واکنش دوتریم ـ تریتیم: ستارهای در مشت ما
انرژی از کجا میآید؟ از شکستن یا چسباندن!
برای فهم همجوشی، اول باید دو راه اصلی تولید انرژی هستهای را مقایسه کنیم. همه مواد از اتمها ساخته شدهاند و در مرکز هر اتم، هستهای متراکم وجود دارد.
| ویژگی | شکافت هستهای5 | همجوشی هستهای1 |
|---|---|---|
| تعریف | شکستن یک هسته سنگین (مانند اورانیوم) به دو هسته سبکتر | چسباندن دو هسته سبک (مانند هیدروژن) برای تشکیل هستهای سنگینتر |
| منبع شناختهشده | رآکتورهای هستهای فعلی و بمب اتمی | خورشید و ستارگان، بمب هیدروژنی |
| پسماند | زبالههای رادیواکتیو با نیمهعمر طولانی | هیچ پسماند رادیواکتیو خطرناک بلندمدتی ندارد. محصول اصلی هلیوم است. |
| چگالی انرژی | بسیار بالا | به مراتب بالاتر! یک گرم سوخت همجوشی معادل انرژی 8 تن نفت است. |
همانطور که در جدول میبینید، همجوشی برتریهای زیادی دارد. اما یک سؤال پیش میآید: اگر همجوشی اینقدر خوب است، چرا هنوز از آن نیروگاه نداریم؟ پاسخ در «شرایط بسیار دشوار مورد نیاز برای شروع واکنش» نهفته است.
دو قهرمان داستان: دوتریم و تریتیم
همهچیز از هیدروژن، سادهترین عنصر جهان شروع میشود. هسته هیدروژن معمولی فقط یک پروتون دارد. اما این عنصر دو همزاد سنگینتر دارد:
دوتریم ($^2_1H$ یا $D$): یک پروتون + یک نوترون. به آن «هیدروژن سنگین» هم میگویند. دوتریم پایدار است و به فراوانی در آب اقیانوسها یافت میشود. از هر 6500 مولکول آب، یکی «آب سنگین» (حاوی دوتریم) است.
تریتیم ($^3_1H$ یا $T$): یک پروتون + دو نوترون. تریتیم رادیواکتیو است و نیمهعمر آن حدود 12.3 سال است. به مقدار بسیار کمی در طبیعت وجود دارد و معمولاً باید در رآکتورهای شکافت تولید شود.
معادلهٔ جادویی: D + T → He + n + Energy
در واکنش همجوشی دوتریم-تریتیم، این دو هسته با هم برخورد کرده و به یک هسته هلیوم4 و یک نوترون پرانرژی تبدیل میشوند. این واکنش را میتوان به صورت زیر نوشت:
$^2_1H + ^3_1H \rightarrow ^4_2He + ^1_0n + Energy$
یا به شکل سادهتر: $D + T \rightarrow He + n + Energy$
انرژی آزاد شده در این واکنش فوقالعاده زیاد است. این انرژی به صورت انرژی جنبشی (حرکتی) به محصولات (هلیوم و نوترون) داده میشود. عدد مهم این است که در هر واکنش، حدود 17.6 میلیون الکترونولت (واحد اندازهگیری انرژی در دنیای اتمی) انرژی آزاد میشود. این مقدار برای یک جفت اتم، بسیار عظیم است!
