الکتروتکنیک-برق صنعتی

همجوشی هسته ای

از دیرباز آرزوی بشر دستیابی به منبعی از انرژی بوده که علاوه بر آنکه بتواند مدت مدیدی از آن استفاده کند تولید پسماندهای خطرناک نیز در پی نداشته باشد.اکنون در هزاره سوم میلادی این آرزوی به ظاهر دست نیافتنی کم کم به واقعیت می پیوندد.اکنون بشر خود را آماده می کند تا با ساخت اولین رآکتور گرما هسته ای (همجوشی هسته ای)آرزوی نیاکان خود را تحقق بخشد.سوختی پاک و ارزان به نام هیدروژن,انرژی تولیدی سرشار و پسماندی بسیار پاک به نام هلیوم.

اکنون می پردازیم به واکنشهای گرما هسته ای راهکارهای استفاده از آن.

خورشید و ستارگان:

سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می کند کشف کرده اند. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم.اما مشکلی سر راه این نظریه است.

بالا ترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان6 می باشد. در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می رسد.به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی وتولید یک اتم هلیم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می شود.بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه می دارد.منظور از چرخه کربن آن چرخه ای نیست که روی زمین اتفاق می افتد.بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم کربنC12ترکیب می شود(همجوشی) و یک اتم نیتروژن 13 به همراه یک واحد پرتو گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتم کربن 13 به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو تبدیل می شود.بعد اینC13دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می شود وN14و یک واحد گاما حاصل می شود.دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتمO15و یک واحد گاما تولید می شود و اکسیژن15واپاشی کرده و N15به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو را بوجود می آورد.و دست آخر با ترکیب N15با یک هیدروژن معمولیC12به علاوه یک اتم هلیوم بدست می آید.

دیدید که در این چرخه C12نه مصرف شد و نه به وجود آمد بلکه فقط نقش کاتالیزگر را داشت.این واکنشها به ترتیب و پشت سر هم انجام می شوند. و واکنش اصلی همان تبدیل چهار اتم هیدروژن به یک اتم هلیوم است. مزیت چرخه کربن این است که سرعت کار را خیلی بالا می برد. ولی اشکالی که دارد این است که در دمای حد اقل20 ضرب در ده به توان6 شروع می شود.بنا بر این احتمال زیادی می رود که در ستاره های بزرگتر چرخه کربن باعث تولید انرژی می شود.

محصور سازی

یک تعریف ساده و پایه ای از همجوشی عبارت است از فرو رفتن هسته های چند اتم سبکتر و تشکیل یک هسته سنگینتر. مثلا واکنش کلی همجوشی که در خورشید رخ می دهد عبارت است از برخورد هسته های چهاراتم هیدروژن وتبدیل آنها به یک اتم هلیوم .

تا اینجا ساده به نظر میرسد ولی مشکلی اساسی سر راه است;می دانید هسته از ذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون و نوترون جزءلاینفک آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون با بار مثبت که سایربارهای مثبت رابه شدت ازخود می راند. مشکل مشخص شد؟ بله…اگر پروتون ها(هسته های هیدروژن)یکدیگررادفع می کنندچگونه می توان آنهارادرهمجوشی شرکت داد؟

همانطورکه حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتون ها آن قدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنهابیشتراز نیروی دافعه کولنی آنهاشود و پروتون ها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند.حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟گرما راه حل خوبیست.در اثر افزایش دما جنب و جوش وبه عبارت دیگرانرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر می شود به طوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر می شود.به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر,مسئله اساسیتری سر راه است.

یک سماور پر از آب را تصور کنید.وقتی سماور را روشن می کنید با این کار به آب درون سماور گرما می دهید(انرژی منتقل می کنید).در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می رود و به عبارتی جنب و جوش مولکول های آب زیاد می شود.در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید می آید.هر مولکول که از شعله(یا المنت یا هر چیز دیگری)مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش می کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب)انرژی خود رابه دیگری بدهد.مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد. بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می شود و دمای آب بالا می رود. خوب یک سوال: آیا وقتی بدنه سماور را لمس می کنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟…بله حس می کنیم.دلیلش هم که روشن است.برخورد مولکول های پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن.هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور. امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید.بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیون ها درجه کلوین برسانیم آیا این اتم ها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده وآن را نابود می کند؟(...شما بودید چه می کردید؟؟؟...). بنابر این نیاز به محصور سازی داریم;یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود.

رسیدن به دمای بالا:

 شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایست و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می باشد ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم.مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم می سوزد وشما صدای جرقه آنرا می شنوید و پس از بررسی متوجه می شوید که کاملا ذوب شده فقط به خاطر دمای وحشتناکی بوده که آن تو به وجود آمده. شاید باور نکنید ولی این دما به حدود سی-چهل هزار درجه کلوین می رسد. البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد. یا اینکه می توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله های موئین عبور بدهیم.به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می رسد.(که باز هم برای همجوشی کم است).یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است. می دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعی از (لیزر)) به نام لیزر نوا(NOVA)می تواند در مدت کوتاهی انرژی ای معادل ده به توان پنج ژول تولید کند. اما بازهم در کنار هر مزیت معایبی هست.مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف می کند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که می گوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده)باید چگالی بالاتر برود.که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالاتر می رود.

انواع واکنشها:

برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشی است که قرار است در رآکتور انجام بشود.

واکنش زیر نوعی از واکنش همجوشی بصورتی است که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین تر را بوجود میاورند. یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولی است.این واکنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبکتر مقداری منفیست.

در این واکنش مقدار انرژی ای تولیدی برابرMeV4می باشد.

قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند. این مقدار کافی حدودا معادل 3fm می باشد. چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الکتروستاتیکی دو دوترون در حدود MeV0.5 هست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها ر شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدارMeV4.5تولید می شود.         ( MeV0.5 انرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده(

همانطور که می بینید بهترین گزینه واکنش سوم می باشد

می توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می کند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود که توربین و ژنراتور به حرکت درآیند و برق تولید بشود.

اما چرا لیتیم؟

قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در راکتور همجوشی واکنش دوتریم . ترتیم است.در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می شد.این مساله یعنی نوترون زایی می تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود.از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می کنند بسیار مضر است.اما اگر لیتیم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد.به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان ترتیم است تولید می کند.واکنش دقیق آن به شکل زیر است.البته در این مورد باید ضخامت لیتیم مایع در جریان حداقل یک متر باشد