همجوشی هسته‌ای در همین ابتدا با بحران جدی تأمین سوخت مواجه شده است
در جنوب فرانسه رآکتور در حال ساخت ایتر (ITER) روزبه‌روز به مرحله‌ی بهره‌برداری نزدیک می‌شود. وقتی رآکتور گرماهسته‌ای آزمایشی بین‌المللی (به‌اختصار ایتر) در سال ۲۰۳۵ به بهره‌برداری برسد، به بزرگ‌ترین رآکتور از نوع خود و پرچم‌دار رآکتورهای همجوشی هسته‌ای تبدیل خواهد شد.
رآکتورهای همجوشی هسته‌ای محفظه‌ای دونات‌شکل به نام توکامک دارند. در این محفظه، دو نوع عنصر هیدروژن به نام‌های دوتریوم و تریتیوم دائما به یکدیگر برخورد می‌کنند تا درنهایت در داخل پلاسمایی با دمایی بیشتر از دمای سطح خورشید با یکدیگر ترکیب شوند و انرژی زیادی آزاد کنند. انرژی آزادشده ازطریق این فرایند به‌حدی زیاد است که می‌تواند برق ده‌هاهزار خانه را تأمین کند. تولید برق از منبع نامحدود انرژی بیشتر شبیه به داستان‌های علمی‌تخیلی است.
تولید انرژی پاک و تقریباً نامحدود ازطریق همجوشی هسته‌ای، رؤیایی است که دانشمندان به‌دنبال تحقق آن هستند؛ اما مشکل بزرگ یا فیل سفید داخل اتاق این است که تا زمان افتتاح رآکتور ایتر، شاید سوخت کافی برای راه‌اندازی آن باقی نمانده باشد. ایتر نیز مانند بسیاری از رآکتورهای آزمایشی همجوشی هسته‌ای مشهور برای انجام آزمایش‌ها به تأمین مداوم سوخت دوتریوم و تریتیوم متکی است. دوتریوم را می‌توان از آب دریا استخراج کرد؛ اما تریتیوم به‌عنوان ایزوتوپ رادیواکتیو هیدروژن بسیار نادر است.
سطح اتمسفریک تریتیوم در دهه‌ی ۱۹۶۰ و قبل از ممنوعیت آزمایش بمب‌های هسته‌ای به اوج خود رسید؛ اما طبق آخرین برآوردها اکنون کمتر از ۲۰ کیلوگرم از این ماده در جهان وجود دارد.
همچنان که پروژه‌ی ساخت رآکتور ایتر با وجود عقب‌ماندگی آن از برنامه‌ی زمانی و هزینه‌‌های اضافی میلیارد‌دلاری آن به پیش برده می‌شود، بهترین منبع سوخت تریتیوم برای این رآکتور و دیگر رآکتورهای همجوشی آزمایشی دیگر رو‌به‌اتمام است.
در‌حال‌حاضر، تریتیوم استفاده‌شده در آزمایش‌هایی که در رآکتورهایی مانند ایتر و یک توکامک کوچک‌تر دیگر به نام جت در انگلستان استفاده می‌شود، از نوع خاصی از رآکتورهای شکافت هسته‌ای به نام رآکتورهای آب سنگین تعدیل‌شده به‌دست می‌آید. بااین‌حال، بسیاری از این رآکتورها به پایان عمر خود نزدیک شده‌اند و درواقع تنها ۳۰ رآکتور از این نوع هنوز در حال بهره‌برداری هستند: ۲۰ رآکتور در کانادا و ۴ رآکتور در کره‌‌جنوبی و ۶ رآکتور در رومانی. هر‌کدام از این رآکتورها سالانه ۱۰۰ گرم تریتیوم تولید می‌کنند. گفتنی است که هند قصد دارد رآکتورهای آب سنگین بیشتری بسازد؛ اما به‌نظر نمی‌رسد این کشور تریتیوم تولید رآکتورهای خود را دراختیار محققان فناوری همجوشی هسته‌ای قرار دهد.
