-
همجوشي هسته اي...
به نام خداي متعال كه منزه است از شرك مشركان . از ديرباز آرزوي بشر دستيابي به منبعي از انرژي بوده كه علاوه بر آنكه بتواند مدت مديدي از آن استفاده كند توليد پسماندهاي خطر ناكنيز در پي نداشته باشد.اكنون در هزاره سوم ميلادي اين آرزوي به ظاهر دست نيافتني كمكم به واقعيت مي پيوندد.اكنون بشر خود را آماده مي كند تا با ساخت اولين رآكتورگرما هسته اي (همجوشي هسته اي)آرزوي نياكان خود را تحقق بخشد.سوختي پاك و ارزان بهنام هيدروژن,انرژي توليدي اي سرشار و پسماندي بسيار پاك به نام هليوم. اكنون ميپردازيم به واكنشهاي گرما هسته اي راهكارهاي استفاده از آن.
خورشيد و ستارگان: سالهاست كه دانشمندانواكنشي را كه در خورشيد و ستارگان رخ داده و در آن انرژي توليد مي كند كشف كردهاند.اين واكنش عبارت است از تركيب (برخورد) هسته هاي چهار اتم هيدروژن معمولي وتوليد يك هسته اتم هليوم.اما مشكلي سر راه اين نظريه است. بالا ترين دمايي كه درخورشيد وجود دارد مربوط به مركز آن است كه برابر 15ضرب در 10 به توان6 مي باشد.درحالي كه در ستارگان بزرگتر اين دما به 20 ضرب در ده به توان 6 مي رسد.به همين خاطرتصور بر اين است كه آن واكنش معروف تركيب چهار اتم هيدروژن معمولي وتوليد يك اتمهليم در ساير ستارگان بزرگ نيست كه باعث توليد انرژي مي شود.بلكه احتمالا چرخه كربندر آنها به كمك آمده و كوره آنها را روشن نگه مي دارد.منظور از چرخه كربن آن چرخهاي نيست كه روي زمين اتفاق مي افتد.بلكه به اين صورت است كه ابتدا يك اتم هيدروژنمعمولي با يك اتم كربنC12تركيب مي شود(همجوشي) و يك اتم N13 به علاوه يك واحد گامارا آزاد مي كند.بعد اين اتم با يك واپاشي به يك اتمC13به علاوه يك پوزيترون ويكنوترينو تبديل مي شود.بعد اينC13دوباره با يك اتم هيدروژن تركيب مي شود وN14و يكواحد گاما حاصل مي شود.دوباره در اثر تركيب اين نيتروژن با يك هيدروژن معمولياتمO15و يك واحد گاما توليد مي شود.O15واپاشي كرده و N15به علاوه يك پوزيترون ويكنوترينو را بوجود مياورد.و دست آخر با تركيب N15با يك هيدروژن معموليC12به علاوه يكاتم هليوم بدست مي آيد.
ديديد كه در اين چرخه C12نه مصرف شد و نه به وجودآمد بلكه فقط نقش كاتاليزور را داشت.اين واكنشها به ترتيب و پشت سر هم انجام ميشوند.و واكنش اصلي همان تبديل چهار اتم هيدروژن به يك اتم هليوم است.مزيت چرخه كربناين است كه سرعت كار را خيلي بالا مي برد. ولي اشكالي كه دارد اين است كه در دمايحد اقل20 ضرب در ده به توان6 شروع مي شود.بنا بر اين احتمال زيادي ميرود كه درستاره هاي بزرگتر چرخه كربن باعث توليد انرژي مي شود.
محصور سازي
يك تعريف ساده و پايهاي از همجوشي عبارت است از فرو رفتن هسته هاي چند اتم سبكتر و تشكيل يك هستهسنگينتر.مثلا واكنش كلي همجوشي كه در خورشيد رخ ميدهد عبارت است از برخورد هسته هايچهاراتم هيدروژن وتبديل آنها به يك اتم هليوم .
تا اينجا ساده به نظر ميرسدولي مشكلي اساسي سر راه است;مي دانيدهسته ازذرات ريزي تشكيل شده است كه پروتونونوترون جزءلاينفك آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون بابارمثبت كه سايربارهاي مثبترابه شدت ازخودميراند.مشكل مشخص شد؟ بله…اگرپروتونها(هسته هاي هيدروژن)يكديگررادفعميكنندچگونه ميتوان آنهارادرهمجوشي شركت داد؟
همانطوركه حدس زديد راه حلاساسي آن است كه به اين پروتونهاآنقدرانرژي بدهيم كه انرژي جنبشي آنهابيشترازنيرويدافعه كولني آنهاشود و پروتونها بتوانند به اندازه كافي به هم نزديك شوند.حال چگونهاين انرژي جنبشي را توليد كنيم؟گرما راه حل خوبيست.در اثر افزايش دما جنب و جوش وبهعبارت ديگرانرژي جنبشي ذرات بيشتر و بيشتر ميشود به طوري كه تعداد برخوردها و شدتآنها بيشتر و بيشتر ميشود.به نظر شما آيا ديگر مشكلي وجود ندارد؟ خير,مسئلهاساسيتري سر راه است.
