نگاهی به اصول همجوشی اتم ها به یکدیگر

همه مواد از اتم ها تشكیل شده اند كه هر اتم از هسته با بار مثبت و الكترون های بار منفی در اطراف آن تشكیل شده است. هسته نیز شامل پروتون است كه دارای بار مثبت و نوترون كه به لحاظ بار الكتریكی خنثی است. پروتون و نوترون های هسته از طریق یك نیروی قوی بین مولكولی در كنار هم قرار گرفته اند. الكترون ها نیز توسط یك نیروی ضعیف تر از نیروی بین مولكولی داخل هسته به نام نیروی الكتریكی اطراف پروتون های هسته قرار گرفته و اطراف آن می چرخد.
•فرآیند همجوشی
در عمل همجوشی دو اتم سبك با یكدیگر جوش خورده و یك اتم سنگین تر را ایجاد می كنند و در اثر این همجوشی انرژی زیادی آزاد می شود كه حاصل نیروی قوی بین هسته ای است. به عنوان مثال از همجوشی دو اتم دوتریم Deuterium، هلیوم و انرژی آزاد می شود.
He + Energy ر> D + D
•فیوژن به عنوان عامل تولید انرژی خورشید
فیوژن فرآیندی است كه باعث گرم شدن خورشید و سایر ستارگان می شود. در خورشید در هر ثانیه ۱۰ میلیون تن هیدروژن از طریق همجوشی به هلیوم تبدیل می شود و انرژی حاصل از آن همان انرژی ای است كه باعث حیات در كره زمین شده است. در ستارگان عمل فیوژن سریع تر و بیشتر از خورشید صورت می پذیرد. اتم های سنگین نیز می توانند با هم همجوشی انجام دهند و اتم سنگین تری مثل كربن، نیتروژن و اكسیژن را ایجاد كنند. در واقع همه مواد موجود در جهان از فیوژن اتم سبك هیدروژن ایجاد شده است.
•فیزیون (شكافت اتم)
شكافت هسته ای فرآیندی است كه امروزه در نیروگاه های اتمی برای تولید برق به كار برده می شود و فرآیند آن عكس همجوشی است. در فرآیند شكافت یك اتم سبك به اتم های سبك تر تقسیم و انرژی آزاد می شود. شكافت هسته ای یك واكنش زنجیره ای است بدین معنی كه یك شكافت هسته به طور متوسط ۵/۲ نوترون ایجاد می كند كه هریك از این نوترون ها یك واكنش جدید را ایجاد می كنند و به همین ترتیب به سرعت واكنش های بعدی انجام می شود. بنابراین وقتی این واكنش شروع می شود می بایست آن را كنترل كرد در غیر این صورت شكافت تبدیل به بمب اتمی می شود. در واكنش فیوژن باید سوخت به طور مدام به رآكتور تغذیه شود و اگر جلوی این تغذیه گرفته شود واكنش متوقف می شود بنابراین واكنش فیوژن ذاتاً مطمئن است و امكان انفجار وجود ندارد.
•هسته ها یكدیگر را دفع می كنند
پروتون در هسته بار مثبت دارد لذا وقتی دو هسته به هم نزدیك می شوند تا همجوشی كنند، نیروی دافعه الكتریكی باعث می شود كه دو اتم از هم دور شوند. در صورتی كه دو اتم خیلی به هم نزدیك شوند نیروی قوی بین هسته ای ایجاد می شود و دو هسته به طور ناگهانی به هم دیگر جذب می شوند و این نزدیكی امكان ندارد مگر اینكه سرعت اتم ها خیلی بالا باشد. بعد از واكنش همجوشی انرژی خیلی بالایی آزاد می شود. این آزاد شدن انرژی دقیقاً مشابه حركت یك توپ گلف به سمت بالای تپه و سپس سقوط آن به یك دره عمیق است. كافی است انرژی لازم برای رسیدن توپ به بالای تپه را ایجاد كنیم پس از آن انرژی زیادی حاصل از سقوط به دست می آوریم. بنابراین برای رسیدن اتم ها به یكدیگر و برخورد با هم لازم است سرعت اتم ها بالا باشد و برای رسیدن به این سرعت بالا لازم است درجه حرارت بالایی داشته باشیم. در رآكتورهای فیوژن درجه حرارت ۱۵۰ میلیون درجه است. در این درجه حرارت هسته هیدروژن با سرعت هزار كیلومتر بر ثانیه حركت می كند.