تأمین تریتیوم موردنیاز رآکتورهای همجوشی هسته‌ای از این طریق نمی‌تواند راه‌حلی پایدار و بلندمدت باشد. هدف از توسعه‌ی فناوری همجوشی هسته‌ای در درجه‌ی اول معرفی جایگزینی پاک‌تر و ایمن‌تر به‌جای روش سنتی شکافت هسته‌ای بوده است. ارنستو مازوکاتا دراینباره می‌گوید:
اینکه از رآکتورهای کثیف شکافت هسته‌ای برای تأمین سوخت رآکتورهای پاک همجوشی هسته‌ای استفاده کنیم، کار بیهوده‌ای است.
گفتنی است مازوکاتا فیزیک‌دانی بازنشسته است و با اینکه بیشتر عمر کاری‌اش را صرف مطالعه‌‌ی توکامک‌ها کرده است، از منتقدان جدی پروژه‌ی ایتر و بهطورکلی همجوشی هسته‌ای به حساب می‌آید.
مشکل دیگری که دانشمندان هنگام کار با تریتیوم با آن مواجه می‌شوند، نیمه عمر کوتاه آن است. تریتیوم نیمه عمر ۱۲/۳ سال دارد و وقتی رآکتور ایتر آماده‌ی راه‌اندازی باشد که ازقضا برای ۱۲.۳ سال بعد برنامه‌ریزی شده است، نیمی از تریتیوم دردسترس فعلی به هلیوم ۳ تبدیل خواهد شد. باوجوداین، پیش‌بینی می‌شود بعد از بهره‌برداری از رآکتور ایتر مشکل کمبود تریتیوم پیچیده‌تر شود؛ چون قرار است پس‌از‌آن رآکتورهای دوتریوم‌تریتیوم بیشتری ساخته شوند.
تریتیوم که پیش‌از‌این یکی از ضایعات ناخواسته‌ی شکافت هسته‌ای محسوب می‌شد و کشورها برای خلاص‌شدن از شرّ آن میلیون‌ها دلار هزینه می‌کردند، به‌لطف فناوری همجوشی هسته‌ای طبق برخی برآوردها به گران‌قیمت‌ترین ماده روی زمین تبدیل شده است. هر گرم تریتیوم ۳۰ هزار دلار ارزش دارد و تخمین زده می‌شود رآکتورهای همجوشی هسته‌ای جهان سالانه به ۲۰۰ کیلوگرم از این ماده نیاز خواهند داشت.
دراین‌میان، آنچه باعث بدترشدن شرایط می‌شود، این است که برنامه‌های تولید سلاح‌های هسته‌ای نیز به ذخایر تریتیوم جهان چشم دوخته‌اند. استفاده از تریتیوم در بمب‌های هسته‌ای باعث افزایش قدرت تخریب آن می‌شود. البته نیروهای نظامی کشورهای دارای سلاح هسته‌ای تمایل دارند خود تریتیوم موردنیازشان را تولید کنند؛ چراکه کانادا به‌عنوان دارنده‌ی بزرگ‌ترین ذخایر تریتیوم دنیا از فروش آن برای استفاده در اهداف غیرصلح‌آمیز خودداری می‌کند.
- همجوشی هسته‌ای؛ انرژی نامحدود و پاک
در سال ۱۹۹۹، پاول راترفورد، محقق آزمایشگاه فیزیک پلاسمای دانشگاه پرینستون، با پیش‌بینی مشکل کمبود سوخت نیروگاه‌های همجوشی هسته‌ای اصطلاح پنجره‌ی تریتیوم را معرفی کرد.
طبق این تعریف، قبل از اینکه رآکتورهای آب‌سنگین دنیا به پایان عمر عملیاتی خود برسند، در بازه‌ی زمانی مشخصی عرضه‌ی تریتیوم در جهان به بیشترین سطح خود می‌رسد. هم‌اکنون، در پنجره‌ی تریتیوم قرار داریم؛ اما ساخت رآکتور ایتر تقریباً یک دهه از برنامه‌ی زمان‌بندی‌شده عقب افتاده است و نمی‌تواند از این فرصت استثنائی استفاده کند. اسکات ویلیامز، رهبر بخش چرخه‌ی سوخت پروژه‌ی ایتر، درباره‌ی این موضوع می‌گوید:
اگر ایتر طبق برنامه‌ریزی‌ها از سه سال پیش تولید پلاسمای دوتریوم‌تریتیوم را شروع کرده بود، اکنون همه‌چیز سر جایش قرار داشت. ما در حال پشت‌سر‌گذاشتن نقطه‌ی اوج پنجره‌ی تریتیوم هستیم.
