های همجوشی آینده است. ایتر نه‌تنها بزرگ‌ترین توکامک جهان با حجم پلاسمای 840 مترمکعب است، بلکه بستری برای آموزش دانشمندان و مهندسان آینده نیز محسوب می‌شود.
اهداف بلندمدت پروژه ITER
اهداف پروژه ایتر فراتر از ساخت یک راکتور آزمایشی است. این پروژه قصد دارد:
- اثبات امکان تولید انرژی خالص از همجوشی هسته‌ای با نسبت توان خروجی به ورودی 10:1
- آزمایش فناوری‌های کلیدی مانند آهنرباهای ابررسانا، سیستم‌های خنک‌کننده، و تولید تریتیم در داخل راکتور
- ایجاد زیرساخت‌های فنی، لجستیکی و سازمانی برای مدیریت پروژه‌های عظیم بین‌المللی
- آماده‌سازی مسیر برای راکتورهای نمایشی (DEMO) که برق تجاری تولید خواهند کرد.
ایتر همچنین به توسعه زنجیره تأمین و صنایع محلی در کشورهای عضو کمک می‌کند و انتظار می‌رود تا سال 2050 زمینه‌ساز تولید برق همجوشی در مقیاس تجاری شود.
بررسی عملکرد و ساختار راکتور ITER
راکتور ایتر از نوع توکامک است که پلاسمای داغ را با دمای 150 میلیون درجه سانتی‌گراد در یک محفظه دونات‌شکل (توروئیدی) نگه می‌دارد. ساختار اصلی شامل:
- محفظه خلأ (Vacuum Vessel): برای نگه‌داری پلاسما با وزن 5000 تن
- آهنرباهای ابررسانا: شامل 18 کویل میدان توروئیدی (360 تن هر کدام) و کویل‌های پولوییدی برای کنترل پلاسما
- کریواستات: یک محفظه عایق با حجم 16,000 مترمکعب برای حفظ دمای نزدیک به صفر مطلق (-269 درجه سانتی‌گراد)
- دیوار داخلی (Blanket): برای جذب نوترون‌ها و تولید تریتیم
این راکتور با حجم پلاسمای 10 برابر بزرگ‌تر از توکامک‌های قبلی (مانند JET)، برای آزمایش‌های طولانی‌مدت طراحی شده است.
همجوشی هسته‌ای چیست؟
همجوشی هسته‌ای فرآیندی است که در آن دو هسته سبک (مانند دوتریم و تریتیم، ایزوتوپ‌های هیدروژن) در دما و فشار بالا به هم می‌پیوندند و هسته سنگین‌تری (هلیوم) تولید می‌کنند، همراه با آزادسازی انرژی عظیم. این فرآیند منبع انرژی خورشید و ستارگان است. در ایتر، پلاسمای داغ در دمای 150 میلیون درجه سانتی‌گراد تحت میدان‌های مغناطیسی قوی محدود شده تا همجوشی رخ دهد. برخلاف شکافت هسته‌ای، همجوشی زباله رادیواکتیو بلندمدت تولید نمی‌کند و سوخت آن (دوتریم و تریتیم) از آب دریا و لیتیوم قابل استخراج است.
چگونه ITER دنیا را از سوخت‌های فسیلی بی‌نیاز می‌کند؟
پروژه ایتر با اثبات امکان تولید انرژی پاک و پایدار از همجوشی، می‌تواند وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهد. دوتریم از آب دریا و تریتیم از لیتیوم استخراج می‌شود، که برای میلیون‌ها سال کافی است. همجوشی هیچ گاز گلخانه‌ای تولید نمی‌کند. ایتر با دستیابی به Q=10، راه را برای راکتورهای تجاری مانند DEMO هموار می‌کند که می‌توانند برق پاک را به شبکه تزریق کنند، هرچند تجاری‌سازی تا اواسط قرن حاضر زمان‌بر خواهد بود.
همکاری 35 کشور برای ساخت خورشید مصنوعی
ایتر نتیجه همکاری 35 کشور است که 50 درصد جمعیت و 80 درصد تولید ناخالص داخلی جهان را نمایندگی می‌کنند. اتحادیه اروپا (شامل 27 کشور به علاوه بریتانیا و سوئیس) حدود 45 درصد هزینه‌ها را تأمین می‌کند، درحالی‌که سایر شرکا (چین، هند، ژاپن، کره جنوبی، روسیه و ایالات متحده) به‌صورت برابر مشارکت دارند. هر کشور قطعات خاصی را تولید می‌کند: ژاپن و اروپا کویل‌های میدان توروئیدی، هند کریواستات، و کره جنوبی محفظه خلأ را تأمین می‌کنند. این همکاری نه‌تنها فناوری را پیش می‌برد، بلکه روابط سیاسی را تقویت کرده و زنجیره‌های تأمین جهانی را توسعه می‌دهد.
