گداخت هستهای: قدرت ستارگان در کف دست بشر
از کجا شروع شد: گداخت در قلب خورشید
همه ما گرمای خورشید را احساس کردهایم. این گرما و نور از کجا میآید؟ پاسخ در مرکز داغ و پر فشار خورشید نهفته است، جایی که یک نیروگاه عظیم طبیعی به نام «گداخت هستهای» بیوقفه در حال کار است. در آنجا، هستههای اتم هیدروژن با هم ترکیب میشوند و هسته هلیوم را میسازند. در این تبدیل، بخش کوچکی از جرم اولیه ناپدید میشود و طبق معادله معروف اینشتین، $E=mc^2$، به مقدار عظیمی انرژی تبدیل میگردد. خورشید در هر ثانیه حدود 600 میلیون تن هیدروژن را به هلیوم تبدیل میکند! این فرآیند برای میلیاردها سال ادامه داشته و خواهد داشت.
گداخت در مقابل شکافت: دو روی سکه انرژی هستهای
برای درک بهتر گداخت، مقایسه آن با شکافت هستهای2 مفید است. شکافت فرآیندی است که در نیروگاههای هستهای کنونی از آن استفاده میشود. در شکافت، یک هسته سنگین مانند اورانیوم به دو هسته سبکتر تقسیم میشود و انرژی آزاد میکند. اما گداخت برعکس عمل میکند: دو هسته سبک به یک هسته سنگینتر تبدیل میشوند.
| ویژگی | شکافت هستهای (Fission) | گداخت هستهای (Fusion) |
|---|---|---|
| فرآیند | شکستن هسته سنگین به دو هسته سبکتر | چسبیدن دو هسته سبک و تشکیل هسته سنگینتر |
| سوخت اولیه | اورانیوم-235 یا پلوتونیوم | ایزوتوپهای هیدروژن (دوتریوم3 و تریتیوم4) |
| بهره انرژی | زیاد | بسیار بیشتر (حدود 4 برابر شکافت برای هر هسته) |
| پسماند | زبالههای رادیواکتیو با عمر طولانی | هلیوم غیر رادیواکتیو (بیخطر)؛ تریتیوم رادیواکتیو ولی با نیمهعمر کوتاه |
| ایمنی ذاتی | نیازمند کنترل دقیق زنجیرهای واکنش | واکنش بسیار دشوار برای آغاز و تداوم؛ در صورت بروز مشکل به سرعت متوقف میشود |
چالش اصلی: غلبه بر دافعه الکتریکی
هستههای اتم بار مثبت دارند و طبق قانون فیزیک، بارهای همنام یکدیگر را دفع میکنند. برای اینکه دو هسته به اندازه کافی به هم نزدیک شوند تا نیروی هستهای قوی5 (که چسب هستههاست) بر دافعه الکتریکی غلبه کند، باید با سرعت بسیار بالایی به سمت هم پرتاب شوند. این سرعت بالا، معادل دماهای فوقالعاده زیاد – در حد دهها یا صدها میلیون درجه سلسیوس – است. در این دما، الکترونها از هسته جدا میشوند و ماده به حالت چهارمی به نام پلاسما6 درمیآید. بنابراین، چالش مهندسی اصلی، ایجاد و نگهداری پلاسمایی با دمای کافی برای مدت زمان کافی است.
سوخت ایدهآل: دوتریوم و تریتیوم از کجا میآیند؟
آسانترین واکنش گداخت برای دستیابی روی زمین، ترکیب دو ایزوتوپ7 هیدروژن است: دوتریوم ($D$) و تریتیوم ($T$). دوتریوم یک اتم هیدروژن سنگین است که در هسته خود یک نوترون اضافه دارد. این ماده به طور طبیعی در آب دریا یافت میشود. از هر 6,500 اتم هیدروژن در آب اقیانوسها، حدود یک اتم دوتریوم است. با استخراج دوتریوم از یک لیتر آب معمولی، میتوان انرژی معادل سوختن حدود 300 لیتر بنزین تولید کرد! تریتیوم نیز ایزوتوپ دیگری از هیدروژن با دو نوترون است که به طور طبیعی نادر است، اما میتوان آن را در راکتور از لیتیوم تولید کرد.
واکنش اصلی به این شکل است: $D + T \rightarrow He^4 + n + Energy$. در این واکنش، هسته هلیوم-4 و یک نوترون پر انرژی به همراه مقدار زیادی انرژی آزاد میشود.
تلاش برای مهار آتش ستارگان: راکتورهای گداخت
دانشمندان چگونه میخواهند ستارهای را در یک دستگاه زمینی جای دهند؟ دو روش اصلی برای محصور کردن پلاسمای داغ وجود دارد: محصورسازی مغناطیسی8 و محصورسازی لختی9.
در روش محصورسازی مغناطیسی، از آهنرباهای ابررسانا10 فوقالعاده قوی برای ایجاد یک «قفس مغناطیسی» استفاده میشود تا پلاسمای داغ را بدون تماس با دیوارههای راکتور در هوا معلق نگه دارد. شناختهشدهترین دستگاه این نوع، توکامک11 است که شبیه یک دونات بزرگ است. پروژه بینالمللی عظیم ایتر12 در فرانسه، بزرگترین توکامک جهان است که هدف آن نشان دادن امکان تولید انرژی خالص از گداخت است.
