انرژى هسته اى با توجه به ویژگى هاى حیرت انگیزش در آزادسازى حجم بالایى از انرژى در قبال از میان رفتن مقادیر ناچیزى از جرم، به عنوان جایگزین سوخت هاى پیرفسیلى که ناجوانمردانه در حال بلعیده شدن هستند، مطرح شده است. ایران نیز با وجود منابع گسترده نفت و گاز به دلیل کاربردهاى بهترى که سوخت هاى فسیلى نسبت به سوزانده شدن در کوره ها و براى تولید حرارت دارند، براى دستیابى به این نوع از انرژى تلاش هایى را از سال هاى دور داشته است و در سال هاى پس از انقلاب همواره مورد اتهام واقع شده که هدف اصلى اش نه فناورى صلح آمیز که رسیدن به فناورى تسلیحات هسته اى است.

در این گفتار پیش از آن که وارد مباحث متداول دیپلماتیک شویم نگاهى خواهیم انداخت به چرخه سوخت هسته اى و اجزاى تشکیل دهنده آن، همچنین مرز میان کاربرد صلح آمیز و تسلیحاتى را نشان خواهیم داد.چرخه سوخت هسته اى شامل مراحل استخراج، آسیاب، تبدیل، غنى سازى، ساخت سوخت باز تولید و راکتور هسته اى است و به یک معنا کشورى که در چرخه بالا به حد کاملى از خودکفایى و توسعه رسیده باشد با فناورى تولید سلاح هاى هسته اى فاصله چندانى ندارد.

استخراج

در فناورى هسته اى، خواه صلح آمیز باشد یا نظامى، ماده بنیادى موردنیاز، اورانیوم است. اورانیوم از معادن زیرزمینى و همچنین حفارى هاى روباز قابل استحصال است. این ماده به رغم آن که در تمام جهان قابل دستیابى است اما سنگ معدن تغلیظ شده آن به مقدار بسیار کمى قابل دستیابى است.

زمانى که اتم هاى مشخصى از اورانیوم در یک واکنش زنجیره اى دنباله دار که به دفعات متعدد تکرار شده، شکافته مى شود، مقادیر متنابهى انرژى آزاد مى شود، به این فرآیند شکافت هسته اى مى گویند. فرآیند شکاف در یک نیروگاه هسته اى به آهستگى و در یک سلاح هسته اى با سرعت بسیار روى مى دهد اما در هر دو حالت باید به دقت کنترل شوند. مناسب ترین حالت اورانیوم براى شکافت هسته اى ایزوتوپ هاى خاصى از اورانیوم 235 (یا پلوتونیوم 239) است. ایزوتوپ ها، اتم هاى یکسان با تعداد نوترون هاى متفاوت هستند. به هرحال اورانیوم 235 به دلیل تمایل باطنى به شکافت در واکنش هاى زنجیرى و تولید انرژى حرارتى به عنوان «ایزوتوپ شکافت» شناخته شده است. هنگامى که اتم اورانیوم 235 شکافته مى شود دو یا سه نوترون آزاد مى کند این نوترون ها با سایر اتم هاى اورانیوم 235 برخورد کرده و باعث شکاف آنها و تولید نوترون هاى جدید مى شود.براى روى دادن یک واکنش هسته اى به تعداد کافى از اتم هاى اورانیوم 235 براى امکان ادامه یافتن این واکنش ها به صورت زنجیرى و البته خودکار نیازمندیم. این جرم مورد نیاز به عنوان «جرم بحرانى» شناخته مى شود.باید توجه داشت که هر 1000 اتم طبیعى اورانیوم شامل تنها حدود هفت اتم اورانیوم 235 بوده و 993 اتم دیگر از نوع اورانیوم 238 هستند که اصولاً کاربردى در فرآیندهاى هسته اى ندارند.

تبدیل اورانیوم

سنگ معدن اورانیوم استخراج شده در آسیاب خرد و ریز شده و به پودر بسیار ریزى تبدیل مى شود. پس از آن طى فرآیند شیمیایى خاصى خالص سازى شده و به صورت یک حالت جامد به هم پیوسته که از آن به عنوان «کیک زرد» (yellow cake) یاد مى شود، درمى آید. کیک زرد شامل 70 درصد اورانیوم بوده و داراى خواص پرتوزایى (radioactive) است.

هدف پایه اى دانشمندان هسته اى از فرآیند غنى سازى افزایش میزان اتم هاى اورانیوم 235 است که براى این هدف اورانیوم باید اول به گاز تبدیل شود. با گرم کردن اورانیوم تا دماى 64 درجه سانتیگرادى حالت جامد به گاز هگزا فلوئورید اورانیوم (UFG) تبدیل مى شود. هگزافلوئورید اورانیوم خورنده و پرتوزا است و باید با دقت جابه جا شود، لوله ها و پمپ ها در کارخانه هاى تبدیل کننده به صورت ویژه اى از آلیاژ آلومینیوم و نیکل ساخته مى شوند. گاز تولیدى همچنین باید از نفت و روغن هاى گریس به جهت جلوگیرى از واکنش هاى ناخواسته شیمیایى دور نگه داشته شود.

