این طراحی جدید، انقلابی در راکتورهای گداخت است!

 

مجله علمی ایلیاد - تمرینی کلاسی در دانشگاه MIT به کمک محققین صنعتی منتج به راه‌حلی برای یکی از چالش‌های پیش‌روی توسعه‌ی راکتورهای گداخت شد. عنوان تمرین این بود: «چگونه از گرمای اضافی که باعث آسیب ساختاری به راکتور می‌شود خلاص شویم؟»

این راه‌حل جدید به کمک شیوه‌ی جدید کوچک کردن راکتور با استفاده از مغناطیس‌های ابررسانای دما بالا ممکن شده است. این روش، پایه‌ای برای یک برنامه‌ی تحقیقاتی جدید در MIT و همچنین ایجاد استارتاپی برای توسعه‌ی این مفهوم شده است. در طراحی جدید، برخلاف طراحی‌های قدیمی امکان باز کردن راکتور و جایگزینی اجزای حیاتی آن وجود دارد؛ این امکان برای مکانیسم دفع گرمای پیشنهاد شده، ضروری است. جزئیات روش جدید توسط «آدام کوانگ» به همراه ۱۴ دانشجوی MIT، مهندسین آزمایشگاه‌های تحقیقاتی میتسوبیشی و پروفسور «وایت» در مجله‌ی Fusion Engineering and Design به چاپ رسیده است.

به گفته‌ی وایت، برداشت حرارت از درون راکتور گداخت را می‌توان با سیستم اگزوز ماشین مقایسه کرد. در طراحی جدید، لوله‌ی اگزوز خروجی بسیار بلندتر و عریض‌تر از لوله‌ی طراحی‌های دیگر است که کارایی آن‌را بالاتر می‌برد و باعث برداشت حرارت بیشتری می‌شود. برای عملی شدن این کار به آنالیزهای پیچیده و ارزیابی ده‌ها طراحی ممکن، نیاز است.

طراحی مفهومی یک راکتور گداخت با میدان مغناطیسی شدید؛ پلاسما، دایورتر جدیداً طراحی شده، سیم‌پیچ‌های مسی، سیم‌پیچ ابررسانای دما بالا که پلاسما را در دایورتر شکل می‌دهد، روکش FLiBe، مایعی که گرمای نوترون‌های منتشر شده را جذب می‌کند، سیم‌پیچ‌های ابررسانا که پلاسمای اصلی را شکل می‌دهند، سیم‌پیچ مرکزی ابررسانا، مخزن خلاء، مخزن FLiBe و درنهایت محل باز شدن جهت دسترسی به داخل راکتور را شامل می‌شود.

گداخت در واقع مهار واکنشی است که انرژی خورشید را تامین می‌کند. سوخت این واکنش از آب دریا تامین می‌شود که شامل دوتریوم؛ هیدروژن سنگین و لیتیوم می‌شود؛ پس می‌توان گفت سوخت نامحدودی دارد. دهه‌ها کار در زمینه‌ی توسعه‌ی نیروگاه‌هایی با این سوخت فقط به نیروگاه‌هایی منتج شده که به اندازه‌ی تولیدی خود مصرف انرژی دارند.

اوایل امسال، پیشنهاد دانشجویان MIT برای نوع جدیدی از نیروگاه گداخت، رویای نیروگاه گداخت عملیاتی را در دسترس قرار داده است. البته هنوز چالش‌های طراحی متعددی وجود دارد که شامل برداشت گرما از مواد فوقِ داغی است که نیروی الکتریسیته دریافت کرده‌اند و درون راکتور گداخت محدود هستند.

بیشتر انرژی تولیدی درون یک راکتور گداخت، به شکل نوترون به بیرون تابش می‌کند که باعث گرم شدن ماده‌ی اطراف پلاسمای گداخت می‌شود. در یک واحد تولید برق، از گرمای این روکش برای به حرکت درآوردن توربین استفاده می‌شود. اما حدود ۲۰ درصد از انرژی تولید شده درون خود پلاسما جذب می‌شود که باید به شکلی دفع شود تا باعث ذوب شدن مواد درون راکتور نشود.