يك سماور پر از آب را تصور كنيد.وقتي سماور را روشنمي كنيد با اين كار به آب درون سماور گرما ميدهيد(انرژي منتقل مي كنيد).در اثر اينانتقال انرژي دماي آب رفته رفته بالاتر مي رود و به عبارتي جنب و جوش مولكولهاي آبزياد مي شود.در اين حالت بين مولكولهاي آب برخوردهايي پديد مي آيد.هر مولكول كه ازشعله(يا المنت يا هر چيز ديگري)مقداري انرژي دريافت كرده است آنقدر جنب و جوش ميكند تا بالاخره (به علت محدود بودن محيط سماور و آب)انرژي خود رابه ديگريبدهد.مولكول بعدي نيز به نوبه خود همين عمل را انجام ميدهد.بدين ترتيب رفته رفتهانرژي منبع گرما در تمام آب پخش مي شود و دماي آب بالا ميرود.خوب يك سوال:آيا وقتيبدنه سماور را لمس مي كنيم هيچ گرمايي حس نمي كنيم؟…بله حس ميكنيم.دليلش هم كه روشناست.برخورد مولكولهاي پر انرژي آب با بدنه سماور و انتقال انرژي خود به آن.هدف مااز روشن كردن سماور گرم كردن آب بود نه سماور.اميدوارم تا اينجا پاسخ اولين مشكلاساسي بر سر راه همجوشي را دريافت كرده باشيد.بله اگر اگر با صرف هزينه و زحمت بالاسوخت را به دمايي معادل ميليونها درجه كلوين برسانيم آيا اين اتمها آنقدر صبرخواهند كرد تا با ديگر اتمها وارد واكنش شوند يا در اولين فرصت انرژي بالاي خود رابه ديواره داده وآن را نا بود ميكند؟(...شما بوديد چه مي كرديد؟؟؟...).بنابر ايننياز به ((محصور سازي))داريم;يعني بايد به طريقي اجازه ندهيم كه اين گرما به ديوارهمنتقل شود.
رسيدن به دماي بالا:
شروع واكنش همجوشي به دماي بسيار بالايي نيازمند است.درستاست كه دماي پانزده ميليون درجه دماي بسيار بالايست و تصور بوجود آوردنش روي زمينمشكل و كمي هم وحشتناك مي باشد ولي معمولا در زندگي روزمره دور و برمان دماهاي خيليبالايي وجود دارند و ما از آنها غافليم.مثلا وقتي در اثر اتصالي سيمهاي برق داخلجعبه تقسيم ميسوزد وشما صداي جرقه آنرا ميشنويد و پس از بررسي متوجه مي شويد كهكاملا ذوب شده فقط به خاطر دماي وحشتناكي بوده كه آن تو به وجود آمده.شايد باورنكنيد ولي اين دما به حدود سي-چهل هزار درجه كلوين ميرسد.البته اين دما براي همجوشيحكم طفل ني سواري را دارد.يا اينكه مي توانيم با استفاده از ولتاژهاي بسيار بالاقوسهاي الكتريكي را از درون لوله هاي مويين عبور بدهيم.به اين ترتيب دماي هواي داخللوله كه اكنون به پلاسما تبديل شده به نزديك چند ميليون درجه مي رسد.(كه باز همبراي همجوشي كم است).يكي از بهترين راهها استفاده از ليزر است.مي دانيد كه ليزرهاييبا توانهاي بسيار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعي از ليزر به نام ليزر نوا(NOVA)ميتواند در مدت كوتاهي انرژي اي معادل ده به توان پنج ژول توليد كند.اما بازهم دركنار هر مزيت معايبي هست.مثلا اين ليزر تبعا انرژي زيادي مصرف ميكند كه حتي با صرفنظر از آن مشكل ديگري هست كه ميگويد اگر انرژي توليدي ليزر در آن مدت كوتاه بايدتحويل داده بشود پس براي برقرار ماندن معيار لاوسن (حالا كه مدت زمان محصور سازيپايين آمده)بايد چگالي بالا تر برود.كه در اين مورد از تراكم و چگالي جامد هم بالاتر ميرود.
