واکنش هستهای: تبدیل هیدروژن به هلیم همراه با تولید انرژی
سفر به مرکز یک ستاره
سوخت ستارگان از چیست؟
همانطور که یک خودرو برای حرکت به بنزین نیاز دارد، خورشید و سایر ستارگان نیز برای تولید نور و گرما به سوخت نیاز دارند. سوخت اصلی ستارگان، سادهترین و سبکترین عنصر جهان است: هیدروژن. هستهٔ مرکزی خورشید مانند یک کورهٔ عظیم و فوقالعاده داغ است. دما در آنجا به حدود 15 میلیون درجهٔ سانتیگراد میرسد!
در چنین دمای باورنکردنی، اتمهای هیدروژن با سرعت بسیار زیادی به یکدیگر برخورد میکنند. این برخوردها آنقدر شدید است که هستههای اتمها میتوانند به هم بچسبند و یک هستهٔ جدید و سنگینتر به نام هلیم بسازند. به این فرآیند همجوشی هستهای میگوییم.
ریاضیات سبکی: چرا انرژی آزاد میشود؟
چرا وقتی چهار هستهٔ هیدروژن به یک هستهٔ هلیم تبدیل میشوند، انرژی تولید میشود؟ پاسخ در یک معادلهٔ معروف از آلبرت اینشتین نهفته است: $E=mc^2$.
این فرمول میگوید انرژی ($E$) با جرم ($m$) رابطه دارد. حرف $c$ نشاندهندهٔ سرعت نور است که عدد بسیار بزرگی است. بنابراین، حتی یک مقدار بسیار کوچک از جرم میتواند به مقدار عظیمی انرژی تبدیل شود.
در واکنش همجوشی، جرم کل محصولات (هستهٔ هلیم) کمی کمتر از جرم کل مواد اولیه (چهار هستهٔ هیدروژن) است. این جرم گمشده یا "تفاوت جرم"، دقیقاً طبق فرمول اینشتین به انرژی خالص تبدیل میشود. این انرژی به شکل نور و گرما از خورشید به بیرون پرتاب میشود.
| ویژگی | سوختن شیمیایی (مثل آتش) | همجوشی هستهای (در خورشید) |
|---|---|---|
| مکان وقوع | سطح اتم (الکترونها) | هستهٔ اتم |
| دمای مورد نیاز | چند صد درجه سانتیگراد | دهها میلیون درجه سانتیگراد |
| میزان انرژی تولیدی | نسبتاً کم | بسیار بسیار زیاد(میلیونها برابر بیشتر) |
| مثال | سوختن گاز در اجاق، روشن کردن شمع | تابش نور و گرمای خورشید |
راه دشوار ساختن یک خورشید روی زمین
انرژی خورشید بسیار پاک و تقریباً بیپایان است. آیا میتوانیم این فرآیند را روی زمین شبیهسازی کنیم و از آن انرژی بگیریم؟ این رویایی است که دانشمندان دهههاست برای آن تلاش میکنند. این کار فوقالعاده سخت است، چون باید شرایط وحشتناک داخل خورشید را ایجاد کنیم!
مشکل اصلی این است که هستههای هیدروژن بار مثبت دارند و یکدیگر را دفع میکنند (مانند دو قطب شمال آهنربا). برای غلبه بر این نیروی دافعه و وادار کردن هستهها به همجوشی، به دما و فشار بسیار بالا نیاز داریم. روی زمین، دانشمندان از دستگاههای عجیبی مانند توکامک[4] استفاده میکنند که پلاسمای[5] داغ را با میدانهای مغناطیسی بسیار قوی در یک حلقه به دام میاندازند.
از بمب هیدروژنی تا نیروگاه آینده
شاید نام بمب هیدروژنی را شنیده باشید. این بمب از واکنش همجوشی هستهای استفاده میکند، اما بهصورت غیرقابلکنترل و ویرانگر. هدف دانشمندان، کنترل این واکنش برای تولید انرژی مفید است. یک رآکتور همجوشی موفق باید سه شرط اصلی را همزمان داشته باشد:
۱. دما به اندازهٔ کافی بالا باشد (بیشتر از 100 میلیون درجه!).