غنى سازى

هدف غنى سازى مشخصاً افزایش میزان اورانیوم 235 _ ایزوتوپ شکافت _ است. اورانیوم مورد نیاز در مصارف صلح آمیز نظیر راکتورهاى هسته اى نیروگاه ها باید شامل دو تا سه درصد اورانیوم 235 باشد اما اورانیوم مورد نیاز در تسلیحات اتمى باید شامل بیش از نود درصد اورانیوم 235 باشد.شیوه متداول غنى سازى اورانیوم سانتریفوژ کردن گاز است. در این روش هگزافلوئورید اورانیوم در یک محفظه استوانه اى با سرعت بالا در شرایط گریز از مرکز قرار مى گیرد. این کار باعث جدا شدن ایزوتوپ هاى با جرم حجمى بالاتر از اورانیوم 235 مى شود (اورانیوم 238). اورانیوم 238 در طى فرآیند گریز از مرکز به سمت پائین محفظه کشیده شده و خارج مى شود، اتم هاى سبک تر اورانیوم 235 از بخش میانى محفظه جمع آورى و جدا مى شود. اورانیوم 235 تجمیع شده پس از آن به محفظه هاى گریز از مرکز بعدى هدایت مى شود. این فرآیند بارها در میان زنجیرى از دستگاه هاى گریز از مرکز در کنار هم چیده شده تکرار مى شود تا خالص ترین میزان اورانیوم بسته به کاربرد آن به دست آید.از اورانیوم غنى شده در دو نوع سلاح هسته اى استفاده مى شود یا به صورت مستقیم در بمب هاى اورانیومى و یا طى چند مرحله در بمب هاى پلوتونیومى مورد استفاده قرار مى گیرد.

بمب اورانیومى

هدف نهایى طراحان بمب هاى هسته اى رسیدن به یک جرم «فوق بحرانى» است که باعث ایجاد یک سرى واکنش هاى زنجیره اى به همراه تولید حجم بالایى از حرارت مى شود. در یکى از ساده ترین نوع طراحى این بمب ها یک جرم زیر بحرانى کوچک تر به جرم بزرگ ترى شلیک مى شود و جرم ایجاد شده باعث ایجاد یک جرم فوق بحرانى و به تبع آن یک سرى واکنش هاى زنجیره اى و یک انفجار هسته اى مى شود.کل این فرآیند در کمتر از یک دقیقه رخ مى دهد. براى ساخت سوخت براى یک بمب اورانیومى هگزافلوئورید اورانیوم فوق غنى شده در ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزى اورانیوم تبدیل مى شود. میزان انرژى آزاد شده ناشى از شکافت هسته اى را به کمک یک فناورى تقویتى افزایش مى دهند. این فناورى شامل کنترل و به کارگیرى خواص همجوشى یا گداخت هسته اى است.در همجوشى هسته اى ما شاهد به هم پیوستن ایزوتوپ هایى از هیدروژن و پس از آن تشکیل یک اتم هلیوم هستیم. به دنبال این واکنش مقادیر قابل توجهى گرما و فشار آزاد مى شود. از سوى دیگر همجوشى هسته اى سبب تولید نوترون هاى بیشتر و تغذیه واکنش شکافت شده و انفجار بزرگ ترى را ترتیب مى دهد.

برخى تجهیزات این فناورى تقویتى به عنوان بمب هیدروژنى و سلاح هاى هسته اى _ حرارتى (Thermonuclear) شناخته مى شوند.

راکتورهاى هسته اى

راکتورها داراى کاربردهاى کاملاً دوگانه هستند. در مصارف صلح آمیز با بهره گیرى از حرارت تولیدى در شکافت هسته اى کار مى کنند. این حرارت جهت گرم کردن آب، تبدیل آن به بخار و استفاده از بخار براى حرکت توربین ها بهره گرفته مى شود. همچنین اگر قصد ساخت بمب هاى پلوتونیومى در کار باشد نیز اورانیوم غنى شده را به راکتورهاى هسته اى منتقل مى کنند.در نوع خاصى از راکتورهاى هسته اى از اورانیوم غنى شده به شکل قرص هایى به اندازه یک سکه و ارتفاع یک اینچ بهره مى گیرند. این قرص ها به صورت کپسول هاى میله اى شکل صورت بندى شده و درون یک محفظه عایق، تحت فشار قرار داده مى شوند.

