نحوه آزاد شدن انرژي هسته‌اي

مي‌دانيم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتريکي) تشکيل شده است. بنابراين بار الکتريکي آن مثبت است. اگر بتوانيم هسته را به طريقي به دو تکه تقسيم کنيم، تکه‌ها در اثر نيروي دافعه الکتريکي خيلي سريع از هم فاصله گرفته و انرژي جنبشي فوق العاده‌اي پيدا مي‌کنند. در کنار اين تکه‌ها ذرات ديگري مثل نوترون و اشعه‌هاي گاما و بتا نيز توليد مي‌شود. انرژي جنبشي تکه‌ها و انرژي ذرات و پرتوهاي بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژي گرمايي تبديل مي‌شود. مثلا در واکنش هسته‌اي که در طي آن 235U به دو تکه تبديل مي‌شود، انرژي کلي معادل با 200MeV را آزاد مي‌کند. اين مقدار انرژي مي‌تواند حدود 20 ميليارد کيلوگالري گرما را در ازاي هر کيلوگرم سوخت توليد کند. اين مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کيلوگالري گرمايي است که از سوختن هر کيلوگرم زغال سنگ حاصل مي‌شود.

کاربرد حرارتي انرژي هسته‌اي

گرماي حاصل از واکنش هسته‌اي در محيط راکتور هسته‌اي توليد و پرداخته مي‌شود. بعبارتي در طي مراحلي در راکتور اين گرما پس از مهارشدن انرژي آزاد شده واکنش هسته‌اي توليد و پس از خنک سازي کافي با آهنگ مناسبي به خارج منتقل مي‌شود. گرماي حاصله آبي را که در مرحله خنک سازي بعنوان خنک کننده بکار مي‌رود را به بخار آب تبديل مي‌کند. بخار آب توليد شده ، همانند آنچه در توليد برق از زعال سنگ ، نفت يا گاز متداول است، بسوي توربين فرستاده مي‌شود تا با راه اندازي مولد ، توان الکتريکي مورد نياز را توليد کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشين ديگ بخار در نيروگاه‌هاي معمولي شده است.

سوخت راکتورهاي هسته‌اي

ماده‌اي که به عنوان سوخت در راکتورهاي هسته‌اي مورد استفاده قرار مي‌گيرد بايد شکاف پذير باشد يا به طريقي شکاف پذير شود.235U شکاف پذير است ولي اکثر هسته‌هاي اورانيوم در سوخت از انواع 238U است. اين اورانيوم بر اثر واکنشهايي که به ترتيب با توليد پرتوهاي گاما و بتا به 239Pu تبديل مي‌شود. پلوتونيوم هم مثل 235U شکافت پذير است. به علت پلوتونيوم اضافي که در سطح جهان وجود دارد نخستين مخلوطهاي مورد استفاده آنهايي هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونيوم است.
ميزان اورانيومي که از صخره‌ها شسته مي‌شود و از طريق رودخانه‌ها به دريا حمل مي‌شود، به اندازه‌اي است که مي‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنوني جهان را تأمين کند. با استفاده از اين نوع موضوع ، راکتورهاي زاينده‌اي که بر اساس استخراج اورانيوم از آب درياها راه اندازي شوند قادر خواهند بود تمام انرژي مورد نياز بشر را براي هميشه تأمين کنند، بي آنکه قيمت برق به علت هزينه سوخت خام آن حتي به اندازه يک درصد هم افزايش يابد.

مزيتهاي انرژي هسته‌اي بر ساير انرژيها

بر خلاف آنچه که رسانه‌هاي گروهي در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهاي پرتوزا مطرح مي‌کند از نظر آماري مرگ ناشي ازخطرات تکنولوژي هسته‌اي از 1 درصد مرگهاي ناشي از سوختن زغال سنگ جهت توليد برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نيروگاههاي هسته‌اي فعال بيش از 419 مي‌باشد که قادر به توليد بيش از 322 هزار مگاوات توان الکتريکي هستند. بالاي 70 درصد اين نيروگاه‌ها در کشور فرانسه و بالاي 20 درصد آنها در کشور آمريکا قرار دارد.

