زمانی‌که دانشمندان در اوایل قرن بیستم، هسته‌ی اتم را شکافتند، تصور می‌کردند که توانسته‌اند نحوه‌ی شکل‌گیری عالم از ذرات کوچک را بشناسند. آنچه که آنها نمی‌دانستند این بود که به مکانیزمی دست یافته‌اند که می‌تواند در تولید انرژی و همچنین ساخت بمب کاربرد داشته باشد. ارنست رادرفورد، از اولین کسانی بود که آزمایش‌های مربوط به شناخت ساختار اتم را انجام داد. به‌گفته‌ی او، این تصور اشتباه است که می‌توان با تغییر ساختار اتم به انرژی دست پیدا کرد. امروزه ثابت شده است که می‌توان با تغییر ساختار اتم از آن انرژی گرفت؛ بنابراین رادرفورد در اشتباه بود. بمب اتمی ابزاری است که با تغییر دادن هسته‌ی اورانیوم یا پلوتونیوم، منجر به تولید انرژی می‌شود.
راکتور همجوشی هسته ای
در حالت کلی می‌توان به دو روش شکافت و همجوشی، انرژی هسته‌ای تولید کرد. شکافت هسته‌ای (Nuclear Fission) روشی است که منجر به تولید زباله‌های هسته‌ای خواهد شد، در حالی‌که همجوشی هسته‌ای (Nuclear Fusion) روشی پاک‌تر و ایمن‌تر برای تولید انرژی هسته‌ای محسوب می‌شود.
اگر می‌توانستید به درون هسته‌ی خورشید سفر کنید، می دیدید که در آنجا اتم‌های هیدروژن با یکدیگر ترکیب و منجر به تولید هلیوم می‌شوند. بنابراین جوش هسته‌ای، واکنشی است که در آن دو یا چند اتم با یکدیگر ترکیب می‌شوند و عنصر جدیدی را ایجاد می‌کنند. اختلاف میان جرم اتم‌های اولیه و اتم‌های جدید تولیدشده، معادل با انرژی است که می‌تواند تولید یا جذب شود.
تفاوت عمده‌ای میان هسته‌ی خورشید و یک نیروگاه وجود دارد، بنابراین چطور می‌توان انرژی ناشی از جوش هسته‌ای را در زمین ایجاد کرد؟
پژوهش‌ها نشان داده که روش بهتر، استفاده از ایزوتوپ‌های سنگین‌تر هیدروژن است. این ایزوتوپ‌ها به دلیل سنگین‌تر بودن، ناپایدار‌تر هستند و فرایند جوش هسته‌ای را می‌توان با انرژی کم‌تری انجام داد.
اتم معمولی هیدروژن دارای یک پروتون و یک الکترون است و نوترونی در خود ندارد. این در حالی است که ایزوتوپ‌های تریتیوم و دوتریوم به ترتیب دارای دو و یک نوترون هستند. بنابراین می‌توان با ترکیب یک اتم از دوتریوم و یک اتم از تریتیوم، اتمی پایدار از هلیوم ساخت. در واکنش‌های شیمیایی، اگر مجموع جرم فرآورده‌ها سنگین‌تر از واکنش‌‌دهند‌ه‌ها باشد، فرایند، گرماده محسوب می‌شود. در فرایند هجوشی هسته‌های هیدروژن نیز این حالت وجود دارد. بنابراین با توجه به پایدار‌تر بودن اتم‌های هلیوم، فرایند انرژی‌زا یا گرماده است.
انرژی آزادشده در نتیجه‌ی فرایند همجوشی معادل با انرژی ذخیره‌شده در چندین تن سوخت فسیلی محسوب می‌شود. در دهه‌های اخیر تلاش بر این بوده است تا به‌جای نیروگاههای مبتنی بر فرایند شکافت هسته‌ای، از نیروگاه‌هایی استفاده شود که انرژی آنها در نتیجه‌ی فرایند همجوشی هسته‌ای تولید می‌شود. همان‌طور که اشاره شد، مبنای ایجاد فرایند همجوشی هسته‌ای در آزمایشگاه، استفاده از ایزوتوپ‌های هیدروژن است. از نظر تئوری این امر ساده به نظر می‌رسد، اما تاکنون کسی نتوانسته است با استفاده از این فرایند، انرژی در مقیاس صنعتی تولید کند؛ دلیل این امر، مشکل بودن کنترل انرژی تولیدشده است.