در بسیارى از نیروگاه هاى هسته اى این میله ها جهت خنک شدن درون آب غوطه ور هستند. روش هاى دیگر خنک کننده نیز نظیر استفاده از دى اکسیدکربن یا فلز مایع هستند. براى کارکرد مناسب یک راکتور _ مثلاً تولید حرارت با کمک واکنش شکافت _ هسته اورانیومى باید داراى جرم فوق بحرانى باشد، این بدین معناست که مقدار کافى و مناسبى از اورانیوم غنى شده جهت شکل گیرى یک واکنش زنجیرى خود به خود پیش رونده موردنیاز است.براى تنظیم و کنترل فرآیند شکافت میله هاى کنترل کننده از جنس موادى نظیر گرافیت با قابلیت جذب نوترون هاى درون راکتور وارد محفظه مى شوند. این میله ها با جذب نوترون ها باعث کاهش شدت فرآیند شکافت مى شوند.

در حال حاضر بیش از چهارصد نیروگاه هسته اى در جهان وجود دارند و 17 درصد الکتریسیته جهان را تولید مى کنند. راکتورها همچنین در کشتى ها و زیردریایى ها کاربرد دارند.

بازپردازش

بازپردازش یک عملیات شیمیایى است که سوخت کارکردى را از زباله هاى اتمى جدا مى کند.در این عملیات میله سوخت مصرف شده، غلاف بیرونى فلزى خود را در قبال حل شدن در اسیدنیتریک داغ از دست مى دهد.محصولات این عملیات که در راکتور مورد استفاده دوباره قرار مى گیرد، شامل 96 درصد اورانیوم، سه درصد زباله اتمى به شدت پرتوزا و یک درصد پلوتونیوم است.همه راکتورهاى هسته اى پلوتونیوم تولید مى کنند اما انواع نظامى آنها به صورت کاملاً بهینه ترى نسبت به سایر انواع راکتور این کار را انجام مى دهند. یک واحد بازپردازش و یک راکتور جهت تولید مقدار کافى پلوتونیوم مى توانند به صورت نامحسوسى در یک ساختمان عادى جاسازى شوند.این مسئله باعث مى شود استخراج پلوتونیوم با کمک بازپردازش به گزینه اى جذاب براى هر کشورى که به دنبال برنامه هاى غیرقانونى سلاح هاى اتمى است، تبدیل شود.

بمب پلوتونیوم

پلوتونیوم مزیت هاى متعددى نسبت به اورانیوم به عنوان جزیى از سلاح هاى اتمى دارد. تنها حدود چهار کیلوگرم پلوتونیوم براى ساخت یک بمب موردنیاز است، همچنین براى تولید 12 کیلوگرم پلوتونیوم در هر سال تنها به یک واحد کوچک بازپردازش نیاز است. یک کلاهک هسته اى شامل یک کره پلوتونیوم، احاطه شده توسط پوسته اى از فلز، مثلاً بریلیوم، است که نوترون ها را به فرآیند شکاف بازمى گرداند. این مسئله باعث مى شود مقدار کمترى پلوتونیوم براى رسیدن به جرم بحرانى و ایجاد یک واکنش شکافت زنجیره اى مورد نیاز باشد. به هرحال یک گروه تروریستى براى دسترسى به پلوتونیوم از راکتورهاى هسته اى غیرنظامى داراى مشکلات کمترى نسبت به دسترسى به اورانیوم غنى شده جهت ایجاد یک انفجار هسته اى هستند.کارشناسان معتقدند که بمب هاى عمل آورى شده پلوتونیوم مى تواند با تخصصى کمتر از آنچه که توسط فرقه «آئوم» در حمله با گاز اعصاب به مترو توکیو(1995) به کار گرفته شد، طراحى و جمع آورى شود.

یک انفجار هسته اى از این نوع مى تواند با نیروى معادل یکصد تنى TNT منفجر شود؛ بیست بار قوى تر از بزرگ ترین حمله تروریستى تاریخ!

آیا الکترونها واقعاً سیاره هایی کوچک هستند؟ تا کنون مشاهد ه کردیم که د ر اتم هیدروژ الکترون هسته اتم را در داخلی ترین مدار ممکن ترقریبا در فاصله دقیقف 5 میلیارددم سانیتمتر از هسته دور می زدند فاصله دقیق الکترون هیدروژن از هسته در نمودار موسوم به "الگوی اتمی بوهر " ،9- 10×29/5 سانتیمتر ذکرشده است از سوی دیگر مشاهده شد که مقایسه اتم به منظومه شمسی مقایسه ای کامل نیست .البته این درست است که الکترون فقط درترازهای انرژی در الگوی مداری (سیاره ای ) شامل مدارهای 1،2،3 می شوند ..ولی با وجود این یک الکترون در پایین ترین تراز انرژی هیچ گاه در همه اوقات دقیقاً 29/5 میلیارددم سانتیمتر از هسته دورنخواهد بود و این رقم فقط ارزش میانگن است .

