آهن‌ربای ۳۰۰۰ تنی پروژه ITER؛ انقلابی در آینده انرژی پاک

1

در جنوب فرانسه، پشته‌ای ۳۰۰۰ تنی از فلز و کابل‌های ابررسانا در حال شکل‌گیری است. مهندسان می‌گویند این سازه عظیم قادر است پلاسمایی با دمای ستارگان را در خود محبوس کرده، مسیر بشر را به سوی تولید تجاری انرژی همجوشی تغییر دهد.

این سازه، به‌طور رسمی «سامانه آهن‌ربای ابررسانای پالسی» نام دارد و در مرکز راکتور توکامک پروژه ITER نصب خواهد شد.

چرا اندازه مهم است؟ نقش آهن‌رباها در انرژی همجوشی

توان مغناطیسی عظیم برای مهار پلاسمای داغ

برای مهار واکنش‌های همجوشی، به میدانی مغناطیسی بسیار قدرتمند نیاز است. سیم‌پیچ مرکزی (Central Solenoid) به‌تنهایی ۱۸ متر ارتفاع و ۱۰۰۰ تن وزن دارد و میدانی ۱۳ تسلا تولید می‌کند – قوی‌تر از آن‌چه می‌تواند یک ناو هواپیمابر را از زمین بلند کند.

با افزودن شش آهن‌ربای حلقه‌ای شکل (پولوییدال) و هجده سیم‌پیچ D شکل (توروییدال)، وزن کلی به حدود ۳۰۰۰ تن می‌رسد. این مجموعه قادر است جریان‌های پلاسما را تا ۱۵ میلیون آمپر نگه‌داری کند.

هدف بلندپروازانه ITER

هدف پروژه ITER تولید ۵۰۰ مگاوات حرارت همجوشی از تنها ۵۰ مگاوات انرژی ورودی است. این نسبت ۱۰ بر ۱ (Q ≥ 10) اگر محقق شود، از تمامی دستگاه‌های ساخته‌شده تا به امروز فراتر خواهد رفت.

ساخت و آزمایش ماژول‌های کلیدی

تولید ماژول‌های پیچیده در آمریکا

هر ماژول از سیم‌پیچ مرکزی بیش از دو سال زمان برای ساخت و آزمایش نیاز داشت. ماژول ششم و پایانی، با وزن ۱۱۰ تن، توسط شرکت General Atomics در کالیفرنیا ساخته و تأیید شد.

آزمون‌های نهایی پیش از نصب

آزمایش‌های نهایی شامل بررسی نشت هلیوم، بررسی سلامت عایق‌ها، سرمایش تا دمای ۴٫۵ کلوین و شارژ الکتریکی تا ۴۸٬۵۰۰ آمپر بود. هنگامی که تمامی ماژول‌ها در فرانسه روی هم قرار بگیرند، ستونی نزدیک به ۱۸ متر در مرکز توکامک شکل خواهد گرفت.

راز عملکرد این آهن‌ربای غول‌پیکر

سیم‌پیچ‌هایی با رسانایی بی‌نقص در دمای صفر مطلق

هر سیم‌پیچ از کیلومترها سیم نایوبیوم-قلع یا نایوبیوم-تیتانیوم تشکیل شده که در دمای حدود ۴ کلوین (۴۵۲- درجه فارنهایت) کار می‌کند؛ جایی که الکترون‌ها بدون هیچ مقاومتی حرکت می‌کنند.

تأسیسات آزمایش سرمایشی جدید

درون یک کرایواستات اختصاصی، تأسیسات آزمایشی جدید، سیم‌پیچ‌های کامل را قبل از ورود به راکتور تا دمای لازم سرد کرده و تا ۶۸٬۰۰۰ آمپر جریان از آن‌ها عبور خواهد داد.

چابکی تیم ITER در طراحی سریع

به گفته کریم الحمضانی، رهبر تیم:
«ما از هیچ شروع کردیم و اکنون به طراحی نهایی رسیده‌ایم. این سرعت فقط به لطف انعطاف‌پذیری همه افراد در ITER ممکن شد.»

زیرساخت سرمایشی پیچیده

دمایی نزدیک به صفر مطلق

همه آهن‌رباهای ITER باید در دمایی نزدیک به صفر مطلق فعالیت کنند. این کار نیاز به گردش مداوم هلیوم مایع از طریق ۲۹ کیلومتر لوله سرمایشی دارد تا دما را در ۴٫۵ کلوین حفظ کند.

بزرگ‌ترین کرایواستات دنیا

هند کرایواستاتی به عرض ۳۰ متر ساخته است که کل راکتور را در خود جای می‌دهد. با وزن ۳۸۵۰ تن، این کرایواستات بزرگ‌ترین محفظه فشار خلا برای دستگاه‌های همجوشی در تاریخ است.

