چهارشنبه ۰۴ تیر ۰۴ ۱۷:۱۳ ۰ بازديد
انرژی‌های مدرن از هسته ای تا لیزر و همجوشی هیدروژن
هر راکتور آبی فشرده ۱۰۰۰ مگاواتی سالانه در حدود ۲۷ تن اورانیوم (حدود ۱۸ میلیون قرص سوخت در بیش از ۵۰ هزار میله سوخت) می‌خواهد. در مقابل، نیروگاه ذغال‌سنگ با اندازه‌ای برابر، نیاز به بیش از ۲/۵ میلیون تن ذغال‌سنگ برای تولید همان مقدار برق دارد.
اگر بخواهیم راکتوری را راه‌اندازی کنیم، به ۳ درصد اورانیوم غنی شده ۲۳۵ نیاز داریم. در این صورت، مقدار اورانیوم ۲۳۸ به ۹۷ درصد کاهش می‌یابد. بنابراین، برای رسیدن به سوخت راکتور باید مقدار اورانیوم ۲۳۸ در اورانیوم طبیعی کاهش و مقدار اورانیوم ۲۳۵ در آن افزایش یابد. به فرایند افزایش ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ و کاهش ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ در اورانیوم طبیعی، غنی‌سازی اورانیوم گفته میشود.
سه روش غنی سازی اورانیوم عبارتند از:
１. روش نفوذ گازی
２. سانتریفیوژ گازی
３. فرآیند لیزری
روش نفوذ گازی در غنی سازی اورانیوم
گازِ غنی سازی شده اورانیوم هگزافلورید ۲۳۵ را با روش نفوذ گازِ، از گاز سنگین تر اورانیوم هگزافلورید ۲۳۸ جدا میکنند:
در محفظه ای سرعت نفوذ گازها به هنگام عبور از غشای نفوذ با یکدیگر تفاوت خواهد داشت. در نتیجه، سرعت نفوذ گازِ سبک‌ترِ اورانیوم هگزافلورید ۲۳۵ بیشتر از سرعت نفوذ گازِ سنگین‌ترِ اورانیوم هگزافلورید ۲۳۸ خواهد بود. انتهای محفظه دو لوله برای خروج گازها تعبیه شده است:
سانتریفیوژ های گازی هسته ای یکی از ابزارهای لازم در فرآیند غنی سازی اورانیوم است. امروزه برای غنی سازی از فرآیندهای لیزری استفاده میکنند که نسبت به روش با استفاده از سانتریفیوژها بروزتر است.
روش سانتریفیوژ از نیروی گریز از مرکز برای جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیوم استفاده میکند و روش لیزر با استفاده از لیزر، ایزوتوپ‌های ۲۳۵ را باردار کرده و با میدان مغناطیسی جدا میکند.
پروژه غنی‌سازی لیزری، نه‌فقط یک پیشرفت فناورانه، بلکه یک گام استراتژیک در جهت استقلال انرژی، توسعه انرژی پاک و تقویت امنیت ملی به شمار می‌رود. با رشد تقاضا برای سوخت‌های هسته‌ای با عیار بالا، به‌ویژه در رآکتورهای نسل جدید، این فناوری میتواند نقشی کلیدی در آینده انرژی جهان ایفا کند.
هلیوم در واکنشهای هسته‌ای و ستارگان چطور بوجود می اید؟
در واکنشهای سوخت هسته‌ای، اتم هیدروژن (H) با استفاده از نوترون (N13) و یا از طریق واکنشهای پروتون-پروتون، به اتم هلیم تبدیل میشود.
سوختن هیدروژن منبع انرژی همجوشی ستاره ها را تامین می کند و منجر به تشکیل هلیوم (He) می شود.