برای ایجاد فرایند جوش هسته‌ای، باید دو اتم هیدروژن را به‌اندازه‌ی کافی به یکدیگر نزدیک کرد. هسته‌ی اتم دارای بار خالص مثبت است، در نتیجه دو هسته یکدیگر را دفع می‌کنند و نزدیک کردن آنها به‌یکدیگر کار مشکلی خواهد بود. هرچه دو هسته بیشتر به هم نزدیک شوند، انرژی بیشتری برای نگه داشتن آنها نیاز است. در ستاره‌هایی مثل خورشید، نیرویی که دو اتم را کنار یکدیگر نگه می‌دارد، همان گرانش است.
تاکنون دو روش شناخته شده برای ایجاد فرایند همجوشی هسته‌ای ارائه شده است:
در روش اول که تحت عنوان محصورسازی مغناطیسی (Magnetic Confinement) شناخته می‌شود، اتم‌های دوتریوم و تریتیوم بیش از دمای هسته‌ی خورشید یعنی حدود ۱۰۰ میلیون درجهی سانتیگراد داغ می‌شوند. سپس آنها را با استفاده از میدانی مغناطیسی بسیار قوی در مسیری حلقوی به‌نام چنبره، گیر می‌اندازند. به دستگاهی که این کار را انجام می‌دهد، توکامک (Tokamak) گفته می‌شود. در حال حاضر بزرگ‌ترین توکاماک در آزمایشگاه JET، در جنوب آکسفورد در انگلستان قرار دارد.
روش دوم به نام محصورسازی لختی (Inertial Confinement) شناخته می‌شود که در این روش اتم‌ها درون لایه‌هایی به‌صورت کپسول قرار می‌گیرند. در ابتدا با استفاده از لیزر به لایه‌ی بیرونی حرارت منتقل می‌شود، سپس لایه‌ی حرارت دیده‌شده به سمت بیرون پرتاب و باعث می‌شود که اتم‌های درون آن فشرده شود و فرایند همجوشی رخ دهد. در حقیقت موج ضربه‌ای ایجادشده در درون کپسول باعث فشرده شدن اتم‌ها به یکدیگر و رخ دادن همجوشی می‌شود. نمونه‌ای از محصورسازی لختی در آزمایشگاه ملی برکلی در کالیفرنیا انجام شد. در این روش به‌طور هم‌زمان از ۱۲۹ لیزر برای حرارت‌دهی به کپسول حاوی هیدروژن استفاده شد.
علاقه‌مندی مهندسان و دانشمندان به استفاده از فرایند همجوشی هسته‌ای به‌جای فرایند شکافت هسته‌ای، آینده هیجان‌انگیزی را در حوزه‌ی تأمین انرژی رقم خواهد زد، زیرا بشر در تلاش است تا خورشیدی مصنوعی را در زمین ایجاد کند.
شکافت هسته‌ای هنگامی اتفاق می‌افتد که نوترون با هسته‌ی برخی از اتم‌های سنگین برخورد می‌کند. این فرایند باعث می‌شود که هسته‌ی اصلی به دو یا چند عنصر نامساوی تقسیم شود؛ بیشتر انرژی شکافت به انرژی جنبشی تبدیل می‌گردد. در این فرایند یک اتم سنگین مانند اورانیوم به دو اتم سبک‌تر تبدیل می‌شود. وقتی هسته‌ای با عدد اتمی زیاد شکافته شود، براساس فرمول اینشتین، مقداری از جرم آن به شکل انرژی، آزاد می‌گردد.
همجوشی هسته‌ای فرایند ترکیب دو هسته‌ی سبک‌تر به یک هسته‌ی پایدار و سنگین‌تر است؛ در این حالت مقدار زیادی انرژی نیز آزاد می‌شود. این موضوع به این دلیل است که جرم هسته‌ی تولیدی کمتر از جرم دو هسته‌ای است که باهم ترکیب شده‌اند؛ به این معنا که بخشی از جرم به انرژی تبدیل شده است. انرژی تولیدشده‌ی ناشی از همجوشی بسیار زیاد است به‌نحوی که آن را در قالب پلاسما کنترل می‌کنند. در فرایند همجوشی هسته‌ای، هسته‌های سبک مانند هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم با یکدیگر جوش داده می‌شوند و هسته‌های سنگین‌تر و مقداری انرژی تولید می‌شود.
دوتریوم یا هیدروژن سنگین همان عنصر هیدروژن است که علاوه بر پروتون یک نوترون نیز درون هسته‌ی آن وجود دارد. حال اگر یک نوترون به دوتریوم اضافه کنیم، تریتیوم حاصل می‌شود.
