همجوشی

همجوشی

همجوشی هسته ای یک منبع انرژی پتاسیل است. که آلودگی آن نسبتاً کم ، تقریبا پایان ناپذیر ، ارزان قیمت و می تواند در دسترس همگان قرارگیرد. استفاده از انرژی همجوشی هسته ای به صورت عملی در ابعاد بزرگ در مرحله آزمایش است.

به نظر می رسد که به وجود آمدن ماشین های بزرگ در حوزه همجوشی گرما هسته ای کنترل شده می توان مسئله انرژی سیاره زمین را حل کرد. تشریح جز به جز تمام سازکارهایی که در همجوشی دخالت دارند امکان پذیر نیست.

ساختار همجوشی هسته ای:

دوتریوم و تریتیوم ، ایزوتوپ های هیدروژنی مواد قابل احتراق همجوشی هسته ای راتشکیل می دهند. هسته دوتریوم از یک نوترون و یک پروتون تشکیل می یابد. و هسته تریتیوم دارای دو نوترون و یک پروتون است چون بار الکتریکی تمام هسته مثبت است.

هسته ها درحالت آزاد همدیگر را دفع می کنند. برای اینکه همجوشی هسته ای بین دو هسته صورت گیرد، باید که انرژی هسته ها نسبت به رانش کولنی به قدر کافی زیادباشد. وقتی هسته ها به حد کافی به هم نزدیک می شوند یک نیروی جاذبه ای هسته ای قوی سبب اتصال هسته ها می شود. و در این صورت انرژی آزاد شده مساوی با انرژی همبستگی هسته دارد.

هسته های ترکیب یافته ناپایدار هستند. و با تجزیه به یک عده از ذرات هسته های دیگر به حالت پایای نهایی می رسد.

انرژی بستگی حالت کمتر پایا از انرژی هسته ترکیب یافته است و بنابر این انرژی آزاد شده بصورت انرژی جنبشی محصولات تجزیه ظاهر می شود.

حالتی از ماده که در آن باید هسته ها وجود داشته باشد، تا همجوشی صورت پذیرد، پلاسما نامیده می شود. برای تشکیل پلاسما گاز مورد نظر باید به قدری گرم شود و به دمایی برسد که الکترون ها ازاتم ها جدا شوند.

در انرژی های بالا احتمال برخورد در یون با نیروی کافی برای نفوذ به سد های کولنی رانش نسبی آنها که قادر می سازد، تا نیروی هسته ای این یون ها را به هم جوش دهد، کوچک است. بنابر این برای همجوشی هسته ای تراکم یون ها باید خیلی زیاد باشد.

شرایط لازم برای یک راکتور همجوشی هسته ای:

انرژی تولید شده به توسط واکنش گرما هسته ای باید زیادتر از اتلاف های گوناگون باشد. نخست از اتلاف های حرارتی صرف نظر می شود در یک پلاسما اتلاف به علت یونش وجود ندارد. ولی گاز تشعشع هسته ای می کند و انرژی اتلافی در این حالت می تواند بسیار قابل ملاحظه باشد. قسمت بیشتر اتلاف توسط اشعه ایکس یا تابش ترمزی است، که بر اثر گذشتن الکترون ها از میدان الکتریکی هسته های پلاسما این اشعه تولیدمی شود.

سوخت های همجوشی:

فرایندهای طبیعی و نتایج حاصل از آنها نشان داده است که واکنش ها ی همجوشی هسته ای گوناگون وجود دارد. تفاوت واکنش های مختلف هسته های در میزان سوختی است که از واکنش ها خارج می شود. مقدار Q واکنش (انرژی حاصل از واکنش) و بستگی احتمال انجام واکنش به خواص جنبشی مواد واکنش کننده ها می باشد. واکنش همجوشی که درشرایط آزمایشگاهی انجام می شود و جهت تولید توان مناسب واکنش واکنش دوتریوم با تریتیوم است که از این واکنش یک اتم هلیوم ویک نوترون و به مقدار 17.6 Mev انرژی تولید می شود.

واکنش همجوشی قابل دسترسی دیگر ، در برگیرنده هسته دوتریوم به عنوان سوخت است. از ترکیب دو تا دوتریوم یک پروتون و یک تریتیوم و مقداری انرژی آزاد می شود (حدود 4.1 Mev).

