زمانی که دانشمندان در اوایل قرن بیستم، هسته اتم را شکافتند، تصور می‌کردند که توانسته‌اند نحوه شکل‌گیری عالم از ذرات کوچک را بشناسند. آنچه که آن‌ها نمی‌دانستند این بود که به مکانیزمی دست یافته‌اند که می‌تواند در تولید انرژی و هم‌چنین ساخت بمب کاربرد داشته باشد.
ارنست رادرفورد، از اولین کسانی بود که آزمایشات مربوط به شناخت ساختار اتم را انجام داد. او در نقل قولی معروف، می‌گوید:
این تصور اشتباه است که می‌توان با تغییر ساختار اتم به انرژی دست یافت.
امروزه ثابت شده که می‌توان با تغییر ساختار اتم از آن انرژی گرفت؛ بنابراین رادرفورد در اشتباه بوده. برای نمونه بمب اتم ابزاری است که با تغییر دادن هسته اورانیوم یا پلوتونیوم، منجر به تولید انرژی می‌شود. در حالت کلی می‌توان به دو روشِ شکافت و همجوشی، انرژی هسته‌ای تولید کرد. «شکافت هسته‌ای» (Nuclear Fission) روشی محسوب می‌شود که منجر به تولید زباله‌های هسته‌ای خواهد شد. این در حالی است که «همجوشی هسته‌ای» (Nuclear Fusion) روشی پاک‌تر و ایمن‌تر به منظور تولید انرژی هسته‌ای محسوب می‌شود. تصویر زیر شماتیکی از فرآیند همجوشی و شکافت را نشان می‌دهد.
همجوشی هسته ای چیست؟
شاید در ابتدا عجیب به نظر برسد، اما هر کاری که هم‌اکنون انجام می‌دهید، از جمله تنفس، راه رفتن یا فکر کردن و هر پدیده‌ای که در اطراف خود می‌بینید، به طور غیر مستقیم با فرآیند جوش هسته‌ای رخ داده شده در خورشید، ارتباط دارد. اگر می‌توانستید به درون هسته‌ی خورشید سفر کنید، خواهید دید که در آن‌جا اتم‌های هیدروژن با یکدیگر ترکیب شده و منجر به تولید هلیوم می‌شوند.
انرژی تولید شده در خورشید در نتیجه فرآیند همجوشی هسته‌ای است.
بنابراین جوش هسته‌ای، واکنشی است که در آن دو یا چند اتم با یکدیگر ترکیب شده و عنصر جدیدی را ایجاد می‌کنند. اختلاف میان جرم اتم‌های اولیه و اتم‌های جدید تولید شده، معادل با انرژی است که می‌تواند تولید شده یا جذب شود. بدیهی است که تفاوت عمده‌ای میان هسته‌ی خورشید و یک نیروگاه وجود دارد. بنابراین چطور می‌توان انرژی ناشی از جوش هسته‌ای را در زمین ایجاد کرد؟ تحقیقات نشان داده که روش بهتر استفاده از ایزوتروپ سنگین‌تر هیدروژن است. این ایزوتروپ به دلیل سنگین‌تر بودن، ناپایدار‌تر بوده و فرآیند جوش هسته‌ای را می‌توان با انرژی کم‌تری انجام داد.
اتم معمولی هیدروژن دارای یک پروتون و یک الکترون بوده و نوترونی در خود ندارد. این در حالی است که ایزوتوپ‌های تریتیوم و دوتریوم به ترتیب دارای ۲ و ۱ نوترون هستند. بنابراین می‌توان با ترکیب یک اتم از دوتریوم و یک اتم از تریتیوم اتمی پایدار از هلیوم ساخت. در شکل زیر شماتیکی از فرآیند جوش هسته‌ای مذکور نشان داده شده است.
بدیهی است که واکنش ارائه شده در بالا، واکنشی شیمیایی محسوب می‌شود. در واکنش‌های شیمیایی، اگر مجموع جرم فرآورده‌ها سبک‌تر از واکنشدهندهها باشد، فرآیند، گرماده محسوب می‌شود. در فرآیند هجوشی هسته‌های هیدروژن نیز این حالت وجود دارد. بنابراین با توجه به پایدار‌تر بودن اتم‌های هلیوم، فرآیند انرژی‌زا یا اصطلاحا گرماده است.
استفاده از همجوشی هسته ای
در فرآیند همجوشی هسته‌ای که در نتیجه ترکیب اتم‌های هیدروژن رخ می‌دهد، اگر جرم واکنشدهندهها (اتم تریتیوم + اتم دوتریوم) را با جرم فرآورده‌ها (اتم هلیوم + نوترون) مقایسه کنید، خواهید دید که جرم واکنشدهندهها بیشتر است. این اختلاف، برابر با جرمی است که به انرژی تبدیل شده.