در روش محصورسازی لختی، هدفهای کوچک حاوی سوخت دوتریوم-تریتیوم با پرتوهای لیزر یا پرتوهای ذرات بسیار قدرتمند، به طور همزمان و متقارن بمباران میشوند. این حمله ناگهانی باعث فشردهسازی و گرمایش فوقسریع سوخت میشود تا شرایط گداخت برای لحظهای کوتاه فراهم شود. این روش شبیه به روشن کردن موتور یک خودرو به صورت انفجاری در هر سیلندر است.
| مشخصه | محصورسازی مغناطیسی (توکامک) | محصورسازی لختی |
|---|---|---|
| نحوه کار | استفاده از میدان مغناطیسی قوی برای معلق کردن پلاسما | بمباران هدف ریز با لیزر/ذرات برای فشردهسازی سریع |
| مدت زمان واکنش | تلاش برای واکنش پیوسته و بلندمدت | واکنشهای کوتاه و منفرد (مانند انفجارهای کوچک) |
| مثال پروژه | پروژه بینالمللی ITER | تاسیسات NIF در آمریکا |
| چالش بزرگ | پایداری پیوسته پلاسما در دما و فشار بالا | دقت فوقالعاده در همگنی و فشردهسازی هدف |
کاربردهای آینده: فراتر از تولید برق
هدف واضح گداخت، ساخت نیروگاههایی است که برق پاک تولید کنند. اما کاربردهای دیگری نیز متصور است. برای مثال، سفینههای فضایی آینده ممکن است با موتورهای گداختی پیشرانش بسیار قویتری داشته باشند و سفر به سیارات دیگر را تسهیل کنند. همچنین، از نوترونهای پرانرژی تولیدشده در واکنش گداخت میتوان برای «سوزاندن» زبالههای هستهای خطرناک حاصل از شکافت استفاده کرد و آنها را به مواد با عمر کوتاهتر یا بیخطر تبدیل نمود. حتی میتوان از این نوترونها برای تولید مصنوعی عناصر خاص مورد نیاز در صنعت و پزشکی بهره برد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله، اما با یک تفاوت اساسی. بمب هیدروژنی (بمب گرما-هستهای) از یک واکنش شکافت برای ایجاد شرایط دما و فشار لازم برای شروع گداخت استفاده میکند. این واکنش گداخت به صورت غیرقابل کنترل و در کسری از ثانیه رخ میدهد و انرژی عظیمی را در یک انفجار آزاد میکند. اما هدف تحقیقات کنونی، دستیابی به گداخت کنترلشده و آرام است تا انرژی آن به تدریج و به صورت مفید استخراج شود.
پاسخ: ایجاد و نگهداری شرایط لازم برای گداخت (دمای صدها میلیون درجه، فشار کافی و پایداری پلاسما) یک چالش فنی و مهندسی بسیار پیچیده است. مواد باید بتوانند در برابر نوترونهای پرانرژی مقاومت کنند، میدانهای مغناطیسی فوققوی باید پایدار بمانند و در نهایت، کل فرآیند باید انرژی بیشتری نسبت به انرژی صرفشده برای راهاندازی آن تولید کند (به این «سود خالص انرژی» میگویند). پیشرفت کند اما پیوسته است و پروژههایی مانند ITER گام بزرگی برای رسیدن به این هدف هستند.
پاسخ: در مقایسه با سوختهای فسیلی و حتی شکافت هستهای، گداخت مزایای ایمنی و زیستمحیطی چشمگیری دارد. پسماند رادیواکتیو طولانیمدت تولید نمیکند، خطر ذوب شدن هسته13 مانند راکتورهای شکافت وجود ندارد و گاز گلخانهای منتشر نمینماید. سوخت اصلی آن (دوتریوم) تقریباً نامحدود است. البته هنوز چالشهایی مانند مدیریت مواد رادیواکتیو کوتاهعمر درون راکتور وجود دارد، اما به طور کلی، گداخت یکی از امیدوارکنندهترین گزینهها برای انرژی پایدار آینده به شمار میرود.
پاورقی
1 گداخت هستهای (Nuclear Fusion) – همجوشی هستهای نیز نامیده میشود.
2 شکافت هستهای (Nuclear Fission).
3 دوتریوم (Deuterium) – ایزوتوپ هیدروژن با یک پروتون و یک نوترون. نماد: $D$ یا $^2H$.
4 تریتیوم (Tritium) – ایزوتوپ هیدروژن با یک پروتون و دو نوترون. رادیواکتیو است. نماد: $T$ یا $^3H$.
5 نیروی هستهای قوی (Strong Nuclear Force).
6 پلاسما (Plasma) – حالت چهارم ماده که در آن اتمها یونیزه شدهاند.
7 ایزوتوپ (Isotope) – اتمهای یک عنصر با تعداد پروتون یکسان ولی تعداد نوترون متفاوت.
8 محصورسازی مغناطیسی (Magnetic Confinement).
9 محصورسازی لختی (Inertial Confinement).
10 ابررسانا (Superconductor) – مادهای که در دمای پایین مقاومت الکتریکی آن صفر میشود.
11 توکامک (Tokamak) – وسیلهای حلقهای شکل برای محصورسازی مغناطیسی پلاسما.
12ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) – راکتور آزمایشی بینالمللی گرما-هستهای.
13 ذوب شدن هسته (Core Meltdown) – حادثهای در راکتورهای شکافت.