بسیاری اوقات، مردم فکر می‌کنند همجوشی هسته‌ای شبیه به شکافت هسته‌ای است و این دو تفاوت کمی با یکدیگر دارند. شکافت هسته‌ای همان چیزی است که هم‌اکنون در نیروگاههای هسته‌ای مرسوم، از آن استفاده می‌کنیم، ولی همجوشی هسته‌ای پدیده‌ای کاملاً متفاوت است. شکافت هسته‌ای به‌معنی تبدیل اتم‌های بزرگی مثل اورانیوم ۲۳۵ به اتم‌های کوچک‌تر است. این واکنش انرژی زیادی آزاد می‌کند، ولی نقاط ضعف بسیاری هم دارد. اورانیوم عنصری نادر و پایان‌پذیر است. در ضمن نیروگاههای هسته‌ای، گران‌قیمت و خطرناک هستند. فجایعی مثل نیروگاه چرنوبیل و فوکوشیما نیز به ما نشان داده‌اند که نباید به نیروگاههای هسته‌ای اطمینان کنیم.
همجوشی هسته‌ای، واکنشی کاملاً برعکس شکافت هسته‌ای است. به‌جای شکافتن اتم‌های بزرگ به اتم‌های کوچک، اتم‌های کوچک به یکدیگر جوش داده می‌شوند تا اتم‌های بزرگ به‌وجود آیند. این واکنش انرژی خیلی زیادی آزاد می‌کند، چرا که طبق نظریه‌ی نسبیت خاص اینیشتین، قسمتی از ماده‌ی این واکنش به انرژی تبدیل می‌شود.
واقعیت این است که خارج از نیروگاههای همجوشی و در طبیعت، ما هر روز اثر این واکنش را احساس می‌کنیم؛ همجوشی هسته‌ای همان چیزی است که در مرکز خورشید رخ می‌دهد. خورشید یک رآکتور عظیم همجوشی هسته‌ای است که هیدروژن را به عناصر سنگین تبدیل می‌کند و نور و گرمای حاصل از واکنش را برای ما که روی زمین هستیم، ارسال می‌کند. همجوشی هسته‌ای یک منبع انرژی عالی و بی‌نقص است. یک نیروگاه همجوشی می‌تواند به‌اندازه‌ی سه تا چهار برابر نیروگاه شکافت هسته‌ای مشابه، برق تولید کند.
انرژی همجوشی هسته‌ای اصلا آلاینده نیست و ماده‌ی خام خوراک رآکتورهای همجوشی هسته‌ای عناصر وافری چون هیدروژن هستند؛ هیدروژن فراوان‌ترین عنصر جهان ما است. این نیروگاه‌ها تقریباً هیچ پسماند رادیواکتیوی از خود باقی نمی‌گذارند و بنابراین آلایندگی آنها صفر است. پسماند هیدروژن، یکی دیگر از عناصر فراوان دنیا یعنی هلیوم است. اگر در نیروگاههای همجوشی هسته‌ای مشکلی ایجاد شود، انفجار و فاجعه‌های پس از آن به‌وجود نمی‌آید، آنها فقط از کار می‌افتند. دانیل کلری در مقایسه نیروگاههای همجوشی هسته‌ای و نیروگاههای سوخت فسیلی می‌گوید:
“یک نیروگاه یک گیگاواتی زغالی در هر روز به ۱۰ هزار تن زغال‌سنگ احتیاج دارد. در عوض، مقدار لیتیومی که در باتری یک لپ‌تاپ معمولی وجود دارد و مقدار دوتریومی که در ۴۵ لیتر آب موجود است، می‌تواند از طریق فرایند همجوشی آن‌قدر انرژی تولید کند که برای مصرف ۳۰ سال کل بریتانیا کافی باشد.”
طنز تلخ درباره‌ی همجوشی هسته‌ای این است که همیشه گفته‌ایم فناوری استحصال اقتصادی و گسترده‌ی آن، تا ۳۰ سال دیگر محقق می‌شود و دهه‌ها است آن را تکرار می‌کنیم. چیزی که باعث می‌شود رسیدن به فناوری همجوشی مشکل باشد، عدم علاقه‌ی هسته‌ی اتم‌ها به جوش خوردن با یکدیگر است. هسته‌ی اتم هیدروژن دارای یک پروتون است و بنابراین بار الکتریکی مثبت دارد و وقتی می‌خواهید یک هسته‌ی اتم هیدروژن دیگر را به آن جوش بدهید، به‌دلیل اینکه هر دو دارای بار مثبت هستند، در برابر جوش خوردن مقاومت می‌کنند. تنها راه این است که به زور این کار را انجام دهید و آن‌قدر دمای اتم‌ها را بالا ببرید که به پلاسما تبدیل شوند.