انواع واكنشها:
براي بهينه سازي كار رآكتورهاي همجوشي و افزايش توان خروجيآنها راههاي متعددي وجود دارد.يكي از اين راهها انتخاب نوع واكنشيست كه قرار است دررآكتور انجام بشود.
ظبق تصوير زير نوعي از واكنش همجوشي بصورتيست كه در آندو هسته سبك با يكديگر واكنش داده و يك هسته سنگين تر را بوجود مياورند.يعني حاصلتركيب دو هسته دوتريم و توليد يك هسته ترتيم به علاوه يك هسته هيدروژن معموليست. اين واكنش انرژي ده مي باشد.چون تفاوت انرژي بستگي هسته سنگين تر وهسته هاي سبكترمقداري منفيست.
در اين واكنش مقدار انرژي اي توليدي برابر4MeVمي باشد.
قبلا گفته شد كه بايد براي انجام همجوشي هسته ها به اندازه كافي به همنزديك بشوند.اين مقدار كافي حدودا معادل3fmمي باشد.چون در اين فاصله ها انرژيپتانسيل الكترواسناتيكي دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس مي توانيم با اين مقدارانرژي دادن به يكي از دوترونها دافعه كولني بين دوترونها ر شكسته و واكنش را شروعكنيم كه بعد از انجام مقدار4.5MeVتوليد مي شود.(0.5MeVانرژي جنبشي به علاوه 4MeVانرژي آزاد شده)
همانطور كه مي بينيد بهترين گزينه واكنش سوم مي باشد
مي توانيم رآكتور خود را طوري طراحي كنيم كه دورديواره بيروني آن ليتيم مايع تحت فشار جريان داشته باشد.اين ليتيم مايع گرمايتوليدي اضافي را از واكنش گرفته و به آب منتقل مي كند و با تبديل آن به بخار باعثمي شود كه توربين و ژنراتور به حركت درآيند و برق توليد بشود.
اما چرا ليتيم؟
قبلا ديديد كه مقرون به صرفه ترين واكنش در رآكتور همجوشيواكنش دوتريم . ترتيم است.در اين واكنش ديديد كه يك نوترون پر انرژي توليد ميشد.اين مساله يعني نوترون زايي مي تواند سبب تضعيف بخشهايي از رآكتور شود.از طرفيبراي محيط زيست و مخصوصا سلامتي كساني كه در اطراف رآكتور فعاليت مي كنند بسيار مضراست.اما اگر ليتيم را به عنوان خنك كننده داشته باشيم اين جريان ليتيم همچنين نقشمهم كند كنندگي را بازي خواهد كرد.به اين صورت كه با نوترون اضافي توليد شده درواكنش تركيب شده و سوخت گران قيمت و بسيار كمياب رآكتور رو كه همان ترتيم است توليدمي كند.واكنش دقيق آن به شكل زير است.البته در اين مورد بايد ضخامت ليتيم مايع درجريان حداقل يك متر باشد.
انواعرآكتور:
توكامك يكي از انواع رآكتورهاي همجوشي هسته ايستكه عمل محصورسازي را به خوبي انجام ميدهد.طرح توكامك در دهه پنجاه ميلادي توسطروسها پيشنهاد شد.كلمه توكامك از كلمات "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معني " اتاقك مغناطيسي چنبره اي" گرفته شده است.
يكي از دلايل وتوجيحاتي كه براي چنبره اي بودن محفظه هاي محصور سازي مي شود بيان كرد اين است كه : توپ پر مويي را تصور كنيد كه شما قصد داريد موهاي اين توپ را شانه بزنيد. شما هرطور و از هر طرف كه بخواهيد اين كار بكنيد هميشه دو طرف از موهاي توپ شانه نشده ونامنظم باقي مي ماند.حال به جاي توپ فرض كنيد كه يك كره مغناطيسي داريم .ميخواهيمكه بردارهاي ميدان در سراسر اطراف اين كره يكنواخت و منظم باشند(در واقع همه در يكجهت باشند).بنا به مثال اين كار غير ممكن بوده ونا منظمي در دو طرف كره باعث عدمپايداري محصور ساز مي شود.ولي در يك محصور ساز چنبره اي چنين مشكلي وجود ندارد ويكنواختي ميدان سراسر محصور ساز(توكامك)باعث پايداري آن مي شود.مهم ترين و حياتيترين وظيفه يك ابزار همجوشي پايدار نگه داشتن پلاسما است.
