رؤیای همجوشی هسته ای اکنون به واقعیت نزدیک تر شده. چرا خوش بین تر شده ایم؟ - وبلاگ هم نفس

به گزارش وبلاگ هم نفس، دانشمندان آزمایشگاهی در انگلستان رکورد مقدار انرژی فراوری شده در طی یک واکنش همجوشی کنترل شده و پایدار را شکستند.

فراوری 59 مگاژول انرژی در طول پنج ثانیه در آزمایش مشترک اروپایی Torus - یا JET - در انگلستان به وسیله بعضی از خبرگزاری ها یک پیشرفت بزرگ نامیده شده و باعث ایجاد هیجان بسیار زیادی در بین فیزیکدان ها شده است.

سال های طولانی است که تا صحبت از فراوری انرژی با همجوشی هسته ای می گردد، دانشمندان می گویند: در 20 سال آینده چنین چیزی محقق می گردد!

در پیشرفت چدید، از مواد تازه ای برای ساختن دیواره های داخلی راکتور همجوشی شده است.

همجوشی هسته ای عبارت است از ادغام دو هسته اتمی و ایجاد یک هسته نو. سپس این هسته از هم جدا می گردد و انرژی را به شکل اتم ها و ذرات نوی آزاد می نماید. یک نیروگاه همجوشی ذرات فرار را جذب نموده و از انرژی آن ها برای فراوری برق استفاده می نماید.

چند راه مختلف برای کنترل ایمن همجوشی در زمین وجود دارد، یکی از آنها استفاده از میدان های مغناطیسی قدرتمند برای محدود کردن اتم ها تا زمانی که آن ها به دمای کافی بالا برای همجوشی برسند، است.

سوخت راکتور های دو ایزوتوپ متفاوت هیدروژن به نام دوتریوم و تریتیوم است. هیدروژن معمولی دارای یک پروتون و بدون نوترون در هسته خود است. دوتریوم یک پروتون و یک نوترون دارد در حالی که تریتیوم یک پروتون و دو نوترون دارد.

برای موفقیت آمیز بودن واکنش همجوشی، ابتدا اتم ها باید چنان داغ شوند که الکترون ها از هسته جدا شوند. این باعث ایجاد پلاسما می گردد - مجموعه ای از یون ها و الکترون های مثبت.

سپس باید پلاسما تا زمانی که به دمای بیش از 100 میلیون سانتیگراد برسد، گرم شوند. بعد این پلاسما باید در یک فضای محدود با چگالی بالا برای مدت زمان کافی نگهداری کرد تا اتم های سوخت به یکدیگر برخورد نمایند و با هم ترکیب شوند.

برای کنترل همجوشی در زمین، محققان دستگاه هایی به شکل دونات - به نام توکامک- ساخته اند که از میدان های مغناطیسی برای مهار پلاسما استفاده می نمایند.

با تزریق انرژی به پلاسما و گرم کردن آن، می توان ذرات سوخت را با سرعت بالایی شتاب داد که در هنگام برخورد، به جای دفع یکدیگر، هسته های سوخت به یکدیگر جوش بخورند. هنگامی که این اتفاق می افتد، آن ها انرژی آزاد می نمایند که در درجه اول به شکل نوترون های سریع حرکت می نمایند.

در طی فرآیند همجوشی، ذرات سوخت به تدریج از هسته داغ و متراکم دور می شوند و در نهایت با دیواره داخلی ظرف همجوشی برخورد می نمایند.

برای جلوگیری از تخریب دیوار ه ها در اثر این برخورد ها - که به نوبه خود سوخت همجوشی را نیز آلوده می نماید - راکتور هایی ساخته می شوند که ذرات را به سمت یک محفظه زره پوش سنگین به نام دایوتور راهنمایی می نمایند. این قسمت، ذرات منحرف شده را پمپ می نماید و گرمای اضافی را برای محافظت از توکامک حذف می نماید.

یکی از محدودیت های اصلی راکتور های گذشته این بوده که منحرف نماینده یا دایوتور نمی توانند بیش از چند ثانیه در برابر بمباران ذرات ثابت دوام بیاورند. برای اینکه نیروی همجوشی به صورت تجاری درآید، مهندسان باید یک توکامک بسازند که برای سال ها استفاده در شرایط لازم برای همجوشی تاب بیاورد.

پیش از این، منحرف نماینده JET دارای دیواری از گرافیت بود در سال 2011، مهندسان JET دیواره ها را به تنگستن ارتقا دادند. تنگستن تا حدودی به این علت انتخاب شد که بالاترین نقطه ذوب را در بین فلزات دیگر دارد. از آنجا که منحرف نماینده ها 10 برابر بیشتر از دماغه یک شاتل فضایی که وارد جو زمین می گردد، بار گرمایی باید تحمل نمایند، گریزی از این انتخاب نبود.

حالا دیواره توکامک به بریلیوم ارتقا یافت. بریلیم دارای خواص حرارتی و مکانیکی عالی برای راکتور همجوشی است، سوخت کمتری نسبت به گرافیت جذب می نماید، اما در عین حال می تواند در برابر دما های بالا مقاومت کند.

گرچه میزان انرژی فراوری شده سرخط خبر ها شد، اما ما می توانیم استدلال کنیم که در واقع استفاده از مصالح نو برای دیواره ها است که آزمایش را واقعاً چشمگیر می نماید.

توکامک JET بزرگترین و پیشرفته ترین راکتور همجوشی مغناطیسی است که در حال حاضر فعال است. اما نسل بعدی راکتور ها در حال توسعه است. از جمله ITER .

ITER - که به زبان لاتین به معنی راه است - در فرانسه در حال ساخت است و به وسیله یک سازمان بین المللی که شامل ایالات متحده هم است، تامین اقتصادی و راهنمایی می گردد.

ITER خیلی بزرگ تر است. میزان محفظه همجوشی 11.4 متر و 19.4 متر در طرفین است که آن را بیش از هشت برابر بزرگتر از JET می نماید.

علاوه بر این، ITER از آهنربا های ابررسانا استفاده می نماید که قادر به فراوری میدان های مغناطیسی قوی تر برای مدت زمان طولانی تری در مقایسه با آهنربا های JET هستند. با این ارتقاء، انتظار می رود ITER رکورد های همجوشی را هم از نظر خروجی انرژی و هم برای مدت زمان واکنش بشکند.

بعلاوه انتظار می رود ITER یک دستاورد دیگر داشته باشد: فراوری انرژی بیشتر از آنچه برای گرم کردن سوخت ضروری است. مدل ها پیش بینی می نمایند که ITER حدود 500 مگاوات برق به طور پیوسته به مدت 400 ثانیه فراوری می نماید، در حالی که تنها 50 مگاوات انرژی برای گرم کردن سوخت مصرف می نماید.

به عبارت دیگر این راکتور 10 برابر بیشتر از انرژی مصرفی خود فراوری می نماید که یک پیشرفت بزرگ در مقایسه با JET، که برای گرم کردن سوخت تقریباً سه برابر انرژی بیشتری نسبت به رکورد فراوری 59 مگاژول اخیر خود احتیاج داشت.

سوابق اخیر JET نشان داده است که سال ها تحقیق در فیزیک پلاسما و علم مواد نتیجه داده و دانشمندان را به آستانۀ مهار همجوشی برای فراوری برق رسانده است. ITER جهشی بزرگ به سمت هدف نیروگاه های همجوشی صنعتی در مقیاس صنعتی ایجاد خواهد نمود.

منبع