در اخترفیزیک، برخلاف قراردادهای شیمی، هر عنصری به جز هیدروژن و هلیوم را فلز می نامند. بنابراین در اخترفیزیک به غیر فلزات مانند کربن، نیتروژن، اکسیژن و غیره همه فلز گفته می شود. این فقط یک قرارداد به دلیل فراوانی نسبی دو عنصر اول است. در ابتدا ستارگان زندگی خود را با همجوشی هیدروژن آغاز می کنند. در این مقاله ما نه تنها به بررسی واکنش ها می پردازیم بلکه تا جای ممکن به تکامل ستارگان هم اشاره می کنیم.
همه عناصر جدول تناوبی در انفجار بزرگ(هیدروژن، هلیوم و لیتیوم)، یا از طریق انواع فرآیندهای هسته‌ای که در ستارگان(تا آهن و نیکل) و بقایای ستاره ای و ابرنواخترها(عناصر سنگین تر آهن) پدید می آیند،به علاوه با روش های دیگری که توسط بشر در آزمایشگاه استفاده می شود می توان نزدیک به صد عنصر جدول تناوبی را تولید کرد. تنها هشت فرآیند وجود دارد که چه به طور طبیعی و چه بوسیله دست بشر، که همه این عناصر را ایجاد می کنند
در ستارگان، دو واکنش اصلی برای تبدیل هیدروژن به هلیم وجود دارد: واکنش زنجیره‌ای پروتون-پروتون (p-p) و چرخه سی‌ان‌او (CNO). چرخه سی‌ان‌او از اتم‌های کربن، نیتروژن و اکسیژن به عنوان کاتالیزور استفاده میکند تا هیدروژن را به هلیم تبدیل کند.
هیدروژن سنگین چطور بوجود می آید؟
واکنش زنجیره‌ای پروتون-پروتون (p-p): این واکنش در ستارگان با جرم کمتر یا برابر با خورشید غالب است و شامل چندین مرحله است که در نهایت دو پروتون به هم جوش می‌خورند و هسته دوتریم (هیدروژن سنگین) را تشکیل میدهند. در ادامه، دوتریم با یک پروتون دیگر واکنش داده و هلیوم-۳ را تشکیل میدهد و در نهایت دو هسته هلیوم-۳ با هم ترکیب می‌شوند و یک هسته هلیوم-۴ و دو پروتون آزاد میکنند.
نقش چرخه سی ان او در تولید سی ان او چیست؟
چرخه سی‌ان‌او: این واکنش در ستارگان با جرم بیشتر از خورشید غالب است و از اتم‌های کربن، نیتروژن و اکسیژن به عنوان کاتالیزور استفاده میکند.
نقش کربن، نیتروژن و اکسیژن: در چرخه سی‌ان‌او، اتم‌های کربن، نیتروژن و اکسیژن به عنوان کاتالیزور عمل میکنند. بدین معنی که در طول واکنش مصرف نمی‌شوند، بلکه در نهایت به شکل اولیه خود باز می‌گردند.
در این چرخه، هسته هیدروژن (پروتون) به هسته کربن اضافه میشود و به دنبال آن واکنشهای نوترونی و پروتونی متعددی رخ میدهد تا در نهایت هیدروژن به هلیم تبدیل شود و کاتالیزورها (کربن، نیتروژن و اکسیژن) به حالت اولیه خود بازگردند.
بنابراین، واکنش به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن (H) معمولی با یک اتم کربن C۱۲ ترکیب می شود (همجوشی) و یک اتم N۱۳ به علاوه یک واحد گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با اکسیژن واکنش میدهد. در نهایت این سه کاتالیزور CNO کمک میکنند هیدروژن سریعتر به هلیوم تبدیل شود.
با اجتماع 4 هیدروژن یک هلیم تولید میشود جرم یک هیدروژن 1/008 است جرم یک هلیم هم 4/003 است با اجتماع 4 هیدروژن جرم هیدروژن ها 4/032 میشود که با جرم هلیم 0/029 فرق دارید که این میزان جرمی است که ناپدید شده و در واقع به انرژی تبدیل شده است.
اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را انتقال صحیح حرارت است. 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 میدهد و آن را نابود میکند؟ بنابراین نیاز به محصورسازی داریم، یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود؛ شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.
در روشی که محصورسازی مغناطیسی (Magnetic Confinement) برای همجوشی شناخته میشود، اتم‌های دوتریوم و تریتیوم به اندازه دمای هسته خورشید یعنی حدود ۱۰۰ میلیون درجه سانتیگراد داغ می‌شوند. سپس آنها را با استفاده از میدانی مغناطیسی بسیار قوی در مسیری حلقوی تحت عنوان چنبره گیر می‌اندازند. به دستگاهی که این کار را انجام میدهد، «توکاماک» (Tokamak) گفته میشود.
مشکل بزرگ این واکنش آنجا است که همجوشی پروتون-بورون ۱۱ به دمای بالای ۳ میلیارد درجه‌ی سانتیگراد احتیاج دارد؛ کسی نمی‌داند در این دما پلاسما چگونه رفتار میکند. تقریبا همه به ابن روش که همچین دمایی نیاز دارد بدبین هستند و چالش‌های مهندسی همجوشی دوتریوم و تریتیوم را ترجیح میدهند.
بیست سالی می شود که ماشین جدیدی برای همجوشی ارائه شده است. این ماشین نوعی رآکتور همجوشی هسته‌ای به‌نام استلراتور است؛ ماشینی که آلمانی‌ها اسمش را وندلشتان هفت-ایکس (Wendelstein 7-X) گذاشته‌اند. در آغاز، دانشمندان به مدت دو ماه این ماشین را با گاز هلیوم پر میکنند. هلیوم یک گاز بی‌اثر است و پژوهشگران با استفاده از آن می‌خواهند مطمئن شوند که می‌توانند به‌طور مؤثر، این گاز را کنترل کنند و دمای آن را بالا ببرند. در پایان ماه ژانویه‌ی سال بعد، آزمایش‌ها با گاز هیدروژن آغاز میشود. یک فرایند بسیار زمان بر است. ولی بخاطر مزایایش از آن استفاده می شود.
دانشمندان می‌توانند با همجوشی ایزوتوپ‌های هیدروژن، به منبعی قابل اعتماد برای به دست آوردن انرژی پاک و بی‌انتها دست یابند. این ماشین یک میلیارد یورویی، حلقه‌ای به قطر ۱۶ متر دارد که تجهیزات مختلف عجیب‌و‌غریبی به بدنه آن نصب شده و سیم‌های زیادی از آن آویزان است. همچنین تکنسین‌های زیادی مرتب در حال کار کردن با قسمت‌های مختلف آن هستند.
رآکتور تری‌آلفا کاملا با توکامک‌هایی که امروز در جبهه‌ی پژوهش‌های همجوشی وجود دارند یا حتی لیزر تأسیسات ملی احتراق و علوم فوتونی متفاوت است. این رآکتور، توپی برای شلیک حلقه‌های پلاسمای داغ دارد. این حلقه‌ها با سرعتی نزدیک به یک میلیون کیلومتر بر ساعت شلیک می‌شوند. این رآکتور یک توپ دیگر نیز دارد که روبه‌روی توپ اول قرار گرفته است؛ این دو، هم‌زمان حلقه‌های پلاسمایی را به‌سوی یکدیگر شلیک میکنند. دو حلقه‌ی پلاسما به‌شدت با یکدیگر برخورد میکنند و در مرکز محفظه با یکدیگر ترکیب می‌شوند.