تفاوت انرژی همجوشی و شکافت؛ نقش ITER
همجوشی و شکافت هسته‌ای تفاوت‌های اساسی دارند: شکافت هسته‌های سنگین (مانند اورانیوم) را تجزیه می‌کند، درحالی‌که همجوشی هسته‌های سبک را ترکیب می‌کند. شکافت زباله‌های رادیواکتیو بلندمدت تولید می‌کند، اما همجوشی زباله‌های کم‌حجم و کوتاه‌مدت دارد. شکافت خطر واکنش زنجیره‌ای دارد، اما همجوشی خودبه‌خود متوقف می‌شود. ایتر با آزمایش همجوشی دوتریم-تریتیم، امکان تولید انرژی پاک‌تر و ایمن‌تر را بررسی می‌کند و پلی بین آزمایش‌های کوچک‌تر (مانند JET) و نیروگاه‌های تجاری آینده است.
چالش‌های فنی در ساخت راکتور ITER
قطعات عظیم مانند کویل‌های مغناطیسی باید با تلورانس‌های میلی‌متری ساخته شوند. دیوار داخلی باید در برابر نوترون‌های پرانرژی و دمای بالا مقاوم باشد. ترک‌های کشف‌شده در لوله‌های خنک‌کننده سپر حرارتی و جوش‌های محفظه خلأ نیاز به تعمیرات گسترده داشت. همه‌گیری کووید-19 و مشکلات لجستیکی تولید قطعات را مختل کرد. این چالش‌ها باعث تأخیر در برنامه‌ریزی و افزایش هزینه‌ها شده‌اند، اما راه‌حل‌هایی مانند تعمیرات در محل و تست‌های اضافی در حال اجرا هستند.
وضعیت پیشرفت پروژه ITER تا سال 2025
تا آوریل 2022، ایتر به 85 درصد پیشرفت به‌سوی اولین پلاسما رسیده بود، اما تأخیرات متعدد برنامه را تغییر داد. در ابتدا، اولین پلاسما برای دسامبر 2025 برنامه‌ریزی شده بود، اما در جولای 2024، سازمان ایتر جدول زمانی جدیدی اعلام کرد:
- 2034: شروع عملیات با پلاسمای هیدروژن و دوتریم
- 2036: دستیابی به جریان پلاسمای کامل و انرژی مغناطیسی کامل
- 2039: عملیات کامل با سوخت دوتریم-تریتیم
مشکلات جوشکاری محفظه خلأ و ترک در لوله‌های خنک‌کننده، همراه با توقف ساخت توسط سازمان ایمنی هسته‌ای فرانسه (ASN) در سال 2022، از دلایل اصلی تأخیرات هستند. بااین‌حال، تکمیل 19 کویل میدان توروئیدی در سال 2024 یک دستاورد کلیدی بود.
نقش اروپا و آمریکا در پروژه ITER
اروپا، از طریق سازمان Fusion for Energy در بارسلونا، حدود 45 درصد بودجه و قطعات اصلی مانند کویل‌های مغناطیسی و کریواستات را تأمین می‌کند. مؤسسات آلمانی مانند Max-Planck-Institut و Forschungszentrum Jülich نیز در تحقیقات پلاسما مشارکت دارند. ایالات متحده، با مدیریت آزمایشگاه ملی Oak Ridge، حدود 9 درصد بودجه را تأمین کرده و مسئول طراحی و ساخت سیستم خنک‌کننده توکامک، سیستم‌های تشخیصی، خطوط انتقال گرمایش سیکلوترونی، و آهنرباهای مرکزی solenoid است. برنامه تحقیقاتی آمریکا برای پروژه ایتر، بر تعامل پلاسما-مواد و علوم هسته‌ای همجوشی متمرکز است.
فرآیند تولید انرژی در ITER چگونه است؟
مقدار کمی دوتریم و تریتیم به محفظه خلأ تزریق می‌شود. سیستم‌های گرمایش (پرتوهای ذرات و مایکروویو) پلاسما را به 150 میلیون درجه سانتی‌گراد می‌رسانند. آهنرباهای ابررسانا پلاسما را از دیواره‌ها دور نگه می‌دارند. هسته‌های دوتریم و تریتیم ترکیب شده و هلیوم و نوترون‌های پرانرژی تولید می‌کنند. نوترون‌ها توسط دیوار داخلی جذب شده و گرما تولید می‌کنند، که در آینده برای تولید بخار و برق استفاده خواهد شد. ایتر برق تولید نمی‌کند، اما گرمای 500 مگاواتی را برای 5-10 دقیقه تولید خواهد کرد.
