ستاره یی درون خمره

این روزها، بحث انرژی اتمی و فناوری مربوطه و بهره گیری از آن برای اهداف صلح آمیز، موضوعی است که توجه همگان را به خود جلب کرده است. آزاد شدن انرژی هسته یی، چه در شکل طبیعی آن نظیر چیزی که در ستارگان روی می دهد و چه در قالب فناوری هسته یی یعنی فرآیندی که در یک رآکتور به وقوع می پیوندد، بر پایه واکنش های هسته یی استوار است که می تواند نتیجه شکافت هسته های اتم یا هم جوشی آنها باشد.
● شکافت و هم جوشی هسته یی
اساس کار نیروگاه ها و مراکز اتمی کنونی برپایه فرآیند «شکافت هسته یی» استوار است که در آن، هسته اتم به وسیله مجموعه یی از ذرات پرانرژی مانند نوترون ها بمباران شده و شکافته می شود. نتیجه آن آزاد شدن مقدار زیادی انرژی، ایجاد دو یا چند هسته کوچک تر و تولید محصولات فرعی نظیر فوتون ها و نوترون های آزاد است. شکافت هسته یی اگرچه با آزاد شدن مقادیر قابل توجهی انرژی همراه است، ولی مواد حاصل از این واکنش که به زباله هسته یی معروف است، شدیداً رادیواکتیو است. مسائل و مشکلات بهداشتی و زیست محیطی که در خصوص حمل و دفع این زباله ها وجود دارد و نیز خطرهای بروز آلودگی رادیواکتیو برای انسان و محیط زیست و حوادث ناخواسته در هر یک از مراحل فرآوری، حمل، ذخیره سازی و به کارگیری سوخت های هسته یی سبب شده اهمیت شکافت هسته یی به عنوان یک منبع مطمئن و بی خطر تامین انرژی مورد تردید قرار گیرد. در مقابل شکافت هسته یی، فرآیند «هم جوشی هسته یی» را داریم که طی آن، دو هسته اتم به هم جوش خورده و با ایجاد یک نوترون آزاد، هسته جدید بزرگ تری را تشکیل می دهند. این فرآیند می تواند با جذب یا آزاد شدن انرژی همراه باشد. اغلب در اثر هم جوشی هسته های عناصری که وزن شان از هسته آهن سبک تر است، مقادیر عظیمی انرژی آزاد می شود. نور ستاره ها و انرژی حاصل از انفجار یک بمب هیدروژنی، نتیجه هم جوشی بین هسته های عناصر سبک وزن است.
● مزایای هم جوشی هسته یی
هم جوشی هسته یی می تواند راه حلی برای تمام مشکلاتی باشد که در روند تامین انرژی جهانیان وجود دارد. سوخت های فسیلی، زغال سنگ، نفت و بنزین رو به اتمام است. میلیون ها سال طول کشید تا این منابع شکل گرفته اند و حال ما تنها در ۳۰۰ سال گذشته یعنی از زمانی که انقلاب صنعتی آغاز شد، تقریباً همه آنها را مصرف کردیم. به باور بسیاری از دانشمندان، با توجه به رشد جمعیت کره زمین به خصوص در کشورهای پرجمعیتی چون چین و هند و نیاز روزافزون صنایع، حمل و نقل و سیستم های برودتی و حرارتی به سوخت، بحران انرژی وارد مرحله خطرناکی می شود. شاید راه حل این بحران، هم جوشی هسته یی باشد. برای انجام هم جوشی هسته یی در روی زمین، به نوعی هیدروژن نیاز است که در آب سنگین (که بخش کوچکی از آب معمولی را تشکیل می دهد) یافت می شود. یعنی کلید حل مشکلات به همین آب وابسته است. محاسبه های انجام شده نشان می دهد در روی زمین، به اندازه کافی یعنی در حدی که جوابگوی نیازهای انرژی جمعیت رو به رشد جهان در طول میلیون ها سال آینده باشد، آب وجود دارد. انرژی حاصل از هم جوشی را می توان در رآکتورهای مخصوص تحت کنترل درآورد و در یک نیروگاه برق معمولی به الکتریسیته تبدیل کرد. دانشمندان تخمین می زنند که یک وان حمام پر از آب سنگین می تواند به مدت سی سال برق انگلستان را تامین کند. از سوی دیگر، برخلاف شکافت هسته یی، در هم جوشی، تقریباً خطر آلودگی رادیواکتیو وجود ندارد و زباله های اتمی طویل العمر نیز تولید نخواهند شد. به عبارت دیگر، در صورت به کارگیری این فرآیند، سوخت کافی برای تولید یک انرژی پاک و عاری از آلودگی برای میلیارد ها نفر از ساکنان زمین در طول میلیون ها سال در اختیار خواهیم داشت.
● عدم موفقیت در به کارگیری هم جوشی هسته یی