توده‌ی پلاسما میدان مغناطیسی ایجاد میکند. به‌جای ایجاد میدان مغناطیسی از بیرون، تری‌آلفا از پدیده‌ای به‌نام پیکربندی واژگون میدان (FRC) استفاده میکند، یعنی اینکه خود پلاسما میدان مغناطیسی محدودکننده‌ی خود را تولید میکند. این ماشین یک هیولای واقعی است که ۲۳ متر طول و ۱۱ متر عرض دارد. تعداد زیادی لوله و کابل به یکدیگر وصل شده‌اند و روی بدنه‌ی آن درجه‌ها و عقربه‌های زیادی وجود دارد. نام آن C-2U است . در کنار آن، اتاق کنترلی متشکل از صدها کامپیوتر برای کنترل و پردازش اطلاعات آن وجود دارد
در سال ۲۰۰۳، پروژه‌ی W7-X به مشکل خورد و یک-سوم آهنرباهایی که ساخته شده بودند در آزمایش‌ها نتوانستند عملکرد درستی داشته باشند و سرانجام کار به تأخیر افتاد؛ در واقع نیروهایی که به رآکتور اعمال می‌شدند، بیشتر از مقدار محاسبه شده بود.
نقش در واکنشهای ستاره‌ای:
در ستاره‌ها، کربن-۱۲ از طریق فرآیند سه‌گانه آلفا تولید میشود.
واکنش های هسته ای در ستاره ها ۲ واکنش های هسته ای در ستارگان – فرآیند آلفای سه گانه
در این فرآیند، سه هسته هلیوم-۴ با هم ترکیب می‌شوند و یک هسته کربن-۱۲ را تشکیل میدهند. این فرآیند بخشی از چرخه کربن-نیتروژن-اکسیژن (CNO) است که در ستاره‌های بزرگ‌تر برای تولید انرژی استفاده میشود.
دمایی حدود ۱۰۰ میلیون کلوین برای این فرایند لازم است که در این دما مواد را به شکل پلاسما در می آوریم.
همجوشی کربن در ۵۰۰ میلیون کلوین شروع می شود. محصولات رایج این واکنش نئون، اکسیژن، سدیم و منیزیم هستند. ستارگانی با جرم کمتر از ۸ برابر جرم خورشیدی نمی توانند میزبان همجوشی کربن باشند. ستارگان بین ۸ تا ۱۱ برابر جرم خورشید، همجوشی کربن را با یک واکنش مهیب ناگهانی آغاز می کنند، که این امر ستاره را متلاشی می کند. ستاره هایی که جرم آنها بیش از ۱۱ برار جرم خورشید است، عناصر سنگین تری را ایجاد می کنند.
وقتی پلاسما را در دما و فشار خیلی زیاد قرار می‌دهید، به‌شدت ناپایدار میشود. برای کنترل شرایط ناپایدار آن نیز از تجهیزات معمولی نمی‌توان استفاده کرد چرا که در دمای ۱۰۰ میلیون درجه، هر ماده‌ی جامدی را نه مذاب، بلکه بخار میکند. و تکنولوژی باید برای این دمای بالا راه حلی بیاید.
همجوشی کربن و اکسیژن:
– همجوشی کربن: در مراحل بعدی تکامل ستاره های بسیار بزرگ، کربن می تواند تحت واکنش های همجوشی قرار گیرد که منجر به تولید عناصر سنگین تری مانند نئون، منیزیم و در نهایت آهن می شود.
– همجوشی اکسیژن: اکسیژن همچنین می تواند در فرآیندهای همجوشی شرکت کند و به سنتز عناصر سنگین تر مانند سیلیکون و گوگرد کمک کند.
کربن در این چرخه بعنوان کاتالیزور استفاده میشود؛ یعنی مصرف نمیشود ولی به واکنش سرعت می‌بخشد.
هیدروژن (به انگلیسی: Hydrogen ) با نماد شیمیایی H، یک عنصر شیمیایی در جدول تناوبی با عدد اتمی ۱ است. جرم اتمی این عنصر ۱٫۰۰۷۹۴ u است.
ایران به دلیل بخشهای علم پنهان که هنوز دانشمندان ما به آن دست نیافته اند، و نیز به دلیل مداخلاتی که سیاستگذاران در تکنولوژی انجام میدهند هنوز هلیوم و گاز دی هیدروژن را تولید نمی‌کنیم. در حالیکه تولید این دو ماده سلول سوختی خودروها را تشکیل میدهد و میتواند جهان را از آلودگی هوای ناشی از خودروها رهایی بخشد.