اگر محدوده دور هسته اتم را به سه منطقه تقسیم کنیم :

منطقه 1: گلوله ای باشعاع 5 میلیارددم سانتیمتر ،منطقه 2: شامل تمام فواصل بین 5الی 10 میلیارددم سانتیمتر و منطقه 3: شامل بقیه محدوه هسته اتم خواهد بود .سپس مشخص می شود که درحالت عادی د ر32% ار اتمها ،الکترون درمنطقه 1، در 44%ازاتمها در منطقه 2و در 24%از اتمها در منطقه 3 قرار دارد . در هر اتم معین فقط با درصدی از احتمال می توان گفت که الکترون درحال حاضر در کجا قرار دارد . مثلامی توان گفت احتمال اینکه الکترون درمنطقه 1باشد 32%است اگر چه الگوی مداری کامل نیست ولی ه به هر حال برای قدمهای اولیه و بیساری از تفکرات ساده درباره اتم نمونه ای عملی است و به خاطر همین ما در این کتاب چند با ر دیگر هم از این الگو استفاده خواهیم کرد. درحقیقت هیچ گاه نباید فراموش کرد که انسان رفتار طبیعت در "قلمروعلوم اتمی" را به هر حال نمی تواند به طورکامل در ک کند و ذهنیت ببخشد بلکه قادر است فقط قسمتهایی از خصوصیات آنها را به صورت الگو و مدل و نمودار مجسم کند که البته هیچ گاه خصوصیات کامل آنها را در بر نخواهد گرفت .
ماهیت موجی و ذره الی نو را به خاطر بیاورید همان طورکه تئوری موجی نور تمام خصوصیات نور را توضیح نمی دهد الگوی مداری اتمها هم نمی تواندتمام تمام ماهیت آنها را بیان کند.

هسته اتم از چه تشکیل شده است ؟

هسته اتم از دو نوع ذره که "پرو تون " و "نوترون" نامیده می شوند تشکیل شده است هر دو ذره تقریبا حدود 2000 بار سنگین تر از الکتر ون هستند درحالی که "پروتون "بار الکتر یکی مثبت دارد این بار دارای ارزش عددی معادل بارمنفی الکترون است "نوترون "همان طور که از نامش پیداست خنثی است و به عبارت دیگر دارای بار الکتریکی نمی باشد .
پروتونها و نوترونها "نوکلئون" نیز نامیده می شوند که به معنای سنگ بنای هسته است . ارزش بار الکتریکی الکترونها و پرو تو نها "با ر بنیادی " نامیده می شود .
تعدادپرتونهای یک هسته مشخص می کند که این هسته به کدام عنصر شیمیایی تعلق دارد مثلا اتمهای هیدروژن یکپرتونکربن 6و اتمهای اورانیوم 922پرتون درهسته های خود دارند. تعداد نوترونها دریک عنصر معین می تواند متغیرباشد مثلا هسته های اتم هیدروژن با صفر ،یک یا دو نوترون وجود دارد که به اصطلاح ایرو تو پ های هیدروژن نامیده می شوند .

اگریک هسته اتم فر ضاَ 6پروتون مثبت داشته باشد 6الکترون منفی به دور آن در گردش خواهند بود به طوری که آن اتم درمجموع از نظر الکتریکی خنثی می باشد .
اگر در این اتم یک الکترون از دست برود در نتیجه 6پروتون در مقابل 5الکترون وجود خواهد داشت آنگاه گفته می شود که این اتم دارای بار الکتریکی 1+ مثبت خواهد بود . این اتمهای بار دار را آیون می خوانند.
بسیاری از هسته های اتمی به صورت هسته های سبکتر فر و می باشند و از این طریق اشعه آلفا (هسته های هلیوم)، اشعیه بتا (الکترونها) یا اشعه گاما(فوتونها ) را از خود آزاد کرده متشر می نمایند این رفتار یا خاصیت را رادیو اکتیویته می نامند .

 
کلمه "اگزایمر" از عبارت "دیمر تحریک شده" بدست آمده است که بدین معنی است که یک مولکول دو اتمی وقتی در حالت تحریکی واقع است پایدار است و در حالت پایه ناپایدار است. چنین مواردی مشخصا عباتند از هالوژنهای گاز نادر مانند ArF ، KrF و XeCl. اگر نمودار انرژی بر حسب فاصله بین مولکلی را برای حالت پایه یک مولکول معمولی رسم کنیم منحنی با یک انرژی مینیمم در حالت جدایی در حالت پایه مولکول بدست می‌آوریم. چنین منحنی‌هایی را می‌توان برای حالتهای تحریکی بدست آورد. ولی برای دیمرها گر چه حالتهای تحریکی دارای مینیمم است ولی حالت پایه دارای مینیمم نیست.