همجوشي خورشيد و ستارگان

سالهاست که دانشمندان واکنشي را که در خورشيد و ستارگان رخ داده و در آن انرژي توليد مي کند کشف کرده اند. اين واکنش عبارت است از ترکيب (برخورد) هسته هاي چهار اتم هيدروژن معمولي و توليد يک هسته اتم هليوم.اما مشکلي سر راه اين نظريه است.
بالا ترين دمايي که در خورشيد وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان 6 مي باشد.در حالي که در ستارگان بزرگتر اين دما به 20 ضرب در ده به توان 6 مي رسد. به همين خاطر تصور بر اين است که آن واکنش معروف ترکيب چهار اتم هيدروژن معمولي و توليد يک اتم هليم در ساير ستارگان بزرگ نيست که باعث توليد انرژي مي شود. بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه مي دارد.منظور از چرخه کربن آن چرخه اي نيست که روي زمين اتفاق مي افتد. بلکه به اين صورت است که ابتدا يک اتم هيدروژن معمولي با يک اتم کربن C12 ترکيب مي شود (همجوشي) و يک اتم N13 به علاوه يک واحد گاما را آزاد مي کند. بعد اين اتم با يک واپاشي به يک اتمC13به علاوه يک پوزيترون و يک نوترينو تبديل مي شود.بعد اينC13دوباره با يک اتم هيدروژن ترکيب مي شود وN14و يک واحد گاما حاصل مي شود.دوباره در اثر ترکيب اين نيتروژن با يک هيدروژن معمولي اتمO15و يک واحد گاما توليد مي شود.O15واپاشي کرده و N15به علاوه يک پوزيترون ويک نوترينو را بوجود مياورد.و دست آخر با ترکيب N15با يک هيدروژن معموليC12به علاوه يک اتم هليوم بدست مي آيد.

محصور سازي

مشکلي اساسي سر راه همجوشي هسته‌اي است ; مي دانيدهسته ازذرات ريزي تشکيل شده است که پروتون ونوترون جزءلاينفک آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون با بار مثبت که سايربارهاي مثبت رابه شدت از خود ميراند.مشکل مشخص شد؟ بله…اگرپروتونها (هسته هاي هيدروژن) يکديگررادفع ميکنند چگونه ميتوان آنهارا در همجوشي شرکت داد؟
همانطورکه حدس زديد راه حل اساسي آن است که به اين پروتونها آنقدر انرژي بدهيم که انرژي جنبشي آنها بيشتر از نيروي رانش کولني آنها شود و پروتونها بتوانند به اندازه کافي به هم نزديک شوند. حال چگونه اين انرژي جنبشي را توليد کنيم؟ گرما راه حل خوبيست. در اثر افزايش دما جنب و جوش وبه عبارت ديگرانرژي جنبشي ذرات بيشتر و بيشتر ميشود به طوري که تعداد برخوردها و شدت آنها بيشتر و بيشتر ميشود.به نظر شما آيا ديگر مشکلي وجود ندارد؟ خير,مسئله اساسيتري سر راه است.
يک سماور پر از آب را تصور کنيد.وقتي سماور را روشن مي کنيد با اين کار به آب درون سماور گرما ميدهيد(انرژي منتقل مي کنيد).در اثر اين انتقال انرژي دماي آب رفته رفته بالاتر مي رود و به عبارتي جنب و جوش مولکولهاي آب زياد مي شود.در اين حالت بين مولکولهاي آب برخوردهايي پديد مي آيد.هر مولکول که از شعله(يا المنت يا هر چيز ديگري)مقداري انرژي دريافت کرده است آنقدر جنب و جوش مي کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محيط سماور و آب)انرژي خود رابه ديگري بدهد.مولکول بعدي نيز به نوبه خود همين عمل را انجام ميدهد.بدين ترتيب رفته رفته انرژي منبع گرما در تمام آب پخش مي شود و دماي آب بالا ميرود.خوب يک سوال:آيا وقتي بدنه سماور را لمس مي کنيم هيچ گرمايي حس نمي کنيم؟…بله حس ميکنيم.دليلش هم که روشن است.برخورد مولکولهاي پر انرژي آب با بدنه سماور و انتقال انرژي خود به آن.هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور.اميدوارم تا اينجا پاسخ اولين مشکل اساسي بر سر راه همجوشي را دريافت کرده باشيد.بله اگر اگر با صرف هزينه و زحمت بالا سوخت را به دمايي معادل ميليونها درجه کلوين برسانيم آيا اين اتمها آنقدر صبر خواهند کرد تا با ديگر اتمها وارد واکنش شوند يا در اولين فرصت انرژي بالاي خود را به ديواره داده وآن را نا بود ميکند؟(...شما بوديد چه مي کرديد؟؟؟...).بنابر اين نياز به ((محصور سازي)) داريم; يعني بايد به طريقي اجازه ندهيم که اين گرما به ديواره منتقل شود.