برای هم جوشی لازم است اتم های پرانرژی به هم برخورد کنند تا با یکدیگر واکنش دهند. لازمه این کار، دستیابی به حرارت های بالایی است که تنها در هسته ستارگانی نظیر خورشید خودمان وجود دارد. در چنین حرارت هایی، هسته های هیدروژن به شدت با هم برخورد کرده و ترکیب می شوند. سالیان سال، همین مساله مانع بزرگی بر سر راه استفاده از این فرآیند محسوب می شد و لازم بود راه حلی برای آن پیدا شود، چرا که همیشه میزان انرژی مصرف شده برای انجام آزمایش های هم جوشی، بیش از انرژی تولیدی بود. در تمام این تجارب، سعی می شد شرایطی مشابه آنچه در هسته خورشید حاکم است (با دمایی حدود ۱۰ میلیون کلوین) ایجاد شود. دستیابی به دماهایی که برای پیشبرد فرآیند مربوطه کافی باشد، به منابع عظیم انرژی احتیاج داشت.
● به دنبال راه حل
در ماه مارس سال ۲۰۰۲، جهان علم با انتشار خبر متحیرکننده یی دچار شگفتی شد؛ یک دانشمند معروف امریکایی به نام «راسی طالع یارخان» مدعی شد که با استفاده از امواج صوتی موفق شد در آزمایشگاهش هم جوشی هسته یی را انجام دهد. این خبر که وی تنها با استفاده از امواج صوتی و در مقیاس کوچک آزمایشگاهی، به چنین دمایی دست یافت، موجب تحیر دانشمندان شد. آنها پروژه های هم جوشی هسته یی را طرح های چنددولتی چندمیلیارد پوندی می دانستند که به نظر می رسید تنها در دهه های آتی دستیابی به هدف موردنظر یعنی تولید انرژی به شیوه کاربردی، امکان پذیر باشد.
روش این دانشمند بر فرآیندی به نام «سونولومینسنس» استوار است که در آن، با متمرکز ساختن انرژی صوتی روی نقطه بسیار کوچکی در داخل یک حباب، امواج صوتی به پرتوهای نور تبدیل می شود. پدیده مزبور به «ستاره در خمره» معروف است. گرچه از دهه ۱۹۳۰ این پدیده را می شناختند ولی تا دهه ۱۹۸۰ پژوهش های زیادی در مورد آن انجام نشده بود. در این زمان، دانشمندان متوجه شدند که نور تولیدی به طرز شگفت آوری داغ است. با این شیوه به آسانی امکان دستیابی به دماهایی در حد ده ها هزار درجه (که از سطح خورشید نیز داغ تر است) فراهم می شد. این یافته، در نوع خود کشف بزرگی بود زیرا این فرآیند می توانست شیوه بسیار مناسبی برای متمرکز ساختن انرژی باشد. برای دانشمندان این سوال مطرح بود که آیا هسته حباب می تواند داغ تر (شاید گرم تر از هسته خورشید) باشد؟ اگر چنین است امکان وقوع هم جوشی نیز وجود خواهد داشت.
بدین ترتیب، اشخاص مختلفی در امریکا به تحقیق روی این موضوع پرداختند. «طالع یارخان» یکی از همین افرادی بود که ادعا کرد با استفاده از حباب های بسیار کوچکی که انرژی امواج صوتی را در خود بهتر متمرکز می کنند، موفق به انجام این کار شده است. کشف این محقق و مقاله منتشر شده وی در مجله «ساینس» تردیدهای بسیاری را برانگیخت. با بروز پدیده هم جوشی، ذراتی به نام نوترون آزاد می شود. به نظر دانشمندان، شاخص وقوع هم جوشی، همین نوترون های آزاد هستند. ولی بسیاری از آنان تردید داشتند که ردیابی نوترون ها توسط این محقق کاملاً درست انجام شده باشد. محققان آزمایشگاه ملی اوک ریج با تکرار آزمایش مزبور نتوانستند به شواهدی دال بر بروز هم جوشی دست یابند. ولی گروه «طالع یارخان» با پافشاری، دو سال بعد، مقاله دیگری در تایید ادعاهای خود منتشر کرد. ولی بسیاری از دانشمندان کماکان به دنبال شواهد بهتری بودند. آنها می خواستند زمان دقیق آزاد شدن نوترون ها برایشان در حد نانوثانیه مشخص شود تا دقیقاً به چگونگی ارتباط این ذرات با پرتوهای نوری پی ببرند. دانشمندان در صورتی متقاعد می شدند که پیدایش این دو همزمان باشد. بدین ترتیب گروه مستقلی از دانشمندان باتجربه، توسط Horizon به کار گرفته شد تا تجربیات این دانشمند را بر پایه همان شیوه یی که وی در مقاله ها یش تشریح کرد، مجدداً تکرار کنند. آنها برای اولین بار نوترون ها و پرتوهای نوری را با دقت نانوثانیه سنجش کردند، ولی حتی یک نوترون نیز پیدا نکردند که به اندازه کافی با یک پرتو نور همزمان باشد. البته بنا به نظر «طالع یارخان»، تفاوت های مختلف موجود در تجهیزات استفاده شده در این دو تجربه می توانست روی نتایج تاثیر گذاشته باشد. شاید آزمایشگاه های دیگری در جهان نیز به نتایج مشابهی نظیر آنچه این محقق دست یافت، برسند ولی تا آن زمان، همچنان از سوی جامعه علمی، ادعای وی مورد تردید خواهد بود. هرچند اهمیت هم جوشی هسته یی در تامین انرژی بشر و نقش احتمالی تکنیک سونولومینسنس در دستیابی به این هدف قابل انکار نخواهد بود.

دکتر اروین یعقوبیان

منبع : روزنامه اعتماد