چگونه آتش همجوشی را روشن نگه داریم؟ شرط سهگانه
برای آنکه این واکنش بهطور مستمر و کنترلشده رخ دهد (مثل یک نیروگاه)، باید سه شرط اصلی به طور همزمان برقرار باشد:
| شرط | مقدار هدف (تقریبی) | توضیح به زبان ساده |
|---|---|---|
| دما | 150,000,000 درجه سانتیگراد | در این دما، الکترونها از هسته جدا شده و گاز به حالت چهارم ماده، یعنی پلاسما7 تبدیل میشود. ذرات آنقدر سریع حرکت میکنند که بر دافعه بین پروتونها غلبه کنند. |
| چگالی | چند برابر فشار اتمسفر | ذرات پلاسما باید به اندازهای به هم نزدیک باشند که احتمال برخورد و واکنش بین آنها بالا برود. |
| زمان محصورسازی | 1-5 ثانیه | پلاسمای داغ باید برای مدت کافی در کنار هم نگه داشته شود تا واکنشها فرصت رخ دادن و تولید انرژی بیشتر از انرژی مصرفی برای گرم کردن را داشته باشند. |
به مجموع این سه شرط، معیار احتراق8 میگویند. رسیدن به این شرایط بزرگترین چالش فنی بشر برای ساخت نیروگاه همجوشی است.
آزمایشگاه ستارهسازی: رآکتور توکامک چگونه کار میکند؟
دانشمندان برای ایجاد شرایط فوق، دستگاههای مختلفی ساختهاند. مشهورترین آنها توکامک است. توکامک یک اتاقک خلأ دوناتشکل (حلقهای) است که پلاسمای داغ را در میدانهای مغناطیسی بسیار قوی به دام میاندازد.
مراحل کار یک توکامک برای انجام واکنش D-T:
گام ۱تزریق سوخت: مخلوط گازهای دوتریم و تریتیم به داخل محفظه خلأ توکامک تزریق میشود.
گام ۲ایجاد پلاسما: با عبور جریان الکتریکی قوی از گاز یا استفاده از امواج رادیویی، گاز یونیزه و گرم میشود تا به حالت پلاسما برسد.
گام ۳محصورسازی مغناطیسی: آهنرباهای ابررسانای دورتادور توکامک، میدان مغناطیسی قدرتمندی ایجاد میکنند. این میدان مانند یک قفس نامرئی، ذرات باردار پلاسما را در مرکز محفظه معلق نگه میدارد و مانع از برخورد آن به دیوارهها و سرد شدن میشود.
گام ۴گرمایش اضافی: برای رسیدن به دمای صدها میلیون درجه، از روشهایی مثل تزریق پرتوهای خنثی یا امواج مایکروویو استفاده میکنند.
گام ۵وقوع همجوشی و برداشت انرژی: اگر شرایط مناسب باشد، هستههای D و T با هم جوش میخورند. نوترونهای پرانرژی حاصل (به دلیل نداشتن بار) از میدان مغناطیسی خارج شده و به دیوارهی داخلی رآکتور برخورد میکنند. گرمای ایجاد شده در این دیواره، توسط یک خنککننده (مثل آب) جذب شده و برای چرخاندن توربین و تولید برق استفاده میشود.
مزایا و چالشهای راه رسیدن به انرژی ستارهها
انرژی حاصل از همجوشی D-T میتواند تحولی اساسی در تأمین انرژی بشر ایجاد کند. اما این راه پر از چالش است.
| مزایای چشمگیر | چالشهای بزرگ پیش رو |
|---|---|
|
سوخت فراوان دوتریم از آب دریا استخراج میشود. تریتیم را میتوان در خود رآکتور از لیتیوم تولید کرد. منابع برای میلیونها سال کافی است. |
دما و فشار فوقالعاده بالا ایجاد و کنترل پلاسمای با دمای صدها میلیون درجه، یکی از سختترین کارهای مهندسی تاریخ است. |
|
پاک و ایمن هیچ گاز گلخانهای تولید نمیکند. پسماند رادیواکتیو بلندمدت قابل توجهی ندارد. واکنش به طور ذاتی ایمن است و در صورت بروز مشکل به سرعت خاموش میشود. |
نوترونهای پرانرژی نوترونهای حاصل میتوانند با برخورد به دیواره رآکتور، آن را رادیواکتیو کنند. باید مواد مقاومساز در برابر این تابش ساخته شوند. |
|
چگالی انرژی فوقالعاده مقدار کمی سوخت، انرژی یک شهر را برای سالها تأمین میکند. |
هزینه و پیچیدگی ساخت رآکتورهای همجوشی بسیار پیچیده و پرهزینه است. پروژه ITER نمونهای از این پیچیدگی است. |
پرسشهای مهم و باورهای نادرست
پاسخ: خیر. بمب هیدروژنی برای انفجار نیاز به یک بمب شکافتی به عنوان چاشنی دارد تا شرایط فوقفشرده و فوقداغ را برای کسری از ثانیه ایجاد کند. در یک رآکتور همجوشی، چگالی پلاسما بسیار کم است (حتی از هوای اطراف ما هم کمتر). اگر کنترل رآکتور از دست برود، پلاسما سرد شده و واکنش بلافاصله متوقف میشود. بنابراین، هیچ امکان انفجار هستهای وجود ندارد.
