هم‌جوشی لخت با یون سنگین

برای عملی شدن هم ‌جوشی با محصورسازی لخت (ICF) در نیروگاه‌ها، به سه تکنولوژی کلیدی نیازمندیم: رآکتورها، هدف‌ها و محرک‌ها (ناکُل). قسمت عمدۀ تحقیقات مربوط به هدف و رآکتور از انتخاب محرک مستقلند: اما سودمندی تجارتی ICF قویاً به انتخاب محرک بستگی دارد. هم شتاب ‌دهنده‌های لیزری و هم شتاب‌ دهنده‌های یونی محرک‌های مناسبی به نظر می‌رسند. محاسبات اخیر و تجربیات 50 ساله نشان می‌دهند که می‌توان شتاب ‌دهنده‌های با یون سنگین را منحصراً برای تولید نیرو با ICF به کار برد.
بنا به محاسبات جاری این محرک بایستی با کارآیی 10 تا 20 درصد، چندین مگاژول انرژی و یک قلۀ نیروی بیش‌تر از (〖10〗^14 w) 10TW تولید کند. این باریکه‌های یون سنگین باید به لکه‌هایی با قطر چند میلی‌متر در سرتاسر یک کاواک 5 متری (رآکتور) کانونی شوند و محرک باید در هر ثانیه 10 تا 20 بار شلیک کند. ضمناً این محرک باید قابل اطمینان باشد و اقلاً حدود 30 سال عمر کند (مگر این که با هزینۀ کم قابل تعویض باشد)، و برای این که بتواند با سایر چشمه‌های انرژی رقابت کند، هزینۀ آن نباید از چند صد میلیون دلار تجاوز کند. و بالاخره، جفت کردن انرژی باریکه روی هدف باید به صرفه باشد. جفت کردن به صرفه یعنی این که تقریباً تمامی انرژی باریکه در 0/1〖g/cm〗^2 از سطح هدف درآشامیده (جذب) و ذخیره شود. حتی اگر 1% انرژی باریکه طوری در عمق نفوذ کند که باعث پیش ـ‌گرم کردن آن بشود، تراکم به صرفۀ هدف انجام نمی‌شود. (بان‌گرتر). نفوذ انرژی باریکه در 0/1〖g/cm〗^2 متناظر است با انرژی جنبشی در حدود (〖10〗^7 eV) 10MeV برای یون‌های سبک و در حدود 〖(10〗^10 eV) 10GeV برای یون‌های سنگین. از این رو، 100TW نیروی باریکه مستلزم جریانی در حدود (〖10〗^7 A) 10MA از یون‌های سبک است؛ اما این مقدار برای یون‌های سنگین فقط در حدود 10kA است. بنا بر این جریان یون‌های سبک به اندازۀ 1000 برابر از جریان یون‌های سنگین بیش‌تر است؛ و این یکی از تفاوت‌های مهم میان هم‌جوشی با یون سبک و هم‌جوشی با یون سنگین است.
اگر چه محرک‌های موجود که از نوع لیزری و با یون سبکند، برای آزمایش‌های کوتاه مدت ضروری‌اند، اما نمی‌توانند تمامی دربایست‌های ICF را که در بالا آمد برآورده کنند. برای تولید نیرو باید تکنولوژی‌های با محرک جدید تکامل یابند. محاسبات نشان می‌دهند که شتاب دهنده‌های با یون سنگین جند مرحله‌ای با انرژی جنبشی یونی حدود 10GeV می‌توانند تمامی دربایست‌های ICF را برآورده کنند. در واقع تا کنون دست ‌یابی به مقادیر مناسب بعضی عواملی مثل انرژی کافی، قابلیت اطمینان، طول عمر، آهنگ تکرار تپ و کارآیی، با تکیه بر تکنولوژی موجود عملی شده است و دست ‌یابی به بقیه نیز با تعمیم همین تکنولوژی بعید به نظر نمی‌رسد.
محدودیت در رسیدن به یک قلۀ بلند نیرو ناشی از چگالی بار فضای زیادی است که در آن شرایط موجود خواهد بود (منظور پَکیدن تعداد زیادی ذره در یک باریکۀ فشرده است). ناپایداری‌ها می‌توانند گسیلندگی باریکه را افزایش دهند (گسیلندگی عبارت است از واگرایی زاویه‌ای باریکه ضرب‌در شعاع آن) به طوری که این باریکه از شتاب دهنده حذف شود و یا نتواند روی هدف کانونی شود. این نتیجه از لحاظ تحلیلی و عددی به طور وسیع مطالعه شده است، اما تازه این اواخر چند آزمایش با تغییر مقیاس انجام شده است (1983). نتیجۀ کار تا حالا دل‌ گرم‌ کننده است، اما آزمایش‌هایی که بیش‌تر به مقیاس هم‌ جوشی نزدیک شوند مورد نیازند. کانونی کردن باریکه نیز از لحاظ نظری مطالعه شده است، اما تقریباً هیچ آزمایشی در مورد آن ممکن نبوده است.
به طور خلاصه، بررسی‌ها و آزمایش‌های اخیر هم‎جوشی با یون سنگین دل‌گرم‌ کننده‌اند. ادارۀ تحقیقات انرژی آمریکا یک برنامۀ تحقیقاتی دربارۀ شتاب¬ دهنده‌ها به راه انداخته است. هدف این برنامه انجام آزمایش‌هایی به منظور ارزیابی کامل امکان هم‌جوشی با یون سنگین به عنوان یک چشمۀ انرژی تجارتی است. هستۀ این برنامۀ تحقیقاتی شتاب‌ دهنده‌ای است که می‌تواند یک هدف را لااقل تا 50eV گرم کند. این شتاب‌ دهنده، که طبق برنامه قرار بود تا چند سال تکمیل شود، آزمایش در دمای بالا (HTE) نام دارد. آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس و آزمایشگاه لارنس بر کلی دست‌اندرکار طرح HTEاند.طرح‌های مقدماتی شبیه به شتاب ‌دهندۀ خطی القایی الکترونی ATA در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور هستند (1982). جریان طرح ATA (10kA) نیز تقریباً برابر جریان لازم برای هم‌جوشی با یون سنگین است؛ اما مشکلات ناشی از بار فضایی برای الکترون‌ها به اندازۀ یون‌ها جدی نیستند. HTE آن ‌قدر بزرگ است که داده‌های جامعی دربارۀ شتاب ¬دهنده‌های پر قدرت،کانونی کردن باریکه، جفت کردن هدف ـ باریکه و هزینه‌ها به دست دهد.