ازآنجا که راکتورها ی همجوشی هسته ای سوختشان دوتریوم و ترینیوم می باشد، تحقیقات انجام شده نشان می دهد که اقیانوس های جهان و همچنین دریاچه های آب شیرین و رودخانه ها نیز در برگیرنده ی دوتریوم ، کافی هستند. ولی ترینیوم یک ماده ی رادیو اکتیو پخش کننده ذره بتا با نیم عمر 12.3 سال کمیاب است.

موجودی تریتیوم در اقیانوس ها در اتمسفر در حال تعادل که بوسیله پرتوهای کیهانی تولید می شود، نزدیک به 20 کیلو گرم بر آورد می شود. در صورتی که ممکن است برای هر راکتور قدرت پایه که بر اساس ایستگاه مرکزی پایه گذاری شده، یک حسابرسی کمیتی چند کیلو گرم لازم باشد. یک نیروگاه در هرروز کاری نزدیک به 153 گرم تریتیوم مصرف می کند.

از ديرباز آرزوي بشر دستيابي به منبعي از انرژي بوده كه علاوه بر آنكه بتواند مدت مديدي از آن استفاده كند توليد پسماندهاي خطر ناك نيز در پي نداشته باشد.اكنون در هزاره سوم ميلادي اين آرزوي به ظاهر دست نيافتني كم كم به واقعيت مي پيوندد.اكنون بشر خود را آماده مي كند تا با ساخت اولين رآكتور گرما هسته اي (همجوشي هسته اي)آرزوي نياكان خود را تحقق بخشد.سوختي پاك و ارزان به نام هيدروژن,انرژي توليدي اي سرشار و پسماندي بسيار پاك به نام هليوم.

اكنون مي پردازيم به واكنشهاي گرما هسته اي راهكارهاي استفاده از آن.

خورشيد و ستارگان:

سالهاست كه دانشمندان واكنشي را كه در خورشيد و ستارگان رخ داده و در آن انرژي توليد مي كند كشف كرده اند.اين واكنش عبارت است از تركيب (برخورد) هسته هاي چهار اتم هيدروژن معمولي و توليد يك هسته اتم هليوم.اما مشكلي سر راه اين نظريه است.

بالا ترين دمايي كه در خورشيد وجود دارد مربوط به مركز آن است كه برابر 15ضرب در 10 به توان6 مي باشد.در حالي كه در ستارگان بزرگتر اين دما به 20 ضرب در ده به توان 6 مي رسد.به همين خاطر تصور بر اين است كه آن واكنش معروف تركيب چهار اتم هيدروژن معمولي وتوليد يك اتم هليم در ساير ستارگان بزرگ نيست كه باعث توليد انرژي مي شود.بلكه احتمالا چرخه كربن در آنها به كمك آمده و كوره آنها را روشن نگه مي دارد.منظور از چرخه كربن آن چرخه اي نيست كه روي زمين اتفاق مي افتد.بلكه به اين صورت است كه ابتدا يك اتم هيدروژن معمولي با يك اتم كربنC12تركيب مي شود(همجوشي) و يك اتم N13 به علاوه يك واحد گاما را آزاد مي كند.بعد اين اتم با يك واپاشي به يك اتمC13به علاوه يك پوزيترون ويك نوترينو تبديل مي شود.بعد اينC13دوباره با يك اتم هيدروژن تركيب مي شود وN14و يك واحد گاما حاصل مي شود.دوباره در اثر تركيب اين نيتروژن با يك هيدروژن معمولي اتمO15و يك واحد گاما توليد مي شود.O15واپاشي كرده و N15به علاوه يك پوزيترون ويك نوترينو را بوجود مياورد.و دست آخر با تركيب N15با يك هيدروژن معموليC12به علاوه يك اتم هليوم بدست مي آيد.