ایجاد جمعیت معکوس

بطور وضوح در حالت تعادل مولکولهای کمی در حالت پایه وجود دارند و مولکولها ناپایدارند. از اینرو نمی‌توان تحریک را مستقیم از حالت پایه بدست آورد. چندین امکان برای تحریک غیر مستقیم در تخلیه وجود دارد. برای مثال در ArF مراحل زیر اتفاق می‌افتد. ابتدا برخورد الکترونی داریم:

یونهای منفی با یونهای مثبت موجود مولکول تحریک شده را تولید می‌کنند:

با وجود این راه غیر مستقیم ، چنین واکنشهایی می‌تواند در تحریک کردن مولکولهای دیمر بسیار مؤثر باشد. به دلیل جمعیت کم در حالت پایه ، جمعیت معکوس به راحتی حاصل می‌شود. حتی وقتی که لیزر در حال کار است جمعیت حالت پایه خالی باقی می‌ماند، به دلیل آنکه حالت پایه ناپایدار است. به محض آنکه مولکول در حالت پایه قرار می‌گیرد اتمها به سرعت از یکدیگر جدا می‌شوند و مولکول تجزیه می‌شود.

فرآیند دمش

برای دمش این لیزرها تخلیه الکتریکی ، پرتوهای الکترونی و حتی پرتوهای فوتونی بکار می‌روند، گر چه در لیزرهای تجارتی معمولا از روش تخلیه الکتریکی استفاده می‌شود. دمش بسیار قوی به منظور ایجاد واکنشهای فوق مورد نیاز است که منجر به عمل لیزر به صورت ضربانی می‌شود. تجهیزاتی مانند آنچه در لیزر ازت به منظور دمش لیزر مورد نیاز است. بعضی از مواقع با استفاده از پرتوهای ماوراء بنفش و یا پرتوهای ایکس گازی محفظه تخلیه ابتدا کمی یونیزه می شود که تخلیه الکتریکی را بعدا سرعت می بخشد. غالبا تجهیزاتی نیز به منظور تعویض نوع گاز و تغییر طول موج لیزر نیز ساخته می‌شود. در هر صورت ضروری است بطور منظم گاز داخل محفظه لیزر تعویض شود تا از کاهش و تغییر خروجی لیزر ممانعت شود. لازم به توضیح است که بعضی از این مواد بخصوص گاز فلوئور سمی است.

توان و بازه فرکانسی

تعداد نسبتا زیادی لیزرهای اگزایمر ساخته شده‌اند که ناحیه طول موجهای 120 تا 500 نانومتر را در بر می‌گیرند. بعضی از آنها به خصوص XeF و KrF دارای کارآیی مؤثر 15-10% می‌باشند. توان ماکزیمم تا 1 ژول با توان متوسط حدود 200 وات قابل حصول است. چنین ضربانهای با توان بالا به خصوص جهت دمش لیزرهای رنگی مورد نیاز است.

از دیرباز آرزوی بشر دستیابی به منبعی از انرژی بوده که علاوه بر آنکه بتواند مدت مدیدی از آن استفاده کند تولید پسماندهای خطر ناک نیز در پی نداشته باشد.اکنون در هزاره سوم میلادی این آرزوی به ظاهر دست نیافتنی کم کم به واقعیت می پیوندد.اکنون بشر خود را آماده می کند تا با ساخت اولین رآکتور گرما هسته ای (همجوشی هسته ای)آرزوی نیاکان خود را تحقق بخشد.سوختی پاک و ارزان به نام هیدروژن,انرژی تولیدی ای سرشار و پسماندی بسیار پاک به نام هلیوم.

اکنون می پردازیم به واکنشهای گرما هسته ای راهکارهای استفاده از آن.

خورشید و ستارگان:

سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می کند کشف کرده اند.این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم.اما مشکلی سر راه این نظریه است.

بالا ترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان6 می باشد.در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می رسد.به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی وتولید یک اتم هلیم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می شود.بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه می دارد.منظور از چرخه کربن آن چرخه ای نیست که روی زمین اتفاق می افتد.بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم کربنC12ترکیب می شود(همجوشی) و یک اتم N13 به علاوه یک واحد گاما را آزاد می کند.بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتمC13به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو تبدیل می شود.بعد اینC13دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می شود وN14و یک واحد گاما حاصل می شود.دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتمO15و یک واحد گاما تولید می شود.O15واپاشی کرده و N15به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو را بوجود میاورد.و دست آخر با ترکیب N15با یک هیدروژن معمولیC12به علاوه یک اتم هلیوم بدست می آید.