•ایجاد پلاسما (Plasma)
در دمای ۱۵۰ میلیون درجه چه اتفاقی می افتد؟ در یك مكعب یخ اتم ها به طور منظم كنار هم قرار گرفته اند و موقعیت ثابتی دارند. وقتی به آن حرارت داده می شود یخ جامد تبدیل به مایع شده و مولكول ها آزادانه می توانند حركت كنند. اگر دما را باز هم زیاد كنیم آب تبخیر می شود و یك گاز تحت عنوان بخار را ایجاد می كند و آزادی مولكول ها (سرعت مولكول ها) زیادتر می شود. اگر عمل گرم كردن را ادامه دهیم مولكول های آب به اتم های اكسیژن و هیدروژن تقسیم می شود و در دماهای بالاتر اتم ها نیز به هسته ها و الكترون ها تقسیم می شود در این شرایط پلاسما خواهیم داشت.
•پلاسما به طور طبیعی وجود دارد
در پدیده هایی همچون رعد و برق، خورشید و ستارگان پلاسما وجود دارد. ساده تر از آن در لامپ فلورسنت شما پلاسما دارید. پلاسما به طور گسترده در صنعت و برای روشنایی استفاده می شود به عنوان مثال تراشه های كامپیوتری به كمك منابع نوری پلاسما ساخته می شود همچنین از پلاسما برای فرآیندهای جوشكاری استفاده می شود. صفحات كامپیوتری جدید كه صفحه پلاسمایی گفته می شود از تخلیه های پلاسمایی نازك استفاده می كنند.
•میدان مغناطیسی می تواند پلاسما را كنترل كند
در پلاسما همه ذرات در همه جهات با دمای بالا حركت می كنند. بنابراین نگهداری پلاسما خود یك مشكل است زیرا دیواره های رآكتور تحمل چنین دمایی را ندارند. خوشبختانه می توان از میادین مغناطیسی برای تاثیر بر روی پلاسما استفاده كرد. با ایجاد خطوط میدان مغناطیسی، ذرات باردار در پلاسما از خط مغناطیسی پیروی كرده و بدین ترتیب می توان پلاسما را در داخل این میدان محبوس كرد و دیواره ها را از آن دور نگه داشت.
• Tokamak
برای حبس پلاسما اگر ما از یك لوله مستقیم استفاده كنیم در ابتدا و انتها هنوز مشكل برخورد پلاسما را خواهیم داشت اما این مشكل به راحتی از طریق یك محفظه حلقوی شكل كه اساساً یك لوله بدون انتها است قابل حل است. این روش حبس پلاسما توسط روس ها ابداع شده و Tokamak مخفف Toridial Chamher with magnetic field coils است.
•سوخت های پلاسما در زمین
در زمین امكان واكنش هیدروژن با هیدروژن غیرعملی است زیرا این واكنش نیاز به دمای خیلی بالا دارد. اما واكنش دوتریم و تریتیم با دمای حدود ۱۰۰ تا ۱۵۰ میلیون درجه سانتی گراد امكان پذیر است كه این منابع در زمین و آب دریا به وفور موجود است.
Tritium+Deuterium ر> Helium + Neutron + Energy
•تریتیم + دوتریم
دوتریم و تریتیم ایزوتوپ های هیدروژن هستند. این بدان معنی است كه اختلاف آنها با هیدروژن در تعداد نوترون اتم ها در هسته است. دو تریم یك نوترون اضافی و تریتیم دو نوترون اضافی دارد. ۳۳ میلی گرم از دو تریم در هر لیتر آب معمولی وجود دارد و اگر با تریتیم همجوشی شود معادل ۳۴۰ لیتر بنزین انرژی آزاد می شود. دو تریم به اندازه كافی در دریاها برای انرژی بیلیون ها نفر وجود دارد.
•تریتیم می تواند از لیتیم تولید شود
تریتیم رادیواكتیو است اما طول عمر آن كوتاه و ۳/۱۲ سال است بنابراین به طور طبیعی در طبیعت وجود ندارد. این ماده باید از لیتیم ساخته شود. پوسته زمین به وفور لیتیم دارد همچنین در آب های دریا نیز به وفور می توان این عناصر را استخراج كرد.نوترون آزاد شده در فرآیند فیوژن می تواند لیتیم را به هلیوم و تریتیم تبدیل كند و تنها در ابتدای راه اندازی یا هنگام توقف نیروگاه لازم است مقداری تریتیم داشته باشیم و بعد از آن دیگر نیازی به تریتیم نداریم.بنابراین دوتریم و تریتیم به و فور قابل استحصال است. تنها ۱۰ گرم دوتریم و ۱۵ گرم تریتیم تمام انرژی مورد نیاز یك شهروند در یك كشور توسعه یافته در سرتاسر عمرش را جوابگو است. منابع موجود دوتریم و تریتیم برای تامین میلیون ها سال انرژی كفایت می كند.
