گداخت هستهای: نیروگاه خورشید در دستان بشر
انرژی اتمی: شکافت در برابر گداخت
دو راه اصلی برای آزادسازی انرژی نهفته در هسته اتمها وجود دارد: شکافت هستهای3 و گداخت هستهای1. در نیروگاههای اتمی امروزی از شکافت استفاده میشود. در این روش، هستههای سنگین و ناپایدار (مانند اورانیم-235) شکسته شده و به هستههای سبکتر تبدیل میشوند و انرژی آزاد میکنند. اما گداخت دقیقاً برعکس این فرآیند است.
ریز و درشت یک واکنش گداخت: از اتم تا ستاره
همه چیز از اتم شروع میشود. هسته اتم از ذراتی به نام پروتون(p+) و نوترون(n) تشکیل شده است. پروتونها بار مثبت دارند و یکدیگر را دفع میکنند. برای اینکه دو هسته بتوانند به قدری به هم نزدیک شوند که نیروی هستهای قوی (که مانند چسب عمل میکند) بر دافعه الکتریکی غلبه کند، به سرعت و دمای بسیار بالایی نیاز است.
سادهترین و پرکاربردترین واکنش گداخت برای هدف انرژیزایی روی زمین، همجوشی دو ایزوتوپ4 از هیدروژن به نامهای دوتریوم(D) و تریتیوم(T) است. دوتریوم را میتوان به راحتی از آب دریا استخراج کرد و تریتیوم را نیز میتوان درون راکتور از لیتیوم تولید نمود.
$ ^2_1D + ^3_1T \rightarrow ^4_2He (3.5 MeV) + ^1_0n (14.1 MeV) $
در این معادله، هسته دوتریوم و تریتیوم با هم ترکیب شده و یک هسته هلیوم(ذره آلفا) و یک نوترون پرانرژی تولید میکنند. اعداد کنار نمادها، انرژی جنبشی (بر حسب مگاالکترونولت5) هر ذره را نشان میدهند.
| ویژگی | شکافت هستهای (راکتورهای فعلی) | گداخت هستهای (راکتورهای آینده) |
|---|---|---|
| فرآیند اصلی | شکستن هستههای سنگین | جوش خوردن هستههای سبک |
| سوخت اولیه | اورانیم یا پلوتونیم (کمیاب و نیازمند غنیسازی) | دوتریوم و لیتیوم (فراوان در آب دریا و پوسته زمین) |
| پسماند | زبالههای رادیواکتیو با نیمهعمر طولانی و خطرناک | هلیوم غیررادیواکتیو و راکتور کمفعال (پسماند کمخطر) |
| ایمنی ذاتی | خطر ذوب شدن هسته در صورت خنکسازی نامناسب | واکنش به شدت وابسته به شرایط است و در صورت اختلال به سرعت متوقف میشود |
| منبع الهام | بمب اتمی | خورشید و ستارگان |
آزمایشگاه ستارهسازی: چگونه گداخت را روی زمین کنترل میکنیم؟
برای شبیهسازی شرایط درون خورشید روی زمین، دانشمندان باید پلاسمای6 با دمای بسیار بالا (صدها میلیون درجه سانتیگراد) را ایجاد و به دام بیندازند. دو روش اصلی برای این کار وجود دارد:
۱. محصورسازی مغناطیسی (توکامک7): رایجترین روش است. در این روش از آهنرباهای ابررسانا8 بسیار قوی برای ایجاد یک "قفس مغناطیسی" استفاده میشود تا پلاسمای داغ بدون تماس با دیوارههای راکتور در مرکز آن شناور بماند. پروژه بینالمللی ITER که در فرانسه در دست ساخت است، بزرگترین توکامک جهان خواهد بود.