دیدید که در این چرخه C12نه مصرف شد و نه به وجود آمد بلکه فقط نقش کاتالیزور را داشت.این واکنشها به ترتیب و پشت سر هم انجام می شوند.و واکنش اصلی همان تبدیل چهار اتم هیدروژن به یک اتم هلیوم است.مزیت چرخه کربن این است که سرعت کار را خیلی بالا می برد. ولی اشکالی که دارد این است که در دمای حد اقل20 ضرب در ده به توان6 شروع می شود.بنا بر این احتمال زیادی میرود که در ستاره های بزرگتر چرخه کربن باعث تولید انرژی می شود.

محصور سازی

یک تعریف ساده و پایه ای از همجوشی عبارت است از فرو رفتن هسته های چند اتم سبکتر و تشکیل یک هسته سنگینتر.مثلا واکنش کلی همجوشی که در خورشید رخ میدهد عبارت است از برخورد هسته های چهاراتم هیدروژن وتبدیل آنها به یک اتم هلیوم .

تا اینجا ساده به نظر میرسد ولی مشکلی اساسی سر راه است;می دانیدهسته ازذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون ونوترون جزءلاینفک آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون بابارمثبت که سایربارهای مثبت رابه شدت ازخودمیراند.مشکل مشخص شد؟ بله…اگرپروتونها(هسته های هیدروژن)یکدیگررادفع میکنندچگونه میتوان آنهارادرهمجوشی شرکت داد؟

همانطورکه حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتونهاآنقدرانرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنهابیشترازنیروی دافعه کولنی آنهاشود و پروتونها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند.حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟گرما راه حل خوبیست.در اثر افزایش دما جنب و جوش وبه عبارت دیگرانرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر میشود به طوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر میشود.به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر,مسئله اساسیتری سر راه است.

یک سماور پر از آب را تصور کنید.وقتی سماور را روشن می کنید با این کار به آب درون سماور گرما میدهید(انرژی منتقل می کنید).در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می رود و به عبارتی جنب و جوش مولکولهای آب زیاد می شود.در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید می آید.هر مولکول که از شعله(یا المنت یا هر چیز دیگری)مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش می کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب)انرژی خود رابه دیگری بدهد.مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد.بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می شود و دمای آب بالا میرود.خوب یک سوال:آیا وقتی بدنه سماور را لمس می کنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟…بله حس میکنیم.دلیلش هم که روشن است.برخورد مولکولهای پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن.هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور.امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید.بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیونها درجه کلوین برسانیم آیا این اتمها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده وآن را نا بود میکند؟(...شما بودید چه می کردید؟؟؟...).بنابر این نیاز به ((محصور سازی))داریم;یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود.

رسیدن به دمای بالا:

شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایست و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می باشد ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم.مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم میسوزد وشما صدای جرقه آنرا میشنوید و پس از بررسی متوجه می شوید که کاملا ذوب شده فقط به خاطر دمای وحشتناکی بوده که آن تو به وجود آمده.شاید باور نکنید ولی این دما به حدود سی-چهل هزار درجه کلوین میرسد.البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد.یا اینکه می توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله های مویین عبور بدهیم.به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می رسد.(که باز هم برای همجوشی کم است).یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است.می دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعی از لیزر به نام لیزر نوا(NOVA)می تواند در مدت کوتاهی انرژی ای معادل ده به توان پنج ژول تولید کند.اما بازهم در کنار هر مزیت معایبی هست.مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف میکند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که میگوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده)باید چگالی بالا تر برود.که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالا تر میرود.

انواع واکنشها:

برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشیست که قرار است در رآکتور انجام بشود.

ظبق تصویر زیر نوعی از واکنش همجوشی بصورتیست که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین تر را بوجود میاورند.یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولیست. این واکنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبکتر مقداری منفیست.

در این واکنش مقدار انرژی ای تولیدی برابر4MeVمی باشد.

قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند.این مقدار کافی حدودا معادل3fmمی باشد.چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الکترواسناتیکی دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها ر شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدار4.5MeVتولید می شود.(0.5MeVانرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده)

همانطور که می بینید بهترین گزینه واکنش سوم می باشد

می توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می کند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود که توربین و ژنراتور به حرکت درآیند و برق تولید بشود.

اما چرا لیتیم؟

قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در رآکتور همجوشی واکنش دوتریم . ترتیم است.در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می شد.این مساله یعنی نوترون زایی می تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود.از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می کنند بسیار مضر است.اما اگر لیتیم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد.به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان ترتیم است تولید می کند.واکنش دقیق آن به شکل زیر است.البته در این مورد باید ضخامت لیتیم مایع در جریان حداقل یک متر باشد.