برای نمونه در بزرگترین بمب هسته‌ای که اتحاد جماهیر شوروی در سال ۱۹۶۱ آزمایش کرد، تنها ۲.۳ کیلوگرم جرم به انرژی تبدیل شد. این مقدار از انرژی، معادل با انرژی ناشی از انفجار ۱۰۰ مگاتن تی‌ان‌تی است.
بمب تزار، قوی‌ترین بمب هسته‌ای است که تاکنون آزمایش شده. این بمب مبتنی بر فرآیند همجوشی هسته‌ای است.
بنابراین انرژی آزاد شده در نتیجه فرآیند همجوشی معادل با انرژی ذخیره شده در چندین تن سوخت فسیلی محسوب می‌شود. از این رو در دهه‌های اخیر تلاش بر این بوده تا به جای نیرو‌گا‌ه‌های مبتنی بر فرآیند شکافت هسته‌ای، از نیروگاه‌هایی استفاده شود که انرژی آن‌ها در نتیجه فرآیند همجوشی هسته‌ای تولید می‌شود. همان‌طور که اشاره شد، مبنای ایجاد فرآیند همجوشی هسته‌ای در آزمایشگاه، استفاده از ایزوتوپ‌های هیدروژن است. از نظر تئوری این امر ساده به نظر می‌رسد، اما تاکنون کسی نتوانسته با استفاده از این فرآیند، انرژی در مقیاس صنعتی تولید کند. دلیل این امر، مشکل بودن کنترل انرژی تولید شده است.
به منظور ایجاد فرآیند جوش هسته‌ای، بایستی دو اتم هیدروژن را به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک کرد. همان‌طور که در مطلب اوربیتا و آرایش الکترونی نیز به تفصیل بیان شد، هسته اتم دارای بار خالص مثبت است، لذا دو هسته یکدیگر را دفع کرده و نزدیک کردن آن‌ها به هم کار مشکلی خواهد بود. هرچه دو هسته بیشتر به هم نزدیک شوند، انرژی بیشتری به منظور نگه داشتن آن‌ها نیاز است. در ستاره‌هایی همچون خورشید، نیرویی که دو اتم را کنار یکدیگر نگه می‌دارد، همان گرانش است.
بزرگترین رآکتور همجوشی هسته‌ای جهان رسماً در ژاپن
رآکتور همجوشی هسته‌ای ژاپن که با همکاری اتحادیه اروپا ساخته شده است وJT-60SA نام دارد، در شهر ناکا راه‌اندازی شد. این رآکتور عنوان بزرگترین و پیشرفته‌ترین رآکتور توکامک جهان را در اختیار دارد و می‌تواند پلاسما را به دمای خارق‌العاده200 میلیون درجه سلسیوس برساند و آن را به مدت 100 ثانیه در چنین وضعیتی نگه دارد. بیش از 500 دانشمند و 70 شرکت جهانی در پروژه‌ای مشترک همکاری کردند تا رآکتور JT-60A بالاخره شروع به کار کند. هدف از راه‌اندازی این توکامک، بررسی امکان استفاده از همجوشی به‌عنوان یک منبع ایمن، عظیم و بدون آلودگی برای تأمین انرژی است.
راه‌اندازی بزرگترین و پیشرفته‌ترین رآکتور همجوشی هسته‌ای جهان
نام JT-60A بخشی از مشخصات این رآکتور را نشان می‌دهد. SA در این نام برای عبارت Super Advanced یا «اَبَرپیشرفته» در نظر گرفته شده است که ارتقایی بزرگ نسبت به رآکتور JT-60 محسوب می‌شود. ساخت این رآکتور جدید از سال 2013 آغاز شد. JT-60A قرار بود در سال 2021 شروع به کار کند، اما بروز مشکل اتصال کوتاه باعث شد دانشمندان بخشی از اتصالات الکتریکی این رآکتور را تغییر دهند.
گفتنی است که رآکتور همجوشی JT-60A پیش‌تر در ماه اکتبر 2023 به اولین پلاسمای خود رسیده بود، اما حالا دیگر فعالیت رسمی‌اش را آغاز می‌کند. بسیاری از دانشمندان امیدوارند که با این رآکتور بتوانند به منبع مناسبی برای تولید انرژی دست یابند.
در رآکتورهای توکامک، زمانی که سوخت گازی به محفظه رآکتور وارد می‌شود، سیم‌پیچ‌های مغناطیسی باعث می‌شود این سوخت با سرعت بسیار زیادی به حرکت درآید. در این حالت، گاز یونیزه شده و به پلاسما تبدیل می‌شود.
در ادامه، پلاسما به دماهای فوق‌العاده بالا (تا حداکثر 300 میلیون درجه سلسیوس) برده می‌شود تا طی فرایندهایی، اتم‌های هیدروژن تحت گرما و فشار به اتم‌های سنگین‌تر هلیم تبدیل شوند. زمانی که هسته‌های دوتریوم و تریتیوم – که در هیدروژن وجود دارد – به همجوشی رسیدند، هسته هلیوم، یک نوترون و مقدار زیادی انرژی تولید می‌شود.