پیل سوختی شامل یک مخزن آب و یک مخزن گاز هیدروژن است که از انرژی آزاد شده از فرآیند همجوشی هیدروژن انرژی لازم برای حرکت خودرو را فراهم میکند. این انرژی طولانی مدت است و خروجی های آن نیز آلودگی ندارد.
هر راکتور آبی فشرده ۱۰۰۰ مگاواتی سالانه در حدود ۲۷ تن اورانیوم (حدود ۱۸ میلیون قرص سوخت در بیش از ۵۰ هزار میله سوخت) می‌خواهد. در مقابل، نیروگاه ذغال‌سنگ با اندازه‌ای برابر، نیاز به بیش از ۲/۵ میلیون تن ذغال‌سنگ برای تولید همان مقدار برق دارد.
اگر بخواهیم راکتوری را راه‌اندازی کنیم، به ۳ درصد اورانیوم غنی شده ۲۳۵ نیاز داریم. در این صورت، مقدار اورانیوم ۲۳۸ به ۹۷ درصد کاهش می‌یابد. بنابراین، برای رسیدن به سوخت راکتور باید مقدار اورانیوم ۲۳۸ در اورانیوم طبیعی کاهش و مقدار اورانیوم ۲۳۵ در آن افزایش یابد. به فرایند افزایش ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ و کاهش ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ در اورانیوم طبیعی، غنی‌سازی اورانیوم گفته میشود.
سه روش غنی سازی اورانیوم عبارتند از:
１. روش نفوذ گازی
２. سانتریفیوژ گازی
３. فرآیند لیزری
روش نفوذ گازی در غنی سازی اورانیوم
گازِ غنی سازی شده اورانیوم هگزافلورید ۲۳۵ را با روش نفوذ گازِ، از گاز سنگین تر اورانیوم هگزافلورید ۲۳۸ جدا میکنند:
در محفظه ای سرعت نفوذ گازها به هنگام عبور از غشای نفوذ با یکدیگر تفاوت خواهد داشت. در نتیجه، سرعت نفوذ گازِ سبک‌ترِ اورانیوم هگزافلورید ۲۳۵ بیشتر از سرعت نفوذ گازِ سنگین‌ترِ اورانیوم هگزافلورید ۲۳۸ خواهد بود. انتهای محفظه دو لوله برای خروج گازها تعبیه شده است:
سانتریفیوژ های گازی هسته ای یکی از ابزارهای لازم در فرآیند غنی سازی اورانیوم است. امروزه برای غنی سازی از فرآیندهای لیزری استفاده میکنند که نسبت به روش با استفاده از سانتریفیوژها بروزتر است.
روش سانتریفیوژ از نیروی گریز از مرکز برای جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیوم استفاده میکند و روش لیزر با استفاده از لیزر، ایزوتوپ‌های ۲۳۵ را باردار کرده و با میدان مغناطیسی جدا میکند.
پروژه غنی‌سازی لیزری، نه‌فقط یک پیشرفت فناورانه، بلکه یک گام استراتژیک در جهت استقلال انرژی، توسعه انرژی پاک و تقویت امنیت ملی به شمار می‌رود. با رشد تقاضا برای سوخت‌های هسته‌ای با عیار بالا، به‌ویژه در رآکتورهای نسل جدید، این فناوری میتواند نقشی کلیدی در آینده انرژی جهان ایفا کند.
هلیوم در واکنشهای هسته‌ای و ستارگان چطور بوجود می اید؟
در واکنشهای سوخت هسته‌ای، اتم هیدروژن (H) با استفاده از نوترون (N13) و یا از طریق واکنشهای پروتون-پروتون، به اتم هلیم تبدیل میشود.
سوختن هیدروژن منبع انرژی همجوشی ستاره ها را تامین می کند و منجر به تشکیل هلیوم (He) می شود.