دانشمندان از دهه‌ها پیش از مشکل بالقوه‌ی کمبود سوخت برای رآکتورهای همجوشی آگاه بودند و راه‌حلی شسته‌رفته برای حل آن توسعه داده‌اند: روشی برای بازتولید تریتیوم ازطریق رآکتورهای همجوشی هسته‌ای به‌نحوی که این رآکتورها هم‌زمان با مصرف تریتیوم آن را بازتولید کنند. در فناوری بازتولید تریتیوم، از روکش لیتیوم-۶ برای پوشاندن رآکتور همجوشی استفاده می‌شود.
یک نوترون هنگام گریز از رآکتور با مولکول‌های لیتیوم-۶ برخورد می‌کند. بر‌اثر این برخورد تریتیوم تولید می‌شود که می‌توان با جمع‌آوری آن دوباره به‌عنوان سوخت مصرف کرد. استوارت وایت، سخنگوی سازمان انرژی هسته‌ای انگلستان می‌گوید:
طبق محاسبات ما، طراحی مناسب پوشش بازتولید تریتیوم می‌تواند سوخت کافی برای خودکفاشدن رآکتورهای همجوشی هسته‌ای را تأمین کند. در این‌صورت، فقط به مقدار کمی تریتیوم برای راه‌اندازی رآکتورهای جدید نیاز خواهد بود.
گفتنی است پروژه‌ی رآکتور همجوشی هسته‌ای جت زیر‌نظر سازمان انرژی هسته‌ای انگلستان در حال توسعه است. در ابتدا قرار بود فناوری بازتولید تریتیوم به‌عنوان بخشی از پروژه‌ی ایتر آزمایش شود؛ اما زمانی که هزینه‌ی این پروژه به‌صورت انفجاری از ۶ به ۲۵ میلیارد دلار رسید، این طرح بی‌سر‌وصدا کنار گذاشته شد.
وظیفه‌ی اسکات ویلیامز در پروژه‌ی ایتر مدیریت آزمایش‌هایی با مقیاس کوچک‌تر است. درواقع به‌جای پوشاندن کل محیط رآکتور ایتر با لیتیوم-۶، تنها بخشی‌هایی از توکامک به‌اندازه‌ی کیفی اداری با انواع مختلف لیتیوم پوشانده خواهد شد که از آن جمله می‌توان به لیتیوم مایع و لیتیوم سرب و بستر سنگ‌ریزه‌ای سرامیک لیتیوم اشاره کرد.
حتی خودِ ویلیامز معتقد است که این فناوری تا مرحله‌ی عملیاتی‌شدن راه درازی پیش رو دارد و آزمایش تمام‌عیار بازتولید تریتیوم تا تکمیل ساخت نسل بعدی رآکتورهای هم‌جوش هسته‌ای ممکن نخواهد بود؛ فرایندی که به‌اعتقاد برخی بسیار زمان‌بر خواهد بود. مازوکاتا دراینباره می‌گوید:
بعد از سال ۲۰۳۵، برای انجام آزمایش‌های مهمی مانند تولید تریتیوم باید دستگاه جدیدی ساخته شود که آن‌هم ۲۰ یا ۳۰ سال دیگر طول خواهد کشید. بنابراین، چطور قرار است با ساخت رآکتورهای همجوشی جلو گرمایش زمین را بگیریم، درحالی‌که تا پایان این قرن نمی‌توانیم از آن‌ها استفاده کنیم؟
ناگفته نماند راه‌های دیگری برای تولید تریتیوم وجود دارد؛ ازجمله جاگذاری مستقیم مواد لازم برای بازتولید تریتوم در داخل محفظه‌ی رآکتورهای همجوشی هسته‌ای و استفاده از شتاب‌دهنده‌های خطی برای پرتاب نوترون‌ها به‌سمت هلیوم-۳. بااین‌حال، هزینه‌ی توسعه‌ی این روش‌ها برای استفاده در مقیاس مدنظر بیش‌از‌حد زیاد است. همچنین، به‌نظر می‌رسد استفاده از این روش‌ها همچنان به برنامه‌های تولید سلاح‌های هسته‌ای منحصر باشد.
