به گزارش جماران به نقل از مجله علمی تریتیوم به دلیل خواص هسته‌ای منحصر به فرد خود، یکی از مهمترین موادی است که به عنوان سوخت برای راکتورهای همجوشی استفاده می‌شود. ایده اصلی همجوشی هسته‌ای، وادار کردن دو هسته سبک به برخورد و همجوشی برای تشکیل یک هسته سنگین‌تر است که انرژی فوق‌العاده‌ای را آزاد می‌کند که بسیار بیشتر از انرژی تولید شده توسط شکافت هسته‌ای است.
دانشمندان می‌دانند که امیدوارکننده‌ترین واکنش همجوشی در عمل، همجوشی تریتیوم با دوتریوم، ایزوتوپ دیگری از هیدروژن، است. این واکنش برای شروع همجوشی به انرژی کمتری نسبت به سایر سوخت‌ها نیاز دارد و بیشترین انرژی را در هر فرآیند همجوشی آزاد می‌کند، که آن را به عملی‌ترین گزینه برای راکتورهای آزمایشی مانند توکامک‌ها و ITER تبدیل می‌کند.
هنگامی که یک هسته تریتیوم (یک پروتون و دو نوترون) با یک هسته دوتریوم (یک پروتون و یک نوترون) ترکیب می‌شود، هسته حاصل هلیوم-۴، که به عنوان ذره آلفا شناخته می‌شود، و یک نوترون پرانرژی است. این نوترون آزاد بیشتر انرژی تولید شده توسط واکنش را حمل می‌کند و می‌تواند در پوشش راکتور جذب شده و به گرما تبدیل شود که بعداً برای تولید برق استفاده می‌شود. به لطف این خواص، دوتریوم-تریتیوم در شرایط فیزیکی و مهندسی فعلی کارآمدترین و عملی‌ترین است.
جهان بیشتر تریتیوم تجاری خود را از راکتورهای شکافت در کانادا به دست می‌آورد، با وجود اینکه عرضه جهانی آن تنها حدود ۲۵ کیلوگرم است، که برای تأمین انرژی نیم میلیون خانه فقط برای شش ماه کافی است.
کانادا به لطف اتکا به نوع خاصی از راکتور که به عنوان راکتور CNDU شناخته می‌شود، جزو معدود کشورهایی است که این ایزوتوپ را در مقیاس تجاری تولید می‌کند. این رآکتورها از آب سنگین به عنوان کندکننده و خنک‌کننده استفاده می‌کنند و به همین دلیل محیطی ایده‌آل برای تولید تریتیوم در حین کار هستند.
تریتیوم در رآکتورهای CNDU در نتیجه برهمکنش نوترون‌ها با دوتریوم موجود در آب سنگین تولید می‌شود. با گذشت زمان، مقادیر کمی تریتیوم در آب رآکتور تجمع می‌یابد و به دلایل ایمنی هسته‌ای و کاهش تشعشعات نیاز به استخراج دارد.
با این حال، این نیاز به کنترل تجمع آن به یک فرصت اقتصادی تبدیل شده است. کانادا تکنیک‌های صنعتی دقیقی را برای استخراج تریتیوم از آب سنگین با راندمان بالا توسعه داده و به منبع اصلی جهانی این ایزوتوپ تبدیل شده است.
تریتیوم استخراج شده در ظروف ایمن نگهداری می‌شود و به نهادهای تحقیقاتی و صنعتی فروخته می‌شود. نیمه عمر آن تقریباً 12 سال تخمین زده می‌شود و آن را به یک منبع مصرفی تبدیل می‌کند که نیاز به تولید تجدیدپذیر دارد. به لطف این تولید، کانادا به یک بازیگر کلیدی در یک بازار جهانی محدود تبدیل شده است، به طوری که آزمایشگاه‌هایی در اروپا، آسیا و ایالات متحده برای آزمایش‌های همجوشی هسته‌ای به منابع کانادایی متکی هستند.
در حالی که تولید تریتیوم کانادا مطابق با استانداردهای سختگیرانه مقررات هسته‌ای و ایمنی زیست‌محیطی انجام می‌شود، نگرانی‌هایی در مورد وابستگی بیش از حد به یک منبع واحد برای این عنصر استراتژیک وجود دارد. با افزایش جاه‌طلبی‌ها برای ساخت راکتورهای همجوشی تجربی و تجاری، تقاضا برای تریتیوم می‌تواند بسیار بیشتر از آن چیزی شود که راکتورهای کانادا به تنهایی می‌توانند تأمین کنند.
کمبود استراتژیک
ایالات متحده هیچ ظرفیت داخلی برای تولید این سوخت استراتژیک ندارد و قیمت آن تقریباً 33 میلیون دلار در هر کیلوگرم است.
راکتورهای هسته‌ای فعلی از طریق شکافت، تقسیم اتم‌های اورانیوم یا پلوتونیوم برای آزادسازی انرژی و نوترون، انرژی تولید می‌کنند. این فرآیند زباله‌های رادیواکتیو بسیار خطرناکی ایجاد می‌کند که نیاز به ذخیره‌سازی ایمن و طولانی مدت دارد و نگرانی‌های زیست‌محیطی و بهداشتی را افزایش می‌دهد.
با این حال، همجوشی هسته‌ای که هسته‌های هیدروژن مانند دوتریوم و تریتیوم را با هم ترکیب می‌کند، انرژی عظیمی تولید می‌کند، مشابه آنچه در داخل ستارگان اتفاق می‌افتد، با زباله‌های رادیواکتیو بسیار کمتر.