رسيدن به دماي بالا

شروع واکنش همجوشي به دماي بسيار بالايي نيازمند است.درست است که دماي پانزده ميليون درجه دماي بسيار بالايست و تصور بوجود آوردنش روي زمين مشکل و کمي هم وحشتناک مي باشد ولي معمولا در زندگي روزمره دور و برمان دماهاي خيلي بالايي وجود دارند و ما از آنها غافليم.مثلا وقتي در اثر اتصالي سيمهاي برق داخل جعبه تقسيم ميسوزد وشما صداي جرقه آنرا ميشنويد و پس از بررسي متوجه مي شويد که کاملا ذوب شده فقط به خاطر دماي وحشتناکي بوده که آن تو به وجود آمده.شايد باور نکنيد ولي اين دما به حدود سي-چهل هزار درجه کلوين ميرسد.البته اين دما براي همجوشي حکم طفل ني سواري را دارد.يا اينکه مي توانيم با استفاده از ولتاژهاي بسيار بالا قوسهاي الکتريکي را از درون لوله هاي مويين عبور بدهيم.به اين ترتيب دماي هواي داخل لوله که اکنون به پلاسما تبديل شده به نزديک چند ميليون درجه مي رسد.(که باز هم براي همجوشي کم است).يکي از بهترين راهها استفاده از ليزر است.مي دانيد که ليزرهايي با توانهاي بسيار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعي از ليزر به نام ليزر نوا(NOVA)مي تواند در مدت کوتاهي انرژي اي معادل ده به توان پنج ژول توليد کند.اما بازهم در کنار هر مزيت معايبي هست.مثلا اين ليزر تبعا انرژي زيادي مصرف ميکند که حتي با صرف نظر از آن مشکل ديگري هست که ميگويد اگر انرژي توليدي ليزر در آن مدت کوتاه بايد تحويل داده بشود پس براي برقرار ماندن معيار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازي پايين آمده)بايد چگالي بالا تر برود.که در اين مورد از تراکم و چگالي جامد هم بالا تر ميرود.