•تریتیم
تریتیم یك ماده رادیواكتیو ضعیف است كه طول عمر ۳/۱۲ سال دارد این بدان معنی است كه بعد از این زمان نصف تریتیم اصلی ناپدید می شود. وقتی این ماده تجزیه می شود یك الكترون (به نام بتا) با انرژی خیلی كم آزاد می كنند. انرژی این الكترون به قدری كم است كه قادر به عبور از پوست نبوده و در هوا بیش از چند میلی متر حركت نمی كند و متوقف می شود. بنابراین تریتیم یك رادیواكتیو خطرناك نیست.تریتیم به مقدار كم در بالای جو ایجاد می شود و از طریق باران به زمین می رسد. در آب تازه مقدار بسیار جزیی از تریتیم یافت می شود و كل تریتیم موجود در محیط زیست در حدKg ۳‎/۷ است.
Tritium ر> Helium-۳
Electron +
*از تریتیم می توان برای اندازه گیری عمر آب های زیرزمینی یا عمر یك بطری قدیمی خراب استفاده كرد. واكنش فیوژن با توجه به اینكه احتمال خارج شدن از حد كنترل وجود ندارد لذا بسیار روش مطمئن به لحاظ زیست محیطی است.


*در یك نیروگاه فیوژن یك لایه محدود كننده در اطراف آن كه مانع تشعشع مواد رادیواكتیو می شود وجود دارد.
*در صورت وقوع حوادث غیرمنتظره ای همچون زلزله و آزاد شدن تریتیم حداكثر مقدار آزاد شده Kg ۱ است. این مقدار تریتیم برای یك شهروند در نزدیك نیروگاه منجر به دوز حدودsv ۰.۴ می شود.
*فیوژن هیچ گونه اثر گلخانه ای ندارد.
*حین واكنش فیوژن پوسته اطراف پلاسما و اجزای موجود در دیواره ها به وسیله نوترون تولید شده توسط فیوژن بمباران می شود. این امر باعث می شود این مواد رادیواكتیو شوند. اگر از مواد كم فعال استفاده شود، این رادیواكتیویته دارای عمر كوتاه ۱۰۰ سال خواهد بود در حالی كه در شكافت هسته ای عمر بسیار بالاست.
*بعد از ۱۰۰ سال مواد می توانند بازیافت شوند و به مرحمت این زمان كوتاه و مواد كم فعال، زائدات فیوژن یك شكل برای این نیروگاه نیستند. اروپا یك برنامه تحقیقاتی گسترده برای ایجاد مواد خاص برای به كارگیری در نیروگاه های آینده دارد.
*برای تحقیقات به طور متوسط هر اروپایی یك یورو برای تحقیقات فیوژن در سال هزینه می كند و انتظار می رود در ۵۰ سال آینده قیمت آن در حدود انرژی های نو باشد.
•اجزای نیروگاه فیوژن
یك نیروگاه فیوژن شامل بخش های مختلفی از جمله پلاسما، سیستم سوخت، مغناطیس ها، بالشتك لیتیم، مبدل حرارتی، توربین بخار و غیره است.
۱- سوخت دو تریم
سوخت نیروگاه فیوژن مخلوطی از دوتریم و تریتیم است كه ایزوتوپ های هیدروژن هستند دوتریم در آب یافت می شود هر لیتر آبmg ۳۵ دوتریم دارد. هنگامی كه این مقدار دوتریم با تریتیم مخلوط می شود انرژی در حدود ۳۴۰ لیتر بنزین ایجاد می شود.
۲- بالشتك لیتیم
در بالشتك لیتیم به تریتیم تبدیل می شود. نوترون حاصل از واكنش فیوژن با توجه به اینكه هیچ گونه باری ندارد و تحت تاثیر میدان قرار نمی گیرد از پلاسما خارج شده و در بالشتك با لیتیم واكنش انجام می دهد و تریتیم و هلیوم ۳- ایجاد می كند تریتیم حاصل به داخل واكنش فیوژن فرستاده می شود.
۳- پلاسما
پلاسما شامل دوتریم و تریتیم در دمای ۱۰۰ الی ۱۵۰ میلیون درجه است. این دما برای انجام واكنش فیوژن لازم است. پلاسما از طریق میدان مغناطیسی در فضای حلقوی مشخص محبوس می شود.