در اخترفیزیک، برخلاف قراردادهای شیمی، هر عنصری به جز هیدروژن و هلیوم را فلز می نامند. بنابراین در اخترفیزیک به غیر فلزات مانند کربن، نیتروژن، اکسیژن و غیره همه فلز گفته می شود. این فقط یک قرارداد به دلیل فراوانی نسبی دو عنصر اول است. در ابتدا ستارگان زندگی خود را با همجوشی هیدروژن آغاز می کنند. در این مقاله ما نه تنها به بررسی واکنش ها می پردازیم بلکه تا جای ممکن به تکامل ستارگان هم اشاره می کنیم.
همه عناصر جدول تناوبی در انفجار بزرگ(هیدروژن، هلیوم و لیتیوم)، یا از طریق انواع فرآیندهای هسته‌ای که در ستارگان(تا آهن و نیکل) و بقایای ستاره ای و ابرنواخترها(عناصر سنگین تر آهن) پدید می آیند،به علاوه با روش های دیگری که توسط بشر در آزمایشگاه استفاده می شود می توان نزدیک به صد عنصر جدول تناوبی را تولید کرد. تنها هشت فرآیند وجود دارد که چه به طور طبیعی و چه بوسیله دست بشر، که همه این عناصر را ایجاد می کنند
در ستارگان، دو واکنش اصلی برای تبدیل هیدروژن به هلیم وجود دارد: واکنش زنجیره‌ای پروتون-پروتون (p-p) و چرخه سی‌ان‌او (CNO). چرخه سی‌ان‌او از اتم‌های کربن، نیتروژن و اکسیژن به عنوان کاتالیزور استفاده میکند تا هیدروژن را به هلیم تبدیل کند.
هیدروژن سنگین چطور بوجود می آید؟
واکنش زنجیره‌ای پروتون-پروتون (p-p): این واکنش در ستارگان با جرم کمتر یا برابر با خورشید غالب است و شامل چندین مرحله است که در نهایت دو پروتون به هم جوش می‌خورند و هسته دوتریم (هیدروژن سنگین) را تشکیل میدهند. در ادامه، دوتریم با یک پروتون دیگر واکنش داده و هلیوم-۳ را تشکیل میدهد و در نهایت دو هسته هلیوم-۳ با هم ترکیب می‌شوند و یک هسته هلیوم-۴ و دو پروتون آزاد میکنند.
نقش چرخه سی ان او در تولید سی ان او چیست؟
چرخه سی‌ان‌او: این واکنش در ستارگان با جرم بیشتر از خورشید غالب است و از اتم‌های کربن، نیتروژن و اکسیژن به عنوان کاتالیزور استفاده میکند.
نقش کربن، نیتروژن و اکسیژن: در چرخه سی‌ان‌او، اتم‌های کربن، نیتروژن و اکسیژن به عنوان کاتالیزور عمل میکنند. بدین معنی که در طول واکنش مصرف نمی‌شوند، بلکه در نهایت به شکل اولیه خود باز می‌گردند.
در این چرخه، هسته هیدروژن (پروتون) به هسته کربن اضافه میشود و به دنبال آن واکنشهای نوترونی و پروتونی متعددی رخ میدهد تا در نهایت هیدروژن به هلیم تبدیل شود و کاتالیزورها (کربن، نیتروژن و اکسیژن) به حالت اولیه خود بازگردند.
بنابراین، واکنش به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن (H) معمولی با یک اتم کربن C۱۲ ترکیب می شود (همجوشی) و یک اتم N۱۳ به علاوه یک واحد گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با اکسیژن واکنش میدهد. در نهایت این سه کاتالیزور CNO کمک میکنند هیدروژن سریعتر به هلیوم تبدیل شود.