آزمون قدرت پیش از ورود پلاسما

آزمون‌های MITICA در ایتالیا

مهندسان با استفاده از نمونه اولیه‌ای به نام MITICA در ایتالیا، سیستم‌های گرمایشی ITER را بررسی کرده‌اند. MITICA اخیراً به ولتاژ ۷۱۰ کیلوولت رسیده – بیش از هدف اولیه ۷۰۰ کیلوولت.

درس‌هایی پیش از نصب نهایی

حتی بدون منبع نهایی پرتو، ساختار شبیه‌سازی‌شده الکترواستاتیک MITICA به تیم‌ها کمک کرد تا مشکلات احتمالی را شناسایی و اجزای حفاظتی را اصلاح کنند. این بینش‌های اولیه، در جلوگیری از بروز مشکل هنگام تزریق پرتو خنثی در توکامک اصلی مفید خواهند بود.

آماده‌سازی‌های موازی برای نصب

بهره‌برداری بهینه از امکانات موجود

تیم‌های نصب، کارگاه قدیمی سیم‌پیچی را بازطراحی کردند، جرثقیلی جدید با ظرفیت ۸۰۰ تن نصب کردند و کرایواستاتی ۳۳۰ تنی را به‌صورت موازی سفارش دادند.

وضعیت سیستم‌های قدرت و پشتیبانی

آزمایش‌های کارخانه‌ای نشان می‌دهد که سیستم قدرت ۹۵٪ تکمیل شده و نرم‌افزار تشخیص توقف (Quench Detection) تقریباً آماده است. آزمایش‌های افقی نیاز به تغذیه‌کننده اختصاصی دارد که قرار است ظرف چند هفته تحویل داده شود. راه‌اندازی خطوط پشتیبان و پمپ‌های خلأ از همین ماه آغاز می‌شود، حتی پیش از رسیدن کرایواستات.

چرا این پروژه برای آینده زمین حیاتی است؟

آزمون‌های بسیار دقیق

آزمایش در دمای ۴۵۲- درجه فارنهایت، تمامی نقص‌ها در حسگرها، محدودیت‌های جریان خنک‌کننده و خطاهای تراز را تا هزارم اینچ آشکار خواهد کرد. حل این مشکلات در مرحله تست، خطرات در هنگام نصب نهایی را کاهش می‌دهد.

مقاومت در برابر فشارهای فوق‌العاده

این آهن‌رباها باید در برابر پالس‌هایی تا ۸ دقیقه و نیروهایی بیش از ۱۰ میلیون کیلوگرم مقاومت کنند. موفقیت در این مرحله، یکی از آخرین موانع مهندسی میان علم آزمایشگاهی و نیروگاه‌های همجوشی در مقیاس شبکه برق را برمی‌دارد.

محفظه‌ای الکترومغناطیسی برای سوختی سبک

هنگامی که سیم‌پیچ‌های مرکزی، پولوییدال و توروییدال روی هم قرار گیرند، قفسی الکترومغناطیسی تشکیل می‌دهند که تنها مقدار اندکی گاز هیدروژن در آن قرار خواهد گرفت.

گرمایی باورنکردنی برای آغاز همجوشی

سیستم‌های گرمایشی این سوخت را تا دمای ۱۵۰ میلیون درجه سانتی‌گراد می‌رسانند – دمایی که در آن هسته‌های اتمی ترکیب شده و مقادیر عظیمی انرژی آزاد می‌شود.

همکاری جهانی و آینده تجاری همجوشی

اشتراک‌گذاری دانش با بخش خصوصی

در سال ۲۰۲۴، ITER ابتکاری را برای اشتراک‌گذاری داده‌ها و طراحی‌های خود با شرکت‌های خصوصی فعال در زمینه همجوشی راه‌اندازی کرد. هدف، تسریع در توسعه تجاری این فناوری با دسترسی آسان به دانش تحقیقاتی، مستندات فنی و زنجیره تأمین است.

مشارکت‌های راهبردی برای کاهش هزینه و ریسک

در آوریل ۲۰۲۵، کارگاهی با حضور تیم‌های دولتی و صنعتی برگزار شد تا راهکارهای عملی‌سازی دستاوردهای ITER در راکتورهای واقعی بررسی شود. این همکاری‌ها می‌تواند هزینه‌ها را کاهش داده، ریسک‌ها را کم کرده و زمان مورد نیاز برای ورود انرژی همجوشی به شبکه برق را کوتاه‌تر کند.

نمونه‌ای از همکاری بین‌المللی مؤثر

قطعات آهن‌ربایی پروژه ITER از کارخانه‌هایی در ایالات متحده، چین، ژاپن، کره، روسیه و اروپا تهیه شده‌اند و با دقتی در حد میلی‌متر به یکدیگر می‌پیوندند. مهندسان حاضر در محل می‌گویند این روند فشرده نه تنها همکاری آن‌ها را تقویت کرده، بلکه روش‌هایی را توسعه داده که نیروگاه‌های آینده از آن بهره خواهند برد.