ویلیامز می‌گوید در جهانی ایدئال می‌توانستیم بلندپروازانه عمل کنیم و در‌کنار پروژه‌ی ایتر، ساخت دستگاهی جدید برای بازتولید تریتیوم را هم به پیش ببریم تا وقتی که پروژه‌ی ساخت رآکتور همجوشی هسته‌ای ایتر به‌پایان رسید، منبع سوخت لازم برای بهره‌برداری از آن را داشته باشیم. او می‌‌افزاید: «ما نمی‌خواهیم خودرویی بسازیم که برای استفاده از آن بنزینی وجود ندارد.»
مشکل تأمین تریتیوم بدگمانی‌ها به برنامه‌ی ایتر و بهطورکلی رآکتورهای همجوشی از نوع دوتریوم‌تریتیوم را عمیق‌تر کرده است. دلیل انتخاب ایزوتوپ‌های هیدروژن در طراحی رآکتورهای همجوشی آزمایشی این بود که این دو در دمای نسبتاً کمتری با یکدیگر ترکیب می‌شوند و کارکردن با آن‌ها راحت‌تر است. در زمان طراحی رآکتور ایتر که همه‌چیز غیرممکن به‌نظر می‌رسید، این موضوع مزیتی عالی بود.
- در ماه آوریل تقریباً ۱۰۰ درصد برق کالیفرنیا از منابع انرژی تجدیدپذیر تأمین شد
اکنون به‌لطف استفاده از هوش مصنوعی در کنترل آهن‌رباهای توکامک برای مهار واکنش‌های همجوشی و پیشرفت‌های صورت‌گرفته درزمینه‌ی علم مواد برخی از شرکت‌های فعال در حوزه‌ی انرژی هسته‌ای به‌دنبال کشف روش‌های جدید هستند.
شرکت فناوری‌های TAE مستقر در کالیفرنیا در تلاش است نوع دیگری از رآکتورهای همجوشی هسته‌ای را توسعه دهد. رآکتور این شرکت از سوخت هیدروژن و بور استفاده می‌کند که طبق گفته‌ی مسئولان آن، درمقایسه‌با رآکتورهای دوتریوم‌تریتیوم پاک‌تر و عملیاتی‌‌کردن آن آسان‌تر است.
طبق برنامه‌ریزی‌ها، قرار است رآکتور شرکت TAE تا سال ۲۰۲۵ به تولید خالص انرژی دست یابد؛ بدین‌معنی که انرژی تولیدشده‌ی رآکتور از انرژی مصرفی آن بیشتر شود. عنصر بور را به‌وفور می‌توان از آب دریا استخراج کرد. مزیت دیگر استفاده از سوخت بور در رآکتورهای همجوشی این است که برخلاف رآکتورهای همجوشی دوتریوم‌تریتیوم باعث پرتوزدگی تجهیزات نمی‌شود.
میشل بیندرباوئر، مدیرعامل شرکت فناوری‌های TAE، می‌گوید دستیابی به انرژی همجوشی در مقیاس بزرگ ازطریق رآکتورهای هیدروژن‌بور ازلحاظ اقتصادی عملیاتی‌تر است. با وجود مشکلات بالقوه‌ای که در تأمین سوخت اصلی رآکتور ایتر پیش آمده است، علاقه‌مندان به فناوری همجوشی هسته‌ای همچنان چشم امید خود را به این پروژه دوخته‌اند. ویلیامز معتقد است:
همجوشی کار خیلی خیلی دشواری است و اگر از هر چیزی به‌جز دوتریوم‌تریتیوم استفاده کنید، کار شما صد برابر مشکل‌تر می‌شود. شاید یک قرن بعد بتوانیم درباره‌ی سوخت‌های دیگر صحبت کنیم.
