گداخت هسته ای چیست؟

ستاره | سرویس علوم – گداخت هسته ای چیست؟ در این مطلب نکات جالبی در مورد گداخت هسته ای برایتان آماده کرده ایم؛ همراه ما باشید.

 

گداخت هسته ای چیست؟

 

چگونگی همجوشی دوتریوم و تریتیوم

 

 

گداخت هسته ای (همجوشی هسته ایی) افیوژن فرآیندی عکس عمل شکافت هسته ای است. در فرایند گداخت هسته ای هسته‌های سبک مانند هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم با یکدیگر همجوشی داده شده و هسته‌های سنگین‌تر و مقداری انرژی تولید می‌شود. برای اینکه همجوشی امکان‌پذیر باشد، هسته‌هایی که در واکنش وارد می‌شوند باید دارای انرژی جنبشی کافی باشند تا بر میدان الکترواستاتیکی پیرامونشان فائق آیند. بنابر این دماهای وابسته به واکنش‌های همجوشی فوق‌العاده بالاست.

در سال ۱۹۵۲ اولین انفجار آزمایشی گرما هسته ای باعث آزاد شدن مقدار زیادی انرژی کنترل‌ نشده گردید. این آزمایش نشان داد که اگر دمای یک گاز متشکل از ذرات باردار – پلاسما – با چگالی بالا تا حد ۵۰ میلیون درجه کلوین افزایش یابد، باعث ایجاد واکنش گداخت هسته ای در گاز یونیده می‌شود. پس از انفجار موفقیت آمیز بمب هیدروژنی جستجو برای آزاد کردن کنترل شده انرژی همجوشی شروع شد. گرمای همجوشی به مفهوم گرمای حاصله از گداخت هسته ای است.

همجوشی هسته ای، واکنشی کاملا برعکس شکافت هسته ای است. به جای شکافتن اتم‌های بزرگ به اتم‌های کوچک، اتم‌های کوچک به یکدیگر جوش داده می‌شوند تا اتم‌های بزرگ بوجود آیند. این واکنش انرژی خیلی زیادی آزاد می‌کند، چرا که طبق نظریه‌ی نسبیت خاص انشتین، قسمتی از ماده‌ی این واکنش به انرژی تبدیل می‌شود. واقعیت این است که خارج از نیروگاه‌های همجوشی و در طبیعت، ما هر روز اثر این واکنش را احساس می‌کنیم. گداخت هسته ای همان چیزی است که در مرکز خورشید رخ می‌دهد. خورشید یک رآکتور عظیم همجوشی هسته ای است؛ این ستاره هیدروژن را به عناصر سنگین تبدیل می‌کند و نور و گرمای حاصل از واکنش را برای ما که روی زمین هستیم، ارسال می‌کند.

 

مزیت گداخت هسته ای نسبت به شکافت هسته ای مقایسه

• منابع سوخت آن بسیار فراوان است. به عنوان مثال دوتریوم حدود ۱۵۳ ۰/۰ درصد اتمی ازهیدروژن‌های آب اقیانوس‌ها را تشکیل می‌دهد. 
• تریتیوم نیز در فرایند جذب نوترون توسط لیتیوم قابل تولید است. به ازاء هر نوکلئون از ماده سوخت، انرژی تولیدی نسبت به روش شکافت بیشتر است.
• معضل پسماندهای هسته ای را ندارد.
• اینکه در هنگام وقوع حوادث احتمالی، راکتور همجوشی از کنترل خارج نمی‌شود.
• به عنوان مثالی از انرژی تولیدی در یک راکتور همجوشی می‌توان گفت اگر یک گالن از آب دریا را که دارای مقدار کافی لوترون است در واکنش گداخت هسته ای استفاده کنیم معادل ۳۰۰ گالن گازوئیل انرژی بدون آلودگی تولید می‌کند.

 

سختی های فرایند گداخت هسته ای

چیزی که باعث می‌شود رسیدن به فناوری همجوشی مشکل باشد، عدم علاقه‌ی هسته‌ی اتم‌ها به جوش خوردن با یکدیگر است. هسته‌ی اتم هیدروژن دارای یک پروتون است و بنابراین بار الکتریکی مثبت دارد. وقتی می‌خواهیم یک هسته‌ی اتم هیدروژن دیگر را به آن جوش بدهیم، به دلیل اینکه هر دو دارای بار مثبت هستند، در برابر جوش خوردن مقاومت می‌کنند. تنها راه این است که به زور این کار را انجام دهیم و آن‌قدر دمای اتم‌ها را بالا ببریم که به پلاسما تبدیل شوند. اگر پلاسمایی با دمای بسیار بالا داشته باشیم، بعضی از هسته‌ها چنان محکم به یکدیگر برخورد می‌کنند که به یکدیگر جوش می‌خورند. برای انجام این فرایند، به دما و فشار خیلی زیادی احتیاج است.

مشکل اینجاست که ما بر روی زمین باید شرایط قسمت مرکزی خورشید را بازسازی کنیم. خورشیدی که جرم‌اش ۳۳۰ هزار برابر زمین است و دمای مرکز آن به ۱۷ میلیون درجه‌ی سانتیگراد می‌رسد. مشکل نخست این است که بر روی زمین به اندازه‌ی خورشید سوخت هیدروژن در اختیار نداریم. باید دما را به ۱۰۰ میلیون درجه‌ی سانتیگراد برسانیم. مشکل دوم که ماده در شکل پلاسما رفتارهای عجیبی از خود نشان می‌دهد. پلاسما شکل چهارم ماده است نه مایع ، نه جامد و نه گاز. وقتی پلاسما را در دما و فشار خیلی زیاد قرار می‌دهیم، به شدت ناپایدار می‌شود. برای کنترل شرایط ناپایدار آن نیز از تجهیزات معمولی نمی‌توان استفاده کرد. به نوعی باید بر روی زمین یک ستاره ساخت. آن‌قدر این کار چالش‌برانگیز است که بشر برای رسیدن به آن، نیاز دارد یکی از پیچیده‌ و بزرگترین فناوری‌های تاریخ را بسازد.

 

روش‌های همجوشی

 

لیزر نوا در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در تحقیقات همجوشی

 

محصورسازی به روشهای متفاوتی انجام پذیر است. مهمترین این روشها عبارتند از:

محصورسازی مغناطیسی

در این روش از میادین پرقدرت برای حفظ یک پلاسما استفاده می‌گردد. دو نوع رآکتور توکوماک و اسفرومک بر اساس این روش طراحی شده است.

 

گداخت هسته ای کنترل شده توسط لیزرهای پر توان

در این روش از لیزرهای پرتوانی جهت محصورساختن ساچمه‌های کوچکی استفاده می‌شود که در آنها سوخت هسته ای فشرده سازی شده باشد.

 

گداخت هسته ای توسط کاتالیزور میونی

گداخت هسته ای توسط کاتالیزور میونی (Muon-catalyzed fusion (μCF