اسفرومك نوعديگري از رآكتورهاي همجوشي هسته ايست.
اسفرومك نوع ديگري از رآكتورهايهمجوشيست كه بر خلاف توكامك كه چنبره ايست شكلي كروي دارد.البته تفاوت اسفرومك باتوكامك در اين است كه در مركز اسفرومك هيچ جسم مادي اي وجود ندارد.
اسفرومكمتاسفانه با بي مهري مواجه شد و به اندازه توكامك مورد توجه واقع نشد.در حالي كهاسفرومك مدت زيادي بعد از توكامك اختراع شد.
در دهه گذشته اغلب تحقيقات دربخش انرژي همجوشي مغناطيسي روي توكامك چنبره اي شكل براي رسيدن به واكنشهاي همجوشيدر سطح بالا متمركز شده است.
كار توكامك در ايالات متحده وخارج آن ادامهدارد ولي سازمان دانشمندان انرژي همجوشي در حال بازديد از اسفرومك هستند.
قسمت زيادي از علاقه تجديد شده به پروژه اسفرومك روي تحقيقات فعالي درلاورنس ليورمور در گروهي به نام SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment) متمركز شده است.SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمي با حضور نماينده اي از DOE و باهمكاري دانشمنداني از Sandia و آزمايشگاه ملي لس آلاموس آغاز به كار كرد.SSPX يكسري از از آزمايشات است كه براي اين طراحي شده كه توانايي اسفرومك را در اين موردكه اسفرومك چقدر اين كيفيت را داراست كه پلاسما هاي داغ سوخت همجوشي را درون خودداشته باشد مشخص كند .
به عقيده رهبر پروژه SSPX آقاي David Hill توكامك بادماي بالايي كه در آن قابل دسترسيست (بيشتر از 100ميليون درجه سلسيوس كه بارهابيشتر از دماي مركز خورشيد است)فعلا برنده جريان رهبري پروژه هاي همجوشي به حساب ميآيد.با اين حال ميدانهاي مغناطيسي توكامك بوسيله كويل (سيم پيچ) هاي بيروني بسياربزرگ كه چنبره رآكتور را كاملا احاطه مي كنند توليد مي شوند.اين كويل هاي بسياربزرگ هزينه بسيار زياد و بي نظمي و اختلالاتي در كار رآكتور خواهند داشت.
در حالي كه اسفرومك ها پلاسماي بسيار داغ را در يك سيستم ميدان مغناطيسيساده و فشرده كه فقط از يك سري ساده از كويل هاي كوچك پايدار كننده استفاده ميكندبوجود مي آورد.ميدانهاي مغناطيسي قوي لازم درون پلاسما با چيزي كه دينام مغناطيسيناميده مي شود توليد مي شوند.
انرژيده كردن:
مي دانيد درنوعي از رآكتورهاي شكافت هسته ايبوجود آوردن زنجيره واكنشها بوسيله برخورد دادن يك نوترون پر انرژي با هسته يك اتماورانيم235 انجام مي شود.به اين صورت كه وقتي كه اين نوترون وارد هسته اتماورانيوم235 مي شود آن را به يك هسته اورانيم236 تبديل ميكند.از آنجا كه اين هستهناپايدار است به سرعت واپاشي مي كرده و اتمهاي سبكتري به همراه سه نوترون پر انرژيديگر را توليد مي كند.
توضيح كاملتر اينكه در هسته هاي سنگين پايدار مثلاورانيوم بين نيروهاي الكترواستاتيكي كه مايل هستند ذرات تشكيل دهنده اتم را از همدور كنند و نيروي هسته اي كه آنها را كنار هم نگه ميدارد تعادل بسيار حساسي وجوددارد كه اين تعادل رو مي توانيم براحتي و به روشي كه گفته شد به هم زده و واكنششكافت هسته اي را شروع كنيم.واكنش حاصل از يك اتم با توليد كردن سه نوترون پر انرژيديگر باعث ميشود سه اتم اورانيم ديگر وارد واپاشي بشوند.به همين ترتيب واكنشاصطلاحا زنجيره اي ميشود.
قدر مسلم يك رآكتور همجوشي ايده آل رآكتوريست كهدر آن واكنشهاي زنجيره اي داريم. در واقع هدف اساسي در راه ساخت رآكتور همجوشي هستهاي زنجيره اي كردن آن است.اگر قرار باشد كه ما در اين راه انرژي صرف كنيم تا يكمقدار كمتر از آن را بدست بياوريم مطمئنا اين واكنش نه زنجيره ايست نهمفيد.دانشمندان اين رشته مفهومي به نام گيرانش را تعريف كرده اند كه به معني ايناست كه مقداري انرژي صرف شروع واكنش كنيم و انرژي بيشتر از سلسله واكنشها بگيريم.درواقع در شرايط گيرانش واكنش زنجيره اي ميشود.يعني نه تنها انرژي توليدي يك واكنشبراي انجام واكنش بعد كافيست بلكه مقدار زيادي از آن هم اضافه است وميتواند دراختيار ما براي توليد برق قرار بگيرد.