با اجتماع 4 هیدروژن یک هلیم تولید میشود جرم یک هیدروژن 1/008 است جرم یک هلیم هم 4/003 است با اجتماع 4 هیدروژن جرم هیدروژن ها 4/032 میشود که با جرم هلیم 0/029 فرق دارید که این میزان جرمی است که ناپدید شده و در واقع به انرژی تبدیل شده است.
اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را انتقال صحیح حرارت است. 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 میدهد و آن را نابود میکند؟ بنابراین نیاز به محصورسازی داریم، یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود؛ شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.
در روشی که محصورسازی مغناطیسی (Magnetic Confinement) برای همجوشی شناخته میشود، اتم‌های دوتریوم و تریتیوم به اندازه دمای هسته خورشید یعنی حدود ۱۰۰ میلیون درجه سانتیگراد داغ می‌شوند. سپس آنها را با استفاده از میدانی مغناطیسی بسیار قوی در مسیری حلقوی تحت عنوان چنبره گیر می‌اندازند. به دستگاهی که این کار را انجام میدهد، «توکاماک» (Tokamak) گفته میشود.
مشکل بزرگ این واکنش آنجا است که همجوشی پروتون-بورون ۱۱ به دمای بالای ۳ میلیارد درجه‌ی سانتیگراد احتیاج دارد؛ کسی نمی‌داند در این دما پلاسما چگونه رفتار میکند. تقریبا همه به ابن روش که همچین دمایی نیاز دارد بدبین هستند و چالش‌های مهندسی همجوشی دوتریوم و تریتیوم را ترجیح میدهند.
بیست سالی می شود که ماشین جدیدی برای همجوشی ارائه شده است. این ماشین نوعی رآکتور همجوشی هسته‌ای به‌نام استلراتور است؛ ماشینی که آلمانی‌ها اسمش را وندلشتان هفت-ایکس (Wendelstein 7-X) گذاشته‌اند. در آغاز، دانشمندان به مدت دو ماه این ماشین را با گاز هلیوم پر میکنند. هلیوم یک گاز بی‌اثر است و پژوهشگران با استفاده از آن می‌خواهند مطمئن شوند که می‌توانند به‌طور مؤثر، این گاز را کنترل کنند و دمای آن را بالا ببرند. در پایان ماه ژانویه‌ی سال بعد، آزمایش‌ها با گاز هیدروژن آغاز میشود. یک فرایند بسیار زمان بر است. ولی بخاطر مزایایش از آن استفاده می شود.
دانشمندان می‌توانند با همجوشی ایزوتوپ‌های هیدروژن، به منبعی قابل اعتماد برای به دست آوردن انرژی پاک و بی‌انتها دست یابند. این ماشین یک میلیارد یورویی، حلقه‌ای به قطر ۱۶ متر دارد که تجهیزات مختلف عجیب‌و‌غریبی به بدنه آن نصب شده و سیم‌های زیادی از آن آویزان است. همچنین تکنسین‌های زیادی مرتب در حال کار کردن با قسمت‌های مختلف آن هستند.
رآکتور تری‌آلفا کاملا با توکامک‌هایی که امروز در جبهه‌ی پژوهش‌های همجوشی وجود دارند یا حتی لیزر تأسیسات ملی احتراق و علوم فوتونی متفاوت است. این رآکتور، توپی برای شلیک حلقه‌های پلاسمای داغ دارد. این حلقه‌ها با سرعتی نزدیک به یک میلیون کیلومتر بر ساعت شلیک می‌شوند. این رآکتور یک توپ دیگر نیز دارد که روبه‌روی توپ اول قرار گرفته است؛ این دو، هم‌زمان حلقه‌های پلاسمایی را به‌سوی یکدیگر شلیک میکنند. دو حلقه‌ی پلاسما به‌شدت با یکدیگر برخورد میکنند و در مرکز محفظه با یکدیگر ترکیب می‌شوند.