ترنس تارنوفسکی، دانشمند آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، رویکردی نوآورانه برای مهار زباله‌های هسته‌ای برای تولید تریتیوم، سوخت اصلی راکتورهای همجوشی آینده، پیشنهاد می‌دهد. به جای اینکه زباله‌ها را به عنوان باری سنگین و گران‌قیمت برای ذخیره‌سازی رها کنند، تیم او از طریق شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، رآکتوری طراحی کرد که برای شروع واکنش‌های شکافت هسته‌ای درون زباله‌ها به یک شتاب‌دهنده ذرات متکی است. با شکافت اتم‌ها، نوترون‌ها آزاد می‌شوند که مجموعه‌ای از تبدیل‌های هسته‌ای را آغاز می‌کنند که در نهایت منجر به تشکیل تریتیوم می‌شود.
شتاب‌دهنده ذرات
تارنوفسکی می‌گوید مزیت اصلی استفاده از شتاب‌دهنده این است که امکان شروع و توقف واکنش را در صورت نیاز فراهم می‌کند و آن را ایمن‌تر و انعطاف‌پذیرتر از واکنش‌های شکافت هسته‌ای مرسوم می‌کند که کنترل آنها دشوار است.
ایده اصلی پشت این فناوری، استفاده از شتاب‌دهنده ذرات به جای رآکتور مرسوم است. شتاب‌دهنده پرتوهایی از پروتون‌ها یا ذرات پرانرژی تولید می‌کند که به سمت هسته حاوی زباله‌های هسته‌ای ذخیره شده هدایت می‌شوند.
وقتی این ذرات با هسته‌های سنگین موجود در زباله برخورد می‌کنند، نوعی جرقه ایجاد می‌کنند که باعث ایجاد واکنش زنجیره‌ای واکنش‌های شکافت می‌شود. با این حال، برخلاف رآکتورهای شکافت هسته‌ای مرسوم که به یک واکنش زنجیره‌ای خودپایدار متکی هستند، این واکنش‌های شکافت را می‌توان کنترل و در صورت نیاز متوقف کرد.
در طول شکافت، اتم‌های سنگین مانند اورانیوم یا پلوتونیوم به هسته‌های کوچکتر تقسیم می‌شوند و مجموعه‌ای از نوترون‌های آزاد را آزاد می‌کنند. این نوترون‌ها کلید تولید تریتیوم هستند، زیرا به سمت برخورد با هسته‌های عناصر سبک‌تر، مانند لیتیوم یا دوتریوم، که به عنوان هیدروژن سنگین نیز شناخته می‌شوند، هدایت می‌شوند. از طریق مجموعه‌ای از تبدیلات هسته‌ای شناخته شده، این عناصر به اتم‌های جدید تریتیوم تبدیل می‌شوند، ایزوتوپی که برای سوخت تحقیقات و راکتورهای همجوشی هسته‌ای مورد نیاز است.
سطوح بالاتر ایمنی
این فناوری به طور همزمان به دو هدف دست می‌یابد: از یک سو، با استفاده از زباله‌های هسته‌ای بسیار خطرناک به عنوان ماده اولیه برای واکنش، به دفع آنها کمک می‌کند و از سوی دیگر، منبعی نادر و استراتژیک مانند تریتیوم تولید می‌کند. علاوه بر این، کنترل خارجی از طریق شتاب‌دهنده ذرات، در مقایسه با راکتورهای معمولی، درجه ایمنی بالاتری به آن می‌دهد، زیرا این فرآیند می‌تواند بلافاصله پس از خاموش شدن شتاب‌دهنده متوقف شود و خطر فرار رادیواکتیو را کاهش دهد.
محاسبات نشان می‌دهد که یک راکتور با این فناوری با ظرفیت یک گیگاوات - که برای تأمین برق سالانه ۸۰۰۰۰۰ خانه آمریکایی کافی است - می‌تواند سالانه حدود دو کیلوگرم تریتیوم تولید کند که تقریباً معادل تولید سالانه فعلی کانادا است. این سیستم همچنین بیش از ده برابر کارآمدتر از یک راکتور همجوشی با ظرفیت حرارتی مشابه است.
یک ایده پیشنهادی، تقلید از طرح‌های قبلی است که زباله‌های هسته‌ای را با نمک‌های لیتیوم مذاب احاطه می‌کنند، که به خنک شدن کمک می‌کند و استخراج مواد رادیواکتیو را برای مصارف نظامی دشوار می‌کند. تبدیل زباله به سوخت همچنین می‌تواند بار ذخیره‌سازی طولانی‌مدت را کاهش دهد و خطرات نشت رادیواکتیو به محیط زیست و سلامت انسان را کاهش دهد.
با وجود جذابیت و پتانسیل این ایده، هنوز راه درازی تا به مرحله‌ی اجرا رسیدن این فناوری باقی مانده است. اگرچه این مفهوم از دهه‌ی ۱۹۹۰ مطرح بوده است، اما تا زمانی که پیشرفت‌های فناوری اخیر آن را واقع‌بینانه‌تر نکرده، شانس واقعی برای اجرا نداشته است.
با این حال، این پروژه هنوز در حوزه‌ی شبیه‌سازی‌های کامپیوتری است و قبل از بررسی استفاده از آن در مقیاس صنعتی، به مجموعه‌ای از آزمایش‌های عملی و مطالعات دقیق برای تعیین هزینه، امکان‌سنجی و ایمنی آن نیاز دارد. همانطور که تارنوفسکی توضیح می‌دهد، انتقال انرژی همیشه گران است، اما هرچه بتوانیم آنها را کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر انجام دهیم، باید بیشتر تلاش کنیم.