اگر بخواهيم توكامك يا هر وسيله ديگركه همجوشي در آن انجام مي شود توان مفيد داشته باشد يعني به ما انرژي بدهد بايدشرايط خاصي داشته باشد. براي آنكه احتمال برخورد ذرات(يونهاي) نامزد همجوشي بالابرود اولا بايد دماي خيلي بالايي درون آن توليد بشود و رآكتور هم بتواند بخوبي دمايبالا را تحمل كند.(اين دما در محدوده ده به توان هشت درجه كلوين مي باشد!)دومارآكتور بايد اين توانايي را داشته باشد كه درونش چگالي زياد از يونها را وارد كرد وسوم اينكه زمان محصور سازي در آن طولاني باشد.
دماي بالا براي آن است كهبتوانيم تقريبا مطمئن باشيم كه مي توانيم از سد محكم پتانسيل كولني هسته هابگذريم.چگالي زياد هم براي اين است كه هر چه بيشتر احتمال برخورد هاي كارا بالابرود.
در اين مسير قانوني وجود دارد كه نام آن معيار لاوسون است.به كمك اينمعيار مي شود محاسبه كرد كه آيا شرايط طوري هست كه واكنش به گيرانش برسد يا نه.
معيار لاوسن = بايد: مقدار چگالي*مدت زمان محصور سازي > ده به توان20ذرهدر متر مكعب باشد تا اين واكنش به گيرانش برسد(البته بستگي مستقيم با دماي پلاسمادارد)
اما به طور دقيق تر:
براي رسيدن به شرايط مطلوب درواكنشهاي گرما هسته اي كه درآنها از سوخت دوتريم - ترتيم استفاده مي شود دماي پلاسما (T) بايد در محدوده يك اليسه ضرب در ده به توان هشت درجه كلوين و زمان محصورسازي(تي اي)(تي انديس E) بايد درحدود يك الي سه ثانيه و چگالي (n) بايد حوالي يك الي سه ضرب در ده به توان بيست ذرهبر متر مكعب باشد.براي آغاز به كار رآكتور يعني براي رسيدن به كمينه دماي حدود دهبه توان هشت كلوين بايد از وسيله گرما ساز كمكي استفاده كرد.بعد از محترق شدن سوختمخلوط پلاسما باذرات آلفايي كه در اثر احتراق اوليه بوجود اومده اند گرم شده و ميتوانيم دستگاه كمكي را از مدار خارج كنيم.از آن به بعد سرعت فعاليتهاي همجوشي باافزايش دادن چگالي پلاسما افزايش پيدا مي كند.با اين وجود افزايش چگالي به بالايمرزهاي تعيين شده و مطمئن به معني به هم خوردن پايداري پلاسما و يا اينكه خاموش شدنرآكتور را در پي خواهد داشت يا فاجعه.به عبارت ديگه (در صورت افزايش چگالي پلاسما) براي پايدار كردن پلاسما زمان محصور سازي و دماي احتراق و صد البته حجم پلاسما ونقطه پايداري پلاسما با افزايش چگالي بالا تر رفته و شرايط را براي كار سخت تر ميكند.به حالت تعادل در آوردن اين ملزمات با شكل بندي رآكتور در كوچكترين اسپكت ريتوكه به شكل بندي مغناطيسي آن بستگي دارد مقدور ميشود.
نسبت R به a را اسپكت ريتو مي گويند.
خروج پسماندها:
طبق شكل زير كه تصويري از سطح مقطع رآكتور مي باشد نحوهكنترل و خارج كردن پسماندهاي واكنش كه همان هليوم باشند را مشاهده مي كنيد.
واقعيت:
ITERاسم مجموعه ايست كه اولين رآكتور همجوشي جهان را كه از نوع توكامك خواهد بود در فرانسه خواهند ساخت.اين مجموعه متشكل است از كشورهاي: روسيه اروپا ژاپن كانادا چين ايالات متحده و جمهوري كره. آنها در اين راه از فوق هادي ها براي قسمت هاي مغناطيسي رآكتور استفاده مي كنند.توان خروجي اين توكامك 410 مگا وات خواهد بود.