انواع واکنشها

براي بهينه سازي کار رآکتورهاي همجوشي و افزايش توان خروجي آنها راههاي متعددي وجود دارد.يکي از اين راهها انتخاب نوع واکنشيست که قرار است در رآکتور انجام بشود.
ظبق تصوير زير نوعي از واکنش همجوشي بصورتيست که در آن دو هسته سبک با يکديگر واکنش داده و يک هسته سنگين تر را بوجود مياورند.يعني حاصل ترکيب دو هسته دوتريم و توليد يک هسته ترتيم به علاوه يک هسته هيدروژن معموليست. اين واکنش انرژي ده مي باشد.چون تفاوت انرژي بستگي هسته سنگين تر وهسته هاي سبکتر مقداري منفيست.
در اين واکنش مقدار انرژي اي توليدي برابر4MeVمي باشد.
قبلا گفته شد که بايد براي انجام همجوشي هسته ها به اندازه کافي به هم نزديک بشوند.اين مقدار کافي حدودا معادل3fmمي باشد.چون در اين فاصله ها انرژي پتانسيل الکترواسناتيکي دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس مي توانيم با اين مقدار انرژي دادن به يکي از دوترونها دافعه کولني بين دوترونها ر شکسته و واکنش را شروع کنيم که بعد از انجام مقدار4.5MeVتوليد مي شود.(0.5MeVانرژي جنبشي به علاوه 4MeVانرژي آزاد شده)
مي توانيم رآکتور خود را طوري طراحي کنيم که دور ديواره بيروني آن ليتيم مايع تحت فشار جريان داشته باشد.اين ليتيم مايع گرماي توليدي اضافي را از واکنش گرفته و به آب منتقل مي کند و با تبديل آن به بخار باعث مي شود که توربين و ژنراتور به حرکت درآيند و برق توليد بشود.

اما چرا ليتيم؟

قبلا ديديد که مقرون به صرفه ترين واکنش در رآکتور همجوشي واکنش دوتريم . ترتيم است.در اين واکنش ديديد که يک نوترون پر انرژي توليد مي شد.اين مساله يعني نوترون زايي مي تواند سبب تضعيف بخشهايي از رآکتور شود.از طرفي براي محيط زيست و مخصوصا سلامتي کساني که در اطراف رآکتور فعاليت مي کنند بسيار مضر است.اما اگر ليتيم را به عنوان خنک کننده داشته باشيم اين جريان ليتيم همچنين نقش مهم کند کنندگي را بازي خواهد کرد.به اين صورت که با نوترون اضافي توليد شده در واکنش ترکيب شده و سوخت گران قيمت و بسيار کمياب رآکتور رو که همان ترتيم است توليد مي کند.واکنش دقيق آن به شکل زير است.البته در اين مورد بايد ضخامت ليتيم مايع در جريان حداقل يک متر باشد.

انواع رآکتور

توکامک يکي از انواع رآکتورهاي همجوشي هسته ايست که عمل محصورسازي را به خوبي انجام ميدهد.طرح توکامک در دهه پنجاه ميلادي توسط روسها پيشنهاد شد. واژه توکامک از واژه هاي "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معني " اتاقک مغناطيسي چنبره اي" گرفته شده است.
يکي از دلايل و توجيحاتي که براي چنبره اي بودن محفظه هاي محصور سازي مي شود بيان کرد اين است که : توپ پر مويي را تصور کنيد که شما قصد داريد موهاي اين توپ را شانه بزنيد. شما هر طور و از هر طرف که بخواهيد اين کار بکنيد هميشه دو طرف از موهاي توپ شانه نشده و نامنظم باقي مي ماند.حال به جاي توپ فرض کنيد که يک کره مغناطيسي داريم .ميخواهيم که بردارهاي ميدان در سراسر اطراف اين کره يکنواخت و منظم باشند(در واقع همه در يک جهت باشند).بنا به مثال اين کار غير ممکن بوده ونا منظمي در دو طرف کره باعث عدم پايداري محصور ساز مي شود.ولي در يک محصور ساز چنبره اي چنين مشکلي وجود ندارد و يکنواختي ميدان سراسر محصور ساز(توکامک)باعث پايداري آن مي شود.مهم ترين و حياتي ترين وظيفه يک ابزار همجوشي پايدار نگه داشتن پلاسما است.