فناوری مغناطیسی در قلب راکتور ITER
ایتر از بزرگ‌ترین سیستم مغناطیسی جهان با 19 کویل میدان توروئیدی، 6 کویل پولوییدی، و یک solenoid مرکزی استفاده می‌کند. این کویل‌ها از مواد ابررسانا (نوبیوم-تین و نوبیوم-تیتانیوم) ساخته شده و در دمای -269 درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند تا میدان مغناطیسی 12 تسلا تولید کنند. این میدان پلاسمای داغ را در مرکز توکامک نگه می‌دارد و از تماس با دیواره‌ها جلوگیری می‌کند. تکمیل solenoid مرکزی توسط General Atomics در سال 2025 یک نقطه عطف بود، که توانایی بلند کردن یک ناو هواپیمابر را دارد.
طراحی سیستم خنک‌کننده راکتور
سیستم خنک‌کننده ایتر شامل لوله‌های آب خنک‌کننده در دیوار داخلی و سپر حرارتی است که گرمای ناشی از نوترون‌ها را جذب می‌کند. این سیستم از آب تحت فشار مشابه نیروگاه‌های شکافت استفاده می‌کند، اما در آینده ممکن است از نمک مذاب برای کارایی بالاتر استفاده شود. کریواستات و سیستم‌های برودتی نیز آهنرباها را در دمای نزدیک به صفر مطلق نگه می‌دارند. مشکلات خوردگی در لوله‌های خنک‌کننده سپر حرارتی در سال 2023 کشف شد که نیاز به تعمیرات گسترده داشت. این سیستم برعکس برج خنک‌کن هسته‌ای برای دفع 500 مگاوات گرما در پالس‌های 7 دقیقه‌ای طراحی شده است.
بودجه و هزینه‌های پروژه
بودجه اولیه ایتر در سال 2006 حدود 6.3 میلیارد دلار برآورد شد، اما تا سال 2024 به بیش از 22 میلیارد دلار افزایش یافت. دلایل اصلی شامل تأخیرات، مشکلات فنی، و هزینه‌های بالای تولید قطعات است. اروپا 45 درصد، و هر یک از شش شریک دیگر حدود 9 درصد هزینه‌ها را تأمین می‌کنند. ایالات متحده سالانه حدود 250 میلیون دلار به ایتر اختصاص می‌دهد. در جولای 2024، سازمان ایتر اعلام کرد که تأخیرات جدید هزینه‌ها را 5 میلیارد دلار دیگر افزایش خواهد داد. این هزینه‌ها انتقاداتی را برانگیخته، اما حامیان معتقدند داده‌های ایتر برای صنعت همجوشی ارزشمند خواهد بود.
ایمنی در پروژه ایتر ITER
ایتر به‌عنوان یک تأسیسات هسته‌ای در فرانسه تحت نظارت سازمان ایمنی هسته‌ای (ASN) فعالیت می‌کند. اقدامات ایمنی شامل:
- محافظت در برابر نوترون‌ها: دیوارهای تنگستن و سپرهای حرارتی برای کاهش تابش نوترون‌های پرانرژی
- کنترل پلاسما: توقف خودکار واکنش در صورت اختلال
- مدیریت تریتیم: سیستم‌های بسته برای جلوگیری از نشت تریتیم
در سال 2022، ASN به دلیل نگرانی از محافظت در برابر نوترون‌ها، ساخت را موقتاً متوقف کرد. ایتر با شروع عملیات با هیدروژن و دوتریم (به‌جای دوتریم-تریتیم) و پالس‌های کوتاه، این نگرانی‌ها را برطرف می‌کند. ایتر در سال 2012 مجوز اپراتور هسته‌ای دریافت کرد.
ایتر با وجود تأخیرات و هزینه‌های بالا، گامی اساسی در مسیر انرژی پاک است. داده‌های آن برای طراحی راکتورهای تجاری مانند DEMO و حتی پروژه‌های خصوصی مانند General Fusion حیاتی خواهد بود. همکاری بین‌المللی ایتر نه‌تنها فناوری همجوشی را پیش می‌برد، بلکه مدل جدیدی برای پروژه‌های علمی جهانی ارائه می‌دهد. بااین‌حال، رقابت با شرکت‌های خصوصی که وعده تولید سریع‌تر برق همجوشی را می‌دهند، چالشی برای آینده ایتر است.
منبع: ابرار صنعتی