۲. چگالی پلاسما به اندازهٔ کافی زیاد باشد تا برخوردها مکرر اتفاق بیفتد.
۳. پلاسما برای مدت زمان کافی پایدار بماند تا واکنش ادامه یابد.
تاکنون، دانشمندان موفق شدهاند واکنش همجوشی را آغاز کنند، اما انرژی خروجی از انرژی ورودی کمتر بوده است. پروژههای بزرگی مانند ITER[6] در فرانسه در حال ساخت هستند تا برای اولین بار انرژی خالص مثبت تولید کنند.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر، کاملاً متفاوت و در واقع عکس یکدیگرند. در شکافت[7]، هستههای سنگین (مانند اورانیوم) شکسته میشوند و انرژی آزاد میکنند. در همجوشی، هستههای سبک (هیدروژن) به هم میپیوندند. همجوشی نسبت به شکافت مزایای بزرگی دارد: سوخت آن بسیار فراوانتر است، پسماندهای رادیوآکتیو[8] خطرناک و بلندمدت تولید نمیکند و از نظر ایمنی نیز برتری دارد.
پاسخ: بله، اما نگران نباشید! خورشید آنقدر سوخت هیدروژن دارد که میتواند حدود 5 میلیارد سال دیگر نیز به همین شکل بتابد. در واقع، ما در نیمهٔ عمر مفید خورشید به سر میبریم.
پاسخ: بله! آب از اتمهای هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است. هیدروژن موجود در آب میتواند به عنوان سوخت همجوشی استفاده شود. اقیانوسهای زمین منبع عظیمی از این سوخت هستند، به طوری که میتوان گفت انرژی حاصل از همجوشی، انرژیی تقریباً بیپایان خواهد بود.
پاورقی
[1] هیدروژن (Hydrogen): سبکترین و فراوانترین عنصر در جهان. نماد شیمیایی آن H است.
[2] هلیم (Helium): دومین عنصر سبک و فراوان در جهان. نماد شیمیایی آن He است. گازی بیبو، بیرنگ و بیطعم که در بادکنکهای جشن استفاده میشود.
[3] همجوشی هستهای (Nuclear Fusion): فرآیند فیزیکی که در آن دو هستهٔ سبک برای تشکیل یک هستهٔ سنگینتر با هم ترکیب میشوند و انرژی آزاد میکنند.
[4] توکامک (Tokamak): دستگاهی با شکل دونات (حلقهای) که از میدان مغناطیسی بسیار قوی برای محصور کردن پلاسمای داغ و ایجاد شرایط لازم برای همجوشی هستهای استفاده میکند.
[5] پلاسما (Plasma): حالت چهارم ماده که در آن گاز تا حدی داغ شده که اتمهایش یونیزه میشوند (الکترونها از هسته جدا میشوند).
[6] ITER: مخفف "رآکتور آزمایشی گرماهستهای بینالمللی" (International Thermonuclear Experimental Reactor). یک پروژهٔ تحقیقاتی بینالمللی عظیم برای ساخت بزرگترین دستگاه همجوشی توکامک در جهان.
[7] شکافت هستهای (Nuclear Fission): فرآیند فیزیکی که در آن یک هستهٔ سنگین (مانند اورانیوم-۲۳۵) به دو یا چند هستهٔ سبکتر شکافته میشود و انرژی آزاد میکند. اساس کار نیروگاههای هستهای فعلی است.
[8] رادیوآکتیو (Radioactive): خاصیت برخی مواد که هستههای ناپایدار دارند و با انتشار ذرات (پرتو) به حالت پایدارتر میرسند. این پرتوها میتوانند برای موجودات زنده خطرناک باشند.