انواع رآکتور:

توکامک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هسته ایست که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد.طرح توکامک در دهه پنجاه میلادی توسط روسها پیشنهاد شد.کلمه توکامک از کلمات "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره ای" گرفته شده است.

یکی از دلایل و توجیحاتی که برای چنبره ای بودن محفظه های محصور سازی می شود بیان کرد این است که : توپ پر مویی را تصور کنید که شما قصد دارید موهای این توپ را شانه بزنید. شما هر طور و از هر طرف که بخواهید این کار بکنید همیشه دو طرف از موهای توپ شانه نشده و نامنظم باقی می ماند.حال به جای توپ فرض کنید که یک کره مغناطیسی داریم .میخواهیم که بردارهای میدان در سراسر اطراف این کره یکنواخت و منظم باشند(در واقع همه در یک جهت باشند).بنا به مثال این کار غیر ممکن بوده ونا منظمی در دو طرف کره باعث عدم پایداری محصور ساز می شود.ولی در یک محصور ساز چنبره ای چنین مشکلی وجود ندارد و یکنواختی میدان سراسر محصور ساز(توکامک)باعث پایداری آن می شود.مهم ترین و حیاتی ترین وظیفه یک ابزار همجوشی پایدار نگه داشتن پلاسما است.

اسفرومک نوع دیگری از رآکتورهای همجوشی هسته ایست.

اسفرومک نوع دیگری از رآکتورهای همجوشیست که بر خلاف توکامک که چنبره ایست شکلی کروی دارد.البته تفاوت اسفرومک با توکامک در این است که در مرکز اسفرومک هیچ جسم مادی ای وجود ندارد.

اسفرومک متاسفانه با بی مهری مواجه شد و به اندازه توکامک مورد توجه واقع نشد.در حالی که اسفرومک مدت زیادی بعد از توکامک اختراع شد.

در دهه گذشته اغلب تحقیقات در بخش انرژی همجوشی مغناطیسی روی توکامک چنبره ای شکل برای رسیدن به واکنشهای همجوشی در سطح بالا متمرکز شده است.

کار توکامک در ایالات متحده وخارج آن ادامه دارد ولی سازمان دانشمندان انرژی همجوشی در حال بازدید از اسفرومک هستند.

قسمت زیادی از علاقه تجدید شده به پروژه اسفرومک روی تحقیقات فعالی در لاورنس لیورمور در گروهی به نام SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment) متمرکز شده است.SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمی با حضور نماینده ای از DOE و با همکاری دانشمندانی از Sandia و آزمایشگاه ملی لس آلاموس آغاز به کار کرد.SSPX یک سری از از آزمایشات است که برای این طراحی شده که توانایی اسفرومک را در این مورد که اسفرومک چقدر این کیفیت را داراست که پلاسما های داغ سوخت همجوشی را درون خود داشته باشد مشخص کند .

به عقیده رهبر پروژه SSPX آقای David Hill توکامک با دمای بالایی که در آن قابل دسترسیست (بیشتر از 100میلیون درجه سلسیوس که بارها بیشتر از دمای مرکز خورشید است)فعلا برنده جریان رهبری پروژه های همجوشی به حساب می آید.با این حال میدانهای مغناطیسی توکامک بوسیله کویل (سیم پیچ) های بیرونی بسیار بزرگ که چنبره رآکتور را کاملا احاطه می کنند تولید می شوند.این کویل های بسیار بزرگ هزینه بسیار زیاد و بی نظمی و اختلالاتی در کار رآکتور خواهند داشت.

در حالی که اسفرومک ها پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویل های کوچک پایدار کننده استفاده میکند بوجود می آورد.میدانهای مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می شود تولید می شوند.

انرژی ده کردن:

می دانید درنوعی از رآکتورهای شکافت هسته ای بوجود آوردن زنجیره واکنشها بوسیله برخورد دادن یک نوترون پر انرژی با هسته یک اتم اورانیم235 انجام می شود.به این صورت که وقتی که این نوترون وارد هسته اتم اورانیوم235 می شود آن را به یک هسته اورانیم236 تبدیل میکند.از آنجا که این هسته ناپایدار است به سرعت واپاشی می کرده و اتمهای سبکتری به همراه سه نوترون پر انرژی دیگر را تولید می کند. توضیح کاملتر اینکه در هسته های سنگین پایدار مثل اورانیوم بین نیروهای الکترواستاتیکی که مایل هستند ذرات تشکیل دهنده اتم را از هم دور کنند و نیروی هسته ای که آنها را کنار هم نگه میدارد تعادل بسیار حساسی وجود دارد که این تعادل رو می توانیم براحتی و به روشی که گفته شد به هم زده و واکنش شکافت هسته ای را شروع کنیم.واکنش حاصل از یک اتم با تولید کردن سه نوترون پر انرژی دیگر باعث میشود سه اتم اورانیم دیگر وارد واپاشی بشوند.به همین ترتیب واکنش اصطلاحا زنجیره ای میشود.