ديديد كه در اين چرخه C12نه مصرف شد و نه به وجود آمد بلكه فقط نقش كاتاليزور را داشت.اين واكنشها به ترتيب و پشت سر هم انجام مي شوند.و واكنش اصلي همان تبديل چهار اتم هيدروژن به يك اتم هليوم است.مزيت چرخه كربن اين است كه سرعت كار را خيلي بالا مي برد. ولي اشكالي كه دارد اين است كه در دماي حد اقل20 ضرب در ده به توان6 شروع مي شود.بنا بر اين احتمال زيادي ميرود كه در ستاره هاي بزرگتر چرخه كربن باعث توليد انرژي مي شود.

محصور سازي

يك تعريف ساده و پايه اي از همجوشي عبارت است از فرو رفتن هسته هاي چند اتم سبكتر و تشكيل يك هسته سنگينتر.مثلا واكنش كلي همجوشي كه در خورشيد رخ ميدهد عبارت است از برخورد هسته هاي چهاراتم هيدروژن وتبديل آنها به يك اتم هليوم .

تا اينجا ساده به نظر ميرسد ولي مشكلي اساسي سر راه است;مي دانيدهسته ازذرات ريزي تشكيل شده است كه پروتون ونوترون جزءلاينفك آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون بابارمثبت كه سايربارهاي مثبت رابه شدت ازخودميراند.مشكل مشخص شد؟ بله…اگرپروتونها(هسته هاي هيدروژن)يكديگررادفع ميكنندچگونه ميتوان آنهارادرهمجوشي شركت داد؟

همانطوركه حدس زديد راه حل اساسي آن است كه به اين پروتونهاآنقدرانرژي بدهيم كه انرژي جنبشي آنهابيشترازنيروي دافعه كولني آنهاشود و پروتونها بتوانند به اندازه كافي به هم نزديك شوند.حال چگونه اين انرژي جنبشي را توليد كنيم؟گرما راه حل خوبيست.در اثر افزايش دما جنب و جوش وبه عبارت ديگرانرژي جنبشي ذرات بيشتر و بيشتر ميشود به طوري كه تعداد برخوردها و شدت آنها بيشتر و بيشتر ميشود.به نظر شما آيا ديگر مشكلي وجود ندارد؟ خير,مسئله اساسيتري سر راه است.

يك سماور پر از آب را تصور كنيد.وقتي سماور را روشن مي كنيد با اين كار به آب درون سماور گرما ميدهيد(انرژي منتقل مي كنيد).در اثر اين انتقال انرژي دماي آب رفته رفته بالاتر مي رود و به عبارتي جنب و جوش مولكولهاي آب زياد مي شود.در اين حالت بين مولكولهاي آب برخوردهايي پديد مي آيد.هر مولكول كه از شعله(يا المنت يا هر چيز ديگري)مقداري انرژي دريافت كرده است آنقدر جنب و جوش مي كند تا بالاخره (به علت محدود بودن محيط سماور و آب)انرژي خود رابه ديگري بدهد.مولكول بعدي نيز به نوبه خود همين عمل را انجام ميدهد.بدين ترتيب رفته رفته انرژي منبع گرما در تمام آب پخش مي شود و دماي آب بالا ميرود.خوب يك سوال:آيا وقتي بدنه سماور را لمس مي كنيم هيچ گرمايي حس نمي كنيم؟…بله حس ميكنيم.دليلش هم كه روشن است.برخورد مولكولهاي پر انرژي آب با بدنه سماور و انتقال انرژي خود به آن.هدف ما از روشن كردن سماور گرم كردن آب بود نه سماور.اميدوارم تا اينجا پاسخ اولين مشكل اساسي بر سر راه همجوشي را دريافت كرده باشيد.بله اگر اگر با صرف هزينه و زحمت بالا سوخت را به دمايي معادل ميليونها درجه كلوين برسانيم آيا اين اتمها آنقدر صبر خواهند كرد تا با ديگر اتمها وارد واكنش شوند يا در اولين فرصت انرژي بالاي خود را به ديواره داده وآن را نا بود ميكند؟(...شما بوديد چه مي كرديد؟؟؟...).بنابر اين نياز به ((محصور سازي))داريم;يعني بايد به طريقي اجازه ندهيم كه اين گرما به ديواره منتقل شود.