۴- جداكننده زائدات از سوخت
خروجی محفظه وكیوم شده پلاسما بعد از واكنش سوخت و مواد تبدیلی مثل هلیوم است. در این قسمت سوخت از هلیوم جدا شده و سوخت تصفیه شده به پلاسما بازگردانده می شود و هلیوم توسط كپسول هایی جمع آوری می شود. هلیوم می تواند برای بالن ها استفاده شود. یك نیروگاه MW ۱۰۰۰ در طول سال تنها Kg۲۵۰ هلیوم تولید می كند.
۵- مبدل حرارتی
حرارت توسط واكنش فیوژن تولید می شود و توسط نوترون ها منتقل می شود و در بالشتك لیتیم ذخیره می گردد و این حرارت از طریق یك سیستم خنك كننده (هلیوم یا آب) به آب منتقل و بخار حاصل برای تولید برق استفاده می شود.
۶ -توربین بخار
برای تولید برق و انتقال آن به شبكه استفاده می شود.
•گرمایش پلاسما
برای رسیدن به دمای بالای مورد نیاز (۱۵۰ میلیون درجه)، روش های مختلف گرمایش استفاده می شود:
۱- جریان پلاسما (گرمایش اهمیك) ۲- اشعه های اتمی ۳- تشعش های میكروویو. در عمل هر سه روش به كار می رود.
الف-گرمایش جریان پلاسما
یك پلاسما حاوی ذرات باردار بوده و می تواند یك جریان الكتریكی را ایجاد كند. جریان از طریق یك ترانسفورماتور القا می شود به گونه ای كه حلقه پلاسما نقش سیم پیچ ثانویه آن را دارد. وجود این جریان و مقاومت اهمیك آن باعث ایجاد گرما می شود. در واقع نیروی حركت دهنده ذرات باردار باعث برخوردهای زیادی می گردد كه عامل ایجاد گرما است. با این روش پلاسما می تواند به دمای حدود ۱۰ میلیون درجه برسد.
ب-گرمایش اشعه های خنثی
یك شتاب دهنده ذرات می تواند ذراتی با سرعت بالا ایجاد نماید. برای به كارگیری این روش برای گرمایش پلاسما احتیاج به ذرات خنثی است به گونه ای كه این ذرات می تواند ذرات باردار شده در میدان مغناطیسی را متاثر نماید. ذرات خنثی وارد شده به پلاسما با ذرات داخل پلاسما برخورد كرده و باعث می شود الكترون آنها از دست برود و دوباره باردار شوند و در میدان مغناطیسی محبوس شود.
ج- تشعشع میكروویو
امواج الكترومغناطیسی می توانند انرژیشان را به پلاسما بدهند؟ ۳ نوع فركانس برای گرمای پلاسما به كار می رود. سیكلوترون یونی ( MHZ ۵۵-۲۵). سیكلوترون الكترون (MHZ ۲۰۰ -۱۰۰) و هیبرید پائین تر (GHZ ۸ -۱) ذرات باردار داخل پلاسما تشعش های میكروویو را جذب كرده و دماشان را زیاد می كنند. امواج مورد استفاده در گرمایش سیكلوترون الكترونی از نوع میكروویو است و از طریق آنتن های بزرگ مشابه آنچه كه در یك میكروویو معمولی در آشپزخانه وجود دارد امواج را ارسال می كنند.
•اروپا و تحقیقات جهانی
در حال حاضر تحقیقات فیوژن یكی از موضوعات روز دنیا است. در اروپا حدود ۲۰ لابراتوار تحقیقاتی و دانشگاه در قالب همكاری های EURATOM بر روی تحقیقات فیوژن مطالعه می كنند. توافقنامه توسعه فیوژن اروپا (EFDA) كلیه فعالیت های اروپا در زمینه مهار مغناطیسی فیوژن را پوشش می دهد. بزرگترین Tokamak جهان (Joint European Torus) JET واقع در Culham انگلیس است. این دستگاه توسط فیزیكدانان و مهندسین سراسر اروپا ساخته شده است. در سال ۱۹۸۳ اولین آزمایشات توسط این دستگاه انجام شد و در سال ،۱۹۹۱ برای اولین بار در زمین ۷/۱ مگاوات برق از آن گرفته شد و در سال ۱۹۹۷ ، ۱۶ مگاوات برق دیگر گرفته شد.

منبع : روزنامه شرق