قدر مسلم یک رآکتور همجوشی ایده آل رآکتوریست که در آن واکنشهای زنجیره ای داریم. در واقع هدف اساسی در راه ساخت رآکتور همجوشی هسته ای زنجیره ای کردن آن است.اگر قرار باشد که ما در این راه انرژی صرف کنیم تا یک مقدار کمتر از آن را بدست بیاوریم مطمئنا این واکنش نه زنجیره ایست نه مفید.دانشمندان این رشته مفهومی به نام گیرانش را تعریف کرده اند که به معنی این است که مقداری انرژی صرف شروع واکنش کنیم و انرژی بیشتر از سلسله واکنشها بگیریم.در واقع در شرایط گیرانش واکنش زنجیره ای میشود.یعنی نه تنها انرژی تولیدی یک واکنش برای انجام واکنش بعد کافیست بلکه مقدار زیادی از آن هم اضافه است ومیتواند در اختیار ما برای تولید برق قرار بگیرد.

اگر بخواهیم توکامک یا هر وسیله دیگر که همجوشی در آن انجام می شود توان مفید داشته باشد یعنی به ما انرژی بدهد باید شرایط خاصی داشته باشد. برای آنکه احتمال برخورد ذرات(یونهای) نامزد همجوشی بالا برود اولا باید دمای خیلی بالایی درون آن تولید بشود و رآکتور هم بتواند بخوبی دمای بالا را تحمل کند.(این دما در محدوده ده به توان هشت درجه کلوین می باشد!)دوما رآکتور باید این توانایی را داشته باشد که درونش چگالی زیاد از یونها را وارد کرد و سوم اینکه زمان محصور سازی در آن طولانی باشد.

دمای بالا برای آن است که بتوانیم تقریبا مطمئن باشیم که می توانیم از سد محکم پتانسیل کولنی هسته ها بگذریم.چگالی زیاد هم برای این است که هر چه بیشتر احتمال برخورد های کارا بالا برود.

در این مسیر قانونی وجود دارد که نام آن معیار لاوسون است.به کمک این معیار می شود محاسبه کرد که آیا شرایط طوری هست که واکنش به گیرانش برسد یا نه.

معیار لاوسن = باید: مقدار چگالی*مدت زمان محصور سازی > ده به توان20ذره در متر مکعب باشد تا این واکنش به گیرانش برسد(البته بستگی مستقیم با دمای پلاسما دارد)

اما به طور دقیق تر:

برای رسیدن به شرایط مطلوب درواکنشهای گرما هسته ای که در آنها از سوخت دوتریم - ترتیم استفاده می شود دمای پلاسما (T) باید در محدوده یک الی سه ضرب در ده به توان هشت درجه کلوین و زمان محصورسازی(تی ای)(تی اندیس E) باید در حدود یک الی سه ثانیه و چگالی (n) باید حوالی یک الی سه ضرب در ده به توان بیست ذره بر متر مکعب باشد.برای آغاز به کار رآکتور یعنی برای رسیدن به کمینه دمای حدود ده به توان هشت کلوین باید از وسیله گرما ساز کمکی استفاده کرد.بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما باذرات آلفایی که در اثر احتراق اولیه بوجود اومده اند گرم شده و می توانیم دستگاه کمکی را از مدار خارج کنیم.از آن به بعد سرعت فعالیتهای همجوشی با افزایش دادن چگالی پلاسما افزایش پیدا می کند.با این وجود افزایش چگالی به بالای مرزهای تعیین شده و مطمئن به معنی به هم خوردن پایداری پلاسما و یا اینکه خاموش شدن رآکتور را در پی خواهد داشت یا فاجعه.به عبارت دیگه (در صورت افزایش چگالی پلاسما) برای پایدار کردن پلاسما زمان محصور سازی و دمای احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پایداری پلاسما با افزایش چگالی بالا تر رفته و شرایط را برای کار سخت تر می کند.به حالت تعادل در آوردن این ملزمات با شکل بندی رآکتور در کوچکترین اسپکت ریتو که به شکل بندی مغناطیسی آن بستگی دارد مقدور میشود.

نسبت R به a را اسپکت ریتو می گویند.

واقعیت:

ITERاسم مجموعه ایست که اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکامک خواهد بود در فرانسه خواهند ساخت.این مجموعه متشکل است از کشورهای: روسیه اروپا ژاپن کانادا چین ایالات متحده و جمهوری کره. آنها در این راه از فوق هادی ها برای قسمت های مغناطیسی رآکتور استفاده می کنند.توان خروجی این توکامک 410 مگا وات خواهد بود.