مدیریت هوشمند نوترون ها برای موفقیت نیروی همجوشی حیاتی است | اخبار MIT

در پاییز 2009، زمانی که اتان پترسون در سال 13 به عنوان دانشجوی کارشناسی وارد MIT شد، از قبل ایده هایی در مورد گزینه های شغلی احتمالی داشت. او همیشه حتی در کودکی ساختن اشیاء را دوست داشت، بنابراین تصور می کرد که کار آینده اش شامل نوعی مهندسی باشد. فیزیک را هم دوست داشت. و اخیراً، او تصمیم گرفت تا وابستگی ما به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهد و در عین حال انتشار گازهای گلخانه‌ای را محدود کند، که باعث شد به مطالعه انرژی خورشیدی و بادی، در کنار سایر منابع تجدیدپذیر فکر کند.

همه چیز برای او در ترم بهار سال 2010 متبلور شد، زمانی که او یک دوره مقدماتی همجوشی هسته ای را که توسط آن وایت تدریس می شد، گذراند، که طی آن متوجه شد وقتی یک هسته دوتریوم و یک هسته تریتیوم با هم ترکیب می شوند و یک هسته هلیوم تولید می کنند، یک هسته پرانرژی (14 مگا الکترون) ولت) نوترون – که با یک ششم سرعت نور حرکت می کند – آزاد می شود. همچنین 10²⁰ (100 میلیارد میلیارد) از این نوترون ها در هر ثانیه یک نیروگاه همجوشی 500 مگاواتی تولید می شود. پیترسون که در ژوئیه 2024 به عنوان استاد توسعه شغلی در سال 1956 انتخاب شد، گفت: “برای من هیجان انگیز بود که بفهمم فرآیند همجوشی چقدر انرژی دارد.” میدان گرما هسته ای این یک رشته مهندسی بود که در آن می توانستم فیزیک را برای حل یک مسئله واقعی به روشی جالب و زیبا به کار ببرم.

او به زودی دو رشته مهندسی فیزیک و هسته ای شد و در زمانی که در سال 2013 از MIT فارغ التحصیل شد، وزارت انرژی ایالات متحده (DoE) قبلاً تصمیم گرفته بود که بودجه پروژه همجوشی Alcator C-Mod MIT را متوقف کند. با توجه به بسته شدن قریب الوقوع آن مرکز، پیترسون تصمیم گرفت تحصیلات تکمیلی را در دانشگاه ویسکانسین دنبال کند. او در آنجا دانش اولیه علمی فیزیک پلاسما را به دست آورد، که نه تنها برای همجوشی هسته ای، بلکه در پدیده های اخترفیزیکی مانند باد خورشیدی نیز نقش اساسی دارد.

هنگامی که پترسون در سال 2019 دکترای خود را از ویسکانسین دریافت کرد، فیوژن با راه اندازی یک سال قبل از پروژه SPARC که یک تلاش مشترک با بخش تازه تاسیس سیستم های همجوشی مشترک المنافع MIT بود، در MIT بازگشته بود. او به عنوان یک همکار فوق دکترا و سپس به عنوان یک دانشمند پژوهشی در مرکز علوم پلاسما و همجوشی به دانشگاه خود بازگشت و در ابتدا زمان گذاشت تا بفهمد چگونه بهترین اثر خود را در این زمینه نشان دهد.

مراقب نوترون های خود باشید

در آن زمان، پترسون درگیر یک فرآیند برنامه‌ریزی اجتماعی بود که توسط وزارت انرژی حمایت می‌شد و بر شکاف‌های حیاتی تمرکز داشت که برای یک برنامه همجوشی موفق باید بسته شوند. در جریان این بحث‌ها، او متوجه شد که توجه کافی به مدیریت نوترون‌ها که 80 درصد انرژی حاصل از یک واکنش همجوشی را حمل می‌کنند – انرژی که باید برای تولید الکتریسیته استفاده شود، نشده است. با این حال، این نوترون ها آنقدر پرانرژی هستند که می توانند به ده ها سانتی متر از مواد نفوذ کنند و به طور بالقوه یکپارچگی ساختاری اجزا را از بین ببرند و به تجهیزات حیاتی مانند آهنرباهای ابررسانا آسیب بزنند. محافظ نیز برای محافظت از افراد در برابر تشعشعات مضر ضروری است.