هیچ ماده‌ای توان تحمل گرمای جذب شده در پلاسما را ندارد؛ چرا که دمای پلاسما تا چند میلیون درجه می‌رسد و به همین دلیل پلاسما توسط مغناطیس‌های قوی در جای خود نگه داشته می‌شود تا حتی با دیواره‌های اطراف خود در تماس نباشد. در طراحی‌های مرسوم راکتورهای گداخت، تعدادی مغناطیس مجزا برای مکانیسم دفع گرمای اضافی استفاده می‌شود، ولی در طراحی جدید، این دایورترها برای دفع گرمای شدید موجود، کافی به نظر نمی‌رسند.

یکی از مشخصات مطلوب طراحی جدید این است که توان تولید شده را در راکتوری به مراتب کوچک‌تر از اندازه‌های مرسوم با همان خروجی به دست می‌دهد. البته بدین معنی است که گرمای بیشتری در حجم کمتر برای دفع شدن وجود دارد. کوانگ به‌عنوان رهبر نویسندگان مقاله در مورد حل مساله‌ی به‌وجود آمده، می‌گوید: «اگر ما کاری برای خروج گرما انجام ندهیم، مکانیسم طراحی شده خودبه‌خود ذوب شده و از هم می‌پاشد.»

 

در راکتورهای گداخت مرسوم، سیم‌پیچ مغناطیسی ثانویه‌ی سازنده‌ی دایورتر، خارج از سیم‌پیچ اولیه قرار دارد؛ چرا که راهی برای قرار دادن آن درون سیم‌پیچ‌های جامد اولیه وجود ندارد. این کار بدین معنی است که سیم‌پیچ ثانویه باید بزرگ و قدرتمند باشد تا میدان آن بتواند درون راکتور نفوذ کند و به همین دلیل میزان کنترل شکل پلاسما توسط آن‌ها نیز دقیق نخواهد بود.

در طراحی جدید که «ARC» نام دارد، مغناطیس‌ها به صورت جداگانه ساخته شده‌اند و می‌توان آن‌ها را جدا و تعمیر کرد. این کار امکان دسترسی به درون راکتور را می‌دهد و باعث می‌شود بتوان سیم‌پیچ ثانویه را درون سیم‌پیچ‌های اصلی قرار داد. به گفته‌ی کوانگ، با این چینش جدید می‌توان سیم‌پیچ را نزدیک‌تر به پلاسما قرار داد و اندازه‌ی آن‌را می‌توان بسیار کوچک‌تر در نظر گرفت.

در کلاس درس اصول مهندسی گداخت، دانشجویان به چند گروه تقسیم شدند و از هر گروه خواسته شد راهی برای دفع حرارت ارائه دهند. هر گروه مفاهیم استفاده شده را از درون مقالات استخراج کرد و شدنی و ناشدنی بودن هر مفهوم را بررسی کرد و در نهایت روی برخی از مفاهیم، محاسبات و شبیه‌سازی‌های بیشتری انجام شد. دو نفر از مهندسین آزمایشگاه میتسوبیشی با گروه‌ها همکاری کردند. چندین نفر از دانشجویان پس از پایان درس نیز به کار روی پروژه ادامه دادند تا به نتیجه‌ی ارائه شده در مقاله رسیدند. شبیه‌سازی‌های انجام شده، کارایی طراحی جدید را اثبات کرده است.

وایت می‌گوید: «چیزی که ما کشف کردیم واقعاً هیجان‌انگیز بود.» نتیجه‌ی کار این بود که پلاسما تحت کنترل دقیق‌تری قرار گرفت. قرار گرفتن سیم‌پیچ ثانویه درون سیم‌پیچ اولیه، امکان بزرگ‌تر کردن لوله‌ی ‌خروجی را می‌دهد. این طرح، انقلابی در طراحی راکتورها است. نه تنها از ابررساناهای دما بالا در طراحی مغناطیس‌های یک راکتور کوچک با توان بالا استفاده شده است، بلکه امکانات زیادی نیز برای بهینه کردن طرح در اختیار ما است.»

به گفته‌ی گروه طراحی، اکنون جای کار زیادی برای توسعه‌ی مفهوم اولیه و بهینه‌سازی آن وجود دارد که شامل شکل دقیق و محل قرارگیری مغناطیس‌های ثانویه است. محققین در حال کار برای توسعه‌ی هر چه بیشتر جزئیات طراحی هستند.

 

نوشته: دیوید چاندلر

ترجمه: امید محمدی - مجله علمی ایلیاد