۲. محصورسازی لختی9: در این روش، هدفهای بسیار کوچک حاوی سوخت (دوتریوم-تریتیوم) را با پرتوهای لیزر یا پرتوهای ذرات بسیار پرانرژی از همه طرف بمباران میکنند. این بمباران ناگهانی باعث فشرده شدن و گرم شدن سریع سوخت شده و برای کسری از ثانیه شرایط گداخت فراهم میشود.
| پارامتر | شرایط ایدهآل برای گداخت | توضیح |
|---|---|---|
| دما | > 150,000,000 °C | برای غلبه بر دافعه الکتریکی بین هستهها |
| چگالی پلاسما | به اندازه کافی بالا | برای افزایش احتمال برخورد هستهها به یکدیگر |
| زمان محصورسازی | به اندازه کافی طولانی | برای حفظ پلاسما در شرایط گداخت و تولید انرژی خالص |
از آزمایش تا نیروگاه: کاربردهای آینده گداخت کنترلشده
دستیابی به گداخت پایدار و تولید انرژی خالص از آن، یکی از بزرگترین چالشهای علمی-مهندسی بشر است. اما موفقیت در این راه، تحولی عظیم به همراه خواهد داشت:
تولید برق پاک و پایدار: راکتورهای گداخت میتوانند با مصرف مقدار کمی سوخت فراوان، مقدار بسیار زیادی برق تولید کنند بدون آنکه گازهای گلخانهای منتشر کنند یا زبالههای رادیواکتیو بلندمدت ایجاد نمایند.
تأمین سوخت برای فضاپیماهای آینده: راکتورهای گداخت کوچک و کارآمد میتوانند انرژی مورد نیاز سفرهای طولانی مدت فضایی به مریخ و فراتر از آن را تأمین کنند.
تولید مواد: نوترونهای پرانرژی تولید شده در واکنش گداخت را میتوان برای تبدیل عناصر یا تولید ایزوتوپهای پزشکی خاص مورد استفاده قرار داد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله، اما با یک تفاوت بزرگ. در بمب هیدروژنی، واکنش گداخت به صورت غیرکنترلشده و در کسری از ثانیه با انفجار یک بمب شکافت کوچک به عنوان چاشنی آغاز میشود و انرژی ویرانگر آزاد میکند. هدف راکتورهای گداخت، کنترل و مهار این واکنش به صورت آرام و پیوسته برای تولید انرژی مفید است.
پاسخ: ایجاد و حفظ شرایط لازم برای گداخت (دمای صدها میلیون درجه و فشار بالا) روی زمین، بسیار دشوار است. چالشهای اصلی فنی، ساخت موادی که بتوانند در برابر نوترونهای پرانرژی مقاومت کنند، نگهداری پلاسمای پایدار برای مدت طولانی، و در نهایت دستیابی به "سود انرژی" (خروجی انرژی بیشتر از ورودی) است. پروژه ITER گام بزرگی برای اثبات امکان تولید انرژی خالص از گداخت است.
پاسخ: خیر. یکی از مزایای بزرگ ایمنی ذاتی گداخت این است که واکنش تنها در شرایط بسیار دقیق و کنترلشده میتواند ادامه یابد. اگر اختلالی در سیستم خنککنندگی، میدان مغناطیسی یا تزریق سوخت پیش بیاید، پلاسما به سرعت سرد شده و واکنش خودبهخود متوقف میشود. هیچ زنجیره واکنشی کنترلناپذیری مانند راکتورهای شکافت در آن رخ نمیدهد.
پاورقی
1 گداخت هستهای (Nuclear Fusion)
2 همجوشی هستهای (معادل فارسی Fusion)
3 شکافت هستهای (Nuclear Fission)
4 ایزوتوپ (Isotope): اتمهای یک عنصر با تعداد نوترون متفاوت.
5 مگاالکترونولت (MeV): واحد اندازهگیری انرژی ذرات زیراتمی.
6 پلاسما (Plasma): حالت چهارم ماده، گازی بسیار داغ و یونیزه شده.
7 توکامک (Tokamak): وسیلهای با محصورسازی مغناطیسی به شکل حلقه.
8 ابررسانا (Superconductor): موادی که در دمای بسیار پایین مقاومت الکتریکی صفر دارند.
9 محصورسازی لختی (Inertial Confinement).