اسفرومک

اسفرومک نوع ديگري از رآکتورهاي همجوشيست که بر خلاف توکامک که چنبره ايست شکلي کروي دارد.البته تفاوت اسفرومک با توکامک در اين است که در مرکز اسفرومک هيچ جسم مادي اي وجود ندارد.
اسفرومک متاسفانه با بي مهري مواجه شد و به اندازه توکامک مورد توجه واقع نشد.در حالي که اسفرومک مدت زيادي بعد از توکامک اختراع شد.
در دهه گذشته اغلب تحقيقات در بخش انرژي همجوشي مغناطيسي روي توکامک چنبره اي شکل براي رسيدن به واکنشهاي همجوشي در سطح بالا متمرکز شده است.
کار توکامک در ايالات متحده وخارج آن ادامه دارد ولي سازمان دانشمندان انرژي همجوشي در حال بازديد از اسفرومک هستند.
قسمت زيادي از علاقه تجديد شده به پروژه اسفرومک روي تحقيقات فعالي در لاورنس ليورمور در گروهي به نام SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment) متمرکز شده است.SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمي با حضور نماينده اي از DOE و با همکاري دانشمنداني از Sandia و آزمايشگاه ملي لس آلاموس آغاز به کار کرد.SSPX يک سري از از آزمايشات است که براي اين طراحي شده که توانايي اسفرومک را در اين مورد که اسفرومک چقدر اين کيفيت را داراست که پلاسما هاي داغ سوخت همجوشي را درون خود داشته باشد مشخص کند .
به عقيده رهبر پروژه SSPX آقاي David Hill توکامک با دماي بالايي که در آن قابل دسترسيست (بيشتر از 100ميليون درجه سلسيوس که بارها بيشتر از دماي مرکز خورشيد است)فعلا برنده جريان رهبري پروژه هاي همجوشي به حساب مي آيد.با اين حال ميدانهاي مغناطيسي توکامک بوسيله کويل (سيم پيچ) هاي بيروني بسيار بزرگ که چنبره رآکتور را کاملا احاطه مي کنند توليد مي شوند.اين کويل هاي بسيار بزرگ هزينه بسيار زياد و بي نظمي و اختلالاتي در کار رآکتور خواهند داشت.
در حالي که اسفرومک ها پلاسماي بسيار داغ را در يک سيستم ميدان مغناطيسي ساده و فشرده که فقط از يک سري ساده از کويل هاي کوچک پايدار کننده استفاده ميکند بوجود مي آورد.ميدانهاي مغناطيسي قوي لازم درون پلاسما با چيزي که دينام مغناطيسي ناميده مي شود توليد مي شوند.