رسيدن به دماي بالا:

شروع واكنش همجوشي به دماي بسيار بالايي نيازمند است.درست است كه دماي پانزده ميليون درجه دماي بسيار بالايست و تصور بوجود آوردنش روي زمين مشكل و كمي هم وحشتناك مي باشد ولي معمولا در زندگي روزمره دور و برمان دماهاي خيلي بالايي وجود دارند و ما از آنها غافليم.مثلا وقتي در اثر اتصالي سيمهاي برق داخل جعبه تقسيم ميسوزد وشما صداي جرقه آنرا ميشنويد و پس از بررسي متوجه مي شويد كه كاملا ذوب شده فقط به خاطر دماي وحشتناكي بوده كه آن تو به وجود آمده.شايد باور نكنيد ولي اين دما به حدود سي-چهل هزار درجه كلوين ميرسد.البته اين دما براي همجوشي حكم طفل ني سواري را دارد.يا اينكه مي توانيم با استفاده از ولتاژهاي بسيار بالا قوسهاي الكتريكي را از درون لوله هاي مويين عبور بدهيم.به اين ترتيب دماي هواي داخل لوله كه اكنون به پلاسما تبديل شده به نزديك چند ميليون درجه مي رسد.(كه باز هم براي همجوشي كم است).يكي از بهترين راهها استفاده از ليزر است.مي دانيد كه ليزرهايي با توانهاي بسيار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعي از ليزر به نام ليزر نوا(NOVA)مي تواند در مدت كوتاهي انرژي اي معادل ده به توان پنج ژول توليد كند.اما بازهم در كنار هر مزيت معايبي هست.مثلا اين ليزر تبعا انرژي زيادي مصرف ميكند كه حتي با صرف نظر از آن مشكل ديگري هست كه ميگويد اگر انرژي توليدي ليزر در آن مدت كوتاه بايد تحويل داده بشود پس براي برقرار ماندن معيار لاوسن (حالا كه مدت زمان محصور سازي پايين آمده)بايد چگالي بالا تر برود.كه در اين مورد از تراكم و چگالي جامد هم بالا تر ميرود.

انواع واكنشها:

براي بهينه سازي كار رآكتورهاي همجوشي و افزايش توان خروجي آنها راههاي متعددي وجود دارد.يكي از اين راهها انتخاب نوع واكنشيست كه قرار است در رآكتور انجام بشود.

ظبق تصوير زير نوعي از واكنش همجوشي بصورتيست كه در آن دو هسته سبك با يكديگر واكنش داده و يك هسته سنگين تر را بوجود مياورند.يعني حاصل تركيب 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 سبكتر مقداري منفيست.

در اين واكنش مقدار انرژي اي توليدي برابر4MeVمي باشد.

قبلا گفته شد كه بايد براي انجام همجوشي هسته ها به اندازه كافي به هم نزديك بشوند.اين مقدار كافي حدودا معادل3fmمي باشد.چون در اين فاصله ها انرژي پتانسيل الكترواسناتيكي دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس مي توانيم با اين مقدار انرژي دادن به يكي از دوترونها دافعه كولني بين دوترونها ر شكسته و واكنش را شروع كنيم 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 دور ديواره بيروني آن ليتيم مايع تحت فشار جريان داشته باشد.اين ليتيم مايع گرماي توليدي اضافي را از واكنش گرفته و به آب منتقل مي كند و با تبديل آن به بخار باعث مي 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 همجوشي واكنش دوتريم . ترتيم است.در اين واكنش ديديد كه يك نوترون پر انرژي توليد مي شد.اين مساله يعني نوترون زايي مي تواند سبب تضعيف بخشهايي از رآكتور شود.از طرفي براي محيط زيست و مخصوصا سلامتي كساني كه در اطراف رآكتور فعاليت مي كنند بسيار مضر است.اما اگر ليتيم را به عنوان خنك كننده داشته باشيم اين جريان ليتيم همچنين نقش مهم كند كنندگي را بازي خواهد كرد.به اين صورت كه با نوترون اضافي توليد شده در واكنش تركيب شده و سوخت گران قيمت و بسيار كمياب رآكتور رو كه همان ترتيم است توليد مي كند.واكنش دقيق آن به شكل زير است.البته در اين مورد بايد ضخامت ليتيم مايع در جريان حداقل يك متر باشد.