پاسخ: زیرا واکنش بین هستههای هیدروژن معمولی (پروتون-پروتون) به دمای بسیار بسیار بالاتری (بیش از 1 میلیارد درجه) نیاز دارد. واکنش D-T در میان تمام واکنشهای همجوشی ممکن، کمترین دمای مورد نیاز را دارد و به همین دلیل بهترین گزینه برای اولین نیروگاههای همجوشی زمینی محسوب میشود.
پاسخ: نه کاملاً، اما بسیار پاکتر از رآکتور شکافت است. خود واکنش D-T، محصول پایدار هلیوم تولید میکند. اما نوترونهای پرانرژی حاصل، با برخورد به مواد دیواره رآکتور، میتوانند آنها را برای مدتی رادیواکتیو کنند. نکته امیدوارکننده این است که نیمهعمر این مواد فعال شده معمولاً کوتاه (چند دهه) است، نه چند هزار سال مانند پسماند شکافت. دانشمندان در حال تحقیق بر روی مواد خاصی هستند که در برابر این تابش مقاومتر باشند یا فعالیت کمتری ایجاد کنند.
پاورقی
1 همجوشی (Fusion): فرآیندی که در آن دو هسته اتمی سبک با هم ترکیب شده و هستهای سنگینتر و مقداری انرژی تولید میکنند.
2 دوتریم (Deuterium): ایزوتوپ سنگین هیدروژن با یک پروتون و یک نوترون. نماد شیمیایی D یا $^2_1H$.
3 تریتیم (Tritium): ایزوتوپ رادیواکتیو هیدروژن با یک پروتون و دو نوترون. نماد شیمیایی T یا $^3_1H$.
4 توکامک (Tokamak): وسیلهای با محفظهای حلقوی شکل که از میدانهای مغناطیسی قوی برای محصور کردن پلاسمای داغ استفاده میکند. این نام از روسی گرفته شده است.
5 شکافت هستهای (Nuclear Fission): فرآیندی که در آن یک هسته سنگین (مانند اورانیوم-۲۳۵) به دو یا چند هسته سبکتر شکافته میشود.
6 نیروی هستهای قوی (Strong Nuclear Force): نیرویی که پروتونها و نوترونها را در کنار هم در هسته اتم نگه میدارد. این نیرو در فاصلههای بسیار کوتاه (در حد اندازه هسته) بر نیروی دافعه الکتریکی بین پروتونها غلبه میکند.
7 پلاسما (Plasma): حالت چهارم ماده که در آن گاز آنقدر داغ شده که اتمهایش به یونها (ذرات باردار مثبت) و الکترونهای آزاد تفکیک شدهاند.
8 معیار احتراق (Ignition Criterion): در همجوشی، به شرایطی گفته میشود که در آن انرژی تولید شده از واکنشهای همجوشی، برابر یا بیشتر از انرژیای باشد که برای گرم کردن و نگهداری پلاسما صرف میشود.
9 ITER: مخفف International Thermonuclear Experimental Reactor (رآکتور آزمایشی گرماهستهای بینالمللی). یک پروژه عظیم تحقیقاتی بینالمللی در جنوب فرانسه با هدف نمایش امکان فنی تولید انرژی از همجوشی.