اگر پلاسمایی خیلی داغ داشته باشید، بعضی از هسته‌ها چنان محکم به یکدیگر برخورد می‌کنند که به یکدیگر جوش می‌خورند. برای انجام این فرایند، به دما و فشار خیلی زیادی احتیاج است. مشکل این است که ما روی زمین باید شرایط قسمت مرکزی خورشید را بازسازی کنیم؛ خورشیدی که جرمش ۳۳۰ هزار برابر زمین است و دمای مرکز آن به ۱۷ میلیون درجهی سانتیگراد می‌رسد. نکته‌ی بد این‌جا است که چون روی زمین به‌اندازه‌ی خورشید سوخت هیدروژن در اختیار نداریم، باید دما را به ۱۰۰ میلیون درجهی سانتیگراد برسانیم.
درست است که دمای ۱۷ میلیون درجه دمای بسیار بالایی است و تصور به‌وجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک است، ولی معمولاً در زندگی روزمره اطرافمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافل هستیم. مثلا وقتی در اثر اتصالی سیم‌های برق داخل جعبه‌تقسیم می‌سوزد و شما صدای جرقه‌ی آن‌را می‌شنوید و پس از بررسی متوجه می‌شوید که کاملا ذوب شده است فقط به‌دلیل دمای وحشتناکی بوده که آن داخل به‌وجود آمده است. این دما به‌حدود چهل هزار درجهی کلوین می‌رسد؛ البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی‌سواری را دارد.
همچنین می‌توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوس‌های الکتریکی را از درون لوله‌های موئین عبور بدهیم. به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده است حدود چند میلیون درجه می‌رسد (که باز هم برای همجوشی کم است).
یکی از بهترین راه‌ها استفاده از لیزر است و می‌دانید که لیزرهایی با توان های بسیار بالا ساخته شده‌اند، مثلاً نوعی از لیزر به نام لیزر نوا (NOVA) می‌تواند در مدت کوتاهی انرژی معادل ۱۰ به توان ۵ ژول تولید کند.
مشکل دوم این است که ماده در شکل پلاسما رفتارهای عجیبی از خود نشان می‌دهد؛ پلاسما شکل چهارم ماده است و نه مایع است، نه جامد و نه گاز. وقتی پلاسما را در دما و فشار خیلی زیاد قرار می‌دهید، به‌شدت ناپایدار می‌شود. برای کنترل شرایط ناپایدار آن نیز از تجهیزات معمولی نمی‌توان استفاده کرد چرا که در دمای ۱۰۰ میلیون درجه، هر ماده‌ی جامدی را نه مذاب، بلکه بخار می‌کند. به نوعی ما باید روی زمین یک ستاره بسازیم و آن‌قدر این کار چالش‌برانگیز است که بشر برای رسیدن به آن، باید پیچیده‌‌ترین و بزرگ‌ترین فناوری‌های تاریخ را درست کند.
چشم‌انداز همجوشی هسته‌ای
قرار است در آینده نیروگاهی آزمایشی به نام “DEMO” ساخته شود. بیشتر کارشناسان می‌گویند که این نیروگاه نوعی توکامک خواهد بود. اما اکنون با موفقیت وندلشتاین ۷-X بعضی‌ها فکر می‌کنند که شاید این نیروگاه نوعی استلراتور باشد. هلیون انرژی که یکی دیگر از استارتاپ‌ها در این زمینه است، تاکنون چهار نسل از رآکتورهای آزمایشی خود را ساخته است. روش آنها تا حدی شبیه به تری‌آلفا است و دو حلقه‌ی پلاسما را در یک محفظه‌ی مرکزی به یکدیگر برخورد می‌دهند؛ با این حال آنها این کار را در بازه‌های زمانی خیلی کوتاه و متناوب انجام می‌دهند و توده‌ی پلاسما را به مدت زمان زیاد حفظ نمی‌کنند.
هلیون انرژی بر ساخت رآکتوری کوچک به‌اندازه‌ی یک کامیون تمرکز می‌کند و می‌خواهد خیلی سریع آن را درست کند. آن‌طور که در وب‌سایت این شرکت آمده است، اصلاً بعید نیست هلیون انرژی بتواند تا ۶ سال آینده یک رآکتور کاملا اقتصادی بسازد. جالب این‌جا است که شرکت هلیون انرژی به گزارشگر تایم گفته بود که سر پرسنل‌اش بسیار شلوغ است و نمی‌توانند در نوشتن این گزارش همکاری کنند.