پترسون می‌گوید یکی از اهداف این است که تعداد نوترون‌هایی را که بیرون می‌آیند به حداقل برسانیم و در نتیجه میزان انرژی از دست رفته را کاهش دهیم. او می‌افزاید، یک هدف دیگر این است که “نوترون‌ها را وادار کنیم گرما را در جایی که شما می‌خواهید ذخیره کنند و از انباشت گرما در جایی که شما نمی‌خواهید جلوگیری کنید.” این ملاحظات به نوبه خود می توانند تأثیر عمیقی بر طراحی راکتور همجوشی داشته باشند. آن شاخه از مهندسی هسته ای به نام نوترونیک – که تجزیه و تحلیل می کند که نوترون ها کجا ایجاد می شوند و به کجا ختم می شوند – به تخصص پترسون تبدیل شد.

این هرگز یک حوزه تحقیقاتی برجسته در جامعه فیوژن نبوده است – به عنوان مثال، فیزیک پلاسما همیشه توجه بیشتر و بودجه بیشتری را به خود جلب کرده است. دقیقاً به همین دلیل بود که پیترسون پا به عرصه گذاشت. او می‌گوید: «تاثیر نوترون‌ها بر طراحی راکتور همجوشی برای مدت طولانی اولویت بالایی نداشته است». «احساس می‌کردم که باید ابتکار عمل انجام شود» و این باعث شد که از فیزیک پلاسما به نوترونیک روی آورد. این تمرکز اصلی او از آن زمان بوده است – به عنوان یک دکترای فوق دکتری، دانشمند پژوهشی، و اکنون به عنوان یک عضو هیئت علمی.

کد طراحی

بهترین راه برای انتقال انرژی یک نوترون، برخورد آن با یک اتم سبک است. لیتیوم با شماره اتمی سه، یا مواد حاوی لیتیوم، معمولاً انتخاب های خوبی هستند – و برای تولید سوخت تریتیوم ضروری هستند. پترسون می‌گوید: قرار دادن پتوهای لیتیومی که برای جذب انرژی از نوترون‌ها و تولید تریتیوم طراحی شده‌اند، بخش مهمی از طراحی راکتور همجوشی است. برعکس می توان از مواد با چگالی بالا مانند سرب و تنگستن برای جلوگیری از عبور نوترون ها و سایر انواع تشعشعات استفاده کرد. او می افزاید: “شما ممکن است بخواهید این مواد با چگالی بالا و کم را به روشی پیچیده که بلافاصله قابل درک نیست، لایه بندی کنید.” تعیین اینکه کدام مواد در کجا قرار داده شود – و در چه ضخامت و جرم – یک مسئله بهینه سازی دشوار را ارائه می دهد که بر اندازه، هزینه و کارایی یک نیروگاه همجوشی تاثیر می گذارد.

برای این منظور، پترسون ابزارهای مدل‌سازی را توسعه داده است که می‌تواند تحلیل‌هایی از این نوع را آسان‌تر و سریع‌تر کند و در نتیجه فرآیند طراحی را تسهیل کند. او می‌گوید: «به‌طور سنتی، این قدمی است که طولانی‌ترین مرحله را طی می‌کند و بیشترین ترافیک را ایجاد می‌کند. مدل‌ها و الگوریتم‌هایی که او و همکارانش در حال توسعه هستند، به‌اندازه کافی کلی هستند، علاوه بر این، با طیف متنوعی از مفاهیم نیروگاه همجوشی، از جمله آن‌هایی که از آهن‌ربا یا لیزر برای محدود کردن پلاسما استفاده می‌کنند، سازگار هستند.

اکنون که پیترسون استاد شده است، می تواند افراد بیشتری را با مهندسی هسته ای و به ویژه نوترونیک آشنا کند. او می‌گوید: «من عاشق تدریس و راهنمایی دانش‌آموزان، به اشتراک گذاشتن چیزهایی هستم که مرا هیجان‌زده می‌کند. من از تمام اساتیدی که در رشته فیزیک و مهندسی هسته‌ای در MIT داشتم الهام گرفتم و امیدوارم بتوانم به همین روش به جامعه کمک کنم.»

او همچنین معتقد است که اگر می‌خواهید روی فیوژن کار کنید، جایی بهتر از MIT وجود ندارد، «که در آن امکانات در درجه دوم قرار دارند. مردم اینجا بسیار مبتکر و پرشور هستند. پیترسون خاطرنشان می‌کند که تعداد زیادی از افرادی که در زمینه‌های کاری خود برتر هستند، حیرت‌انگیز است.» همه این موارد در کنار هم، MIT را به مکانی بسیار ویژه تبدیل کرده است.