انرژي‌ده کردن

مي دانيد درنوعي از رآکتورهاي شکافت هسته اي بوجود آوردن زنجيره واکنشها بوسيله برخورد دادن يک نوترون پر انرژي با هسته يک اتم اورانيم235 انجام مي شود.به اين صورت که وقتي که اين نوترون وارد هسته اتم اورانيوم235 مي شود آن را به يک هسته اورانيم236 تبديل ميکند.از آنجا که اين هسته ناپايدار است به سرعت واپاشي مي کرده و اتمهاي سبکتري به همراه سه نوترون پر انرژي ديگر را توليد مي کند.
توضيح کاملتر اينکه در هسته هاي سنگين پايدار مثل اورانيوم بين نيروهاي الکترواستاتيکي که مايل هستند ذرات تشکيل دهنده اتم را از هم دور کنند و نيروي هسته اي که آنها را کنار هم نگه ميدارد تعادل بسيار حساسي وجود دارد که اين تعادل رو مي توانيم براحتي و به روشي که گفته شد به هم زده و واکنش شکافت هسته اي را شروع کنيم.واکنش حاصل از يک اتم با توليد کردن سه نوترون پر انرژي ديگر باعث ميشود سه اتم اورانيم ديگر وارد واپاشي بشوند.به همين ترتيب واکنش اصطلاحا زنجيره اي ميشود.
قدر مسلم يک رآکتور همجوشي ايده آل رآکتوريست که در آن واکنشهاي زنجيره اي داريم. در واقع هدف اساسي در راه ساخت رآکتور همجوشي هسته اي زنجيره اي کردن آن است.اگر قرار باشد که ما در اين راه انرژي صرف کنيم تا يک مقدار کمتر از آن را بدست بياوريم مطمئنا اين واکنش نه زنجيره ايست نه مفيد.دانشمندان اين رشته مفهومي به نام گيرانش را تعريف کرده اند که به معني اين است که مقداري انرژي صرف شروع واکنش کنيم و انرژي بيشتر از سلسله واکنشها بگيريم.در واقع در شرايط گيرانش واکنش زنجيره اي ميشود.يعني نه تنها انرژي توليدي يک واکنش براي انجام واکنش بعد کافيست بلکه مقدار زيادي از آن هم اضافه است وميتواند در اختيار ما براي توليد برق قرار بگيرد.
اگر بخواهيم توکامک يا هر وسيله ديگر که همجوشي در آن انجام مي شود توان مفيد داشته باشد يعني به ما انرژي بدهد بايد شرايط خاصي داشته باشد. براي آنکه احتمال برخورد ذرات(يونهاي) نامزد همجوشي بالا برود اولا بايد دماي خيلي بالايي درون آن توليد بشود و رآکتور هم بتواند بخوبي دماي بالا را تحمل کند.(اين دما در محدوده ده به توان هشت درجه کلوين مي باشد!)دوما رآکتور بايد اين توانايي را داشته باشد که درونش چگالي زياد از يونها را وارد کرد و سوم اينکه زمان محصور سازي در آن طولاني باشد.
دماي بالا براي آن است که بتوانيم تقريبا مطمئن باشيم که مي توانيم از سد محکم پتانسيل کولني هسته ها بگذريم.چگالي زياد هم براي اين است که هر چه بيشتر احتمال برخورد هاي کارا بالا برود.
در اين مسير قانوني وجود دارد که نام آن معيار لاوسون است.به کمک اين معيار مي شود محاسبه کرد که آيا شرايط طوري هست که واکنش به گيرانش برسد يا نه.
معيار لاوسن = بايد: مقدار چگالي*مدت زمان محصور سازي > ده به توان20ذره در متر مکعب باشد تا اين واکنش به گيرانش برسد(البته بستگي مستقيم با دماي پلاسما دارد)
اما به طور دقيق تر:
براي رسيدن به شرايط مطلوب درواکنشهاي گرما هسته اي که در آنها از سوخت دوتريم - ترتيم استفاده مي شود دماي پلاسما (T) بايد در محدوده يک الي سه ضرب در ده به توان هشت درجه کلوين و زمان محصورسازي(تي اي)(تي انديس E) بايد در حدود يک الي سه ثانيه و چگالي (n) بايد حوالي يک الي سه ضرب در ده به توان بيست ذره بر متر مکعب باشد.براي آغاز به کار رآکتور يعني براي رسيدن به کمينه دماي حدود ده به توان هشت کلوين بايد از وسيله گرما ساز کمکي استفاده کرد. بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما با ذرات آلفايي که در اثر احتراق اوليه بوجود اومده اند گرم شده و مي توانيم دستگاه کمکي را از مدار خارج کنيم.از آن به بعد سرعت فعاليتهاي همجوشي با افزايش دادن چگالي پلاسما افزايش پيدا مي کند.با اين وجود افزايش چگالي به بالاي مرزهاي تعيين شده و مطمئن به معني به هم خوردن پايداري پلاسما و يا اينکه خاموش شدن رآکتور را در پي خواهد داشت يا فاجعه.به عبارت ديگه (در صورت افزايش چگالي پلاسما) براي پايدار کردن پلاسما زمان محصور سازي و دماي احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پايداري پلاسما با افزايش چگالي بالا تر رفته و شرايط را براي کار سخت تر مي کند. به حالت تعادل در آوردن اين ملزمات با شکل بندي رآکتور در کوچکترين اسپکت ريتو که به شکل بندي مغناطيسي آن بستگي دارد مقدور ميشود.
نسبت R به a را اسپکت ريتو مي گويند.
منبع:bionuclear.mihanblog.org
/خ