به‌طور کلی شرکت‌های خصوصی زیادی در زمینه‌ی همجوشی فعالیت می‌کنند. از آن جمله می‌توان به اینداستریال هیت (Industrial Heat) و توکامک انرژی (Tokamak Energy) اشاره کرد. قسمتی از شرکت لاکهید مارتین (Lockheed Martin) که در اصل یک شرکت سازنده‌ی هواپیماهای نظامی است، رآکتوری به‌نام رآکتور همجوشی فشرده می‌سازد؛ رآکتوری که می‌تواند در قسمت بار یک کامیون جا شود. آنها ادعا کرده‌اند که تا امسال یک نمونه‌ی آزمایشی از آن را می‌سازند.
طبق گفته‌ی یکی از دانشمندان ارشد حاضر در پروژه‌ی تولید انرژی همجوشی هسته‌ای، چین قصد دارد تولید انرژی از رآکتور آزمایشی همجوشی هسته‌ای را تا سال ۲۰۴۰ کامل کند. چین برای راه‌اندازی مجدد برنامه‌ی تعلیقی رآکتور هسته‌ای بومی خود در‌حال‌آمادگی است اما در یکی از آزمایشگاه‌های ایالتی در استان آن‌هویی، دانشمندان چینی به‌دنبال چیزی فراتر از شکافتن اتم‌ها و همجوشی هسته‌ای و تولید انرژی هستند.
چندین سال قبل، در نقطه‌‌ی کوچکی از چین و تنها برای چند لحظه، میزان حرارت به‌‌اندازه‌‌ای رسید که حتی حرارت خورشید نیز دیگر در برابر آن به چشم نمی‌‌آمد.
دانشمندان سال گذشته اعلام کردند که راکتور تحقیقاتی پیشرفته‌‌ی ابررسانایی توکامک (EAST) در شهر هفئی چین، به دمای نهایی بیش از ۱۰۰ میلیون درجهی سلسیوس دست یافته و با ثبت یک رکورد جدید در فناوری همجوشی، ما را یک گام دیگر به عصر نوین انرژی نزدیک‌تر کرده است. مهار این مقدار عظیم از انرژی آزادشده از همجوشی اتم‌ها، اصلاً کار آسانی نیست. برای پرتاب این ذرات با نیروی کافی، شما باید ذرات را تحت فشاری غیرقابل‌‌تصور قرار دهید یا آنها را با شدت بسیار به یکدیگر بکوبید. در حال حاضر، مؤسسه‌‌ی علوم فیزیکی هفئی در آکادمی علوم چین نشان داده است که دستیابی به چنین برخوردی امکان‌‌پذیر است.
همچنین گروهی از پژوهشگران یک فرایند زیر اتمی جدید را کشف کرده‌اند که میزان انرژی آزادشده آن هشت برابر همجوشی هسته‌ای است. منبع این انرژی از گداخت ذرات زیراتمی به‌نام کوارک سرچشمه می‌گیرد. کوارک‌ها ذرات اصلی سازنده‌ی پروتون و نوترون هستند و به ۶ گروه مختلف تقسیم می‌شوند. دانشمندان این گروه‌ها را «طعم» نیز می‌نامند که عبارت‌اند از: بالا، پایین، عجیب، افسون، فوقانی و زیرین. این تیم پژوهشی اتم‌ها را در برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ با سرعت بالا به سمت هم گسیل کرده‌اند تا کوارک‌های آنها از یکدیگر جدا شود. کوارک‌ها پس از جدا شدن دوباره تمایل به تشکیل پیوندهای جدید دارند که منجر به ایجاد ذراتی به نام «باریون» می‌شود.
پژوهشگران سپس با تمرکز روی کوارک زیرین که سنگین‌تر از دیگر طعم‌ها است، دریافتند که باریون‌های حاصل‌شده توانایی تولید ۱۳۸ مگاالکترون ولت انرژی خالص را دارند که هشت برابر انرژی تولیدشده در همجوشی هسته‌ای است. انرژی این فرایند به‌حدی زیاد است که ممکن است مورد سوء استفاده قرار گیرد، به‌همین دلیل پژوهشگران در ابتدا نسبت به رسانه‌ای کردن آن تردید داشته‌اند. با این حال آنها تأکید کرده‌اند که با طراحی و توسعه‌ی ابزارهای لازم می‌توان از این روش برای تولید انرژی پاک و نامحدود بهره برد؛ انرژی‌ای که برای همیشه وجود خواهد داشت.
منبع: با خلاصه از مطلب منتشر شده در وب سایت زومیت
نویسنده مطلب: جمشید اللهویردی پور
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.