توده‌ی پلاسما میدان مغناطیسی ایجاد میکند. به‌جای ایجاد میدان مغناطیسی از بیرون، تری‌آلفا از پدیده‌ای به‌نام پیکربندی واژگون میدان (FRC) استفاده میکند، یعنی اینکه خود پلاسما میدان مغناطیسی محدودکننده‌ی خود را تولید میکند. این ماشین یک هیولای واقعی است که ۲۳ متر طول و ۱۱ متر عرض دارد. تعداد زیادی لوله و کابل به یکدیگر وصل شده‌اند و روی بدنه‌ی آن درجه‌ها و عقربه‌های زیادی وجود دارد. نام آن C-2U است . در کنار آن، اتاق کنترلی متشکل از صدها کامپیوتر برای کنترل و پردازش اطلاعات آن وجود دارد
در سال ۲۰۰۳، پروژه‌ی W7-X به مشکل خورد و یک-سوم آهنرباهایی که ساخته شده بودند در آزمایش‌ها نتوانستند عملکرد درستی داشته باشند و سرانجام کار به تأخیر افتاد؛ در واقع نیروهایی که به رآکتور اعمال می‌شدند، بیشتر از مقدار محاسبه شده بود.
نقش در واکنشهای ستاره‌ای:
در ستاره‌ها، کربن-۱۲ از طریق فرآیند سه‌گانه آلفا تولید میشود.
واکنش های هسته ای در ستاره ها ۲ واکنش های هسته ای در ستارگان – فرآیند آلفای سه گانه
در این فرآیند، سه هسته هلیوم-۴ با هم ترکیب می‌شوند و یک هسته کربن-۱۲ را تشکیل میدهند. این فرآیند بخشی از چرخه کربن-نیتروژن-اکسیژن (CNO) است که در ستاره‌های بزرگ‌تر برای تولید انرژی استفاده میشود.
دمایی حدود ۱۰۰ میلیون کلوین برای این فرایند لازم است که در این دما مواد را به شکل پلاسما در می آوریم.
همجوشی کربن در ۵۰۰ میلیون کلوین شروع می شود. محصولات رایج این واکنش نئون، اکسیژن، سدیم و منیزیم هستند. ستارگانی با جرم کمتر از ۸ برابر جرم خورشیدی نمی توانند میزبان همجوشی کربن باشند. ستارگان بین ۸ تا ۱۱ برابر جرم خورشید، همجوشی کربن را با یک واکنش مهیب ناگهانی آغاز می کنند، که این امر ستاره را متلاشی می کند. ستاره هایی که جرم آنها بیش از ۱۱ برار جرم خورشید است، عناصر سنگین تری را ایجاد می کنند.
وقتی پلاسما را در دما و فشار خیلی زیاد قرار می‌دهید، به‌شدت ناپایدار میشود. برای کنترل شرایط ناپایدار آن نیز از تجهیزات معمولی نمی‌توان استفاده کرد چرا که در دمای ۱۰۰ میلیون درجه، هر ماده‌ی جامدی را نه مذاب، بلکه بخار میکند. و تکنولوژی باید برای این دمای بالا راه حلی بیاید.
همجوشی کربن و اکسیژن:
– همجوشی کربن: در مراحل بعدی تکامل ستاره های بسیار بزرگ، کربن می تواند تحت واکنش های همجوشی قرار گیرد که منجر به تولید عناصر سنگین تری مانند نئون، منیزیم و در نهایت آهن می شود.
– همجوشی اکسیژن: اکسیژن همچنین می تواند در فرآیندهای همجوشی شرکت کند و به سنتز عناصر سنگین تر مانند سیلیکون و گوگرد کمک کند.
کربن در این چرخه بعنوان کاتالیزور استفاده میشود؛ یعنی مصرف نمیشود ولی به واکنش سرعت می‌بخشد.
هیدروژن (به انگلیسی: Hydrogen ) با نماد شیمیایی H، یک عنصر شیمیایی در جدول تناوبی با عدد اتمی ۱ است. جرم اتمی این عنصر ۱٫۰۰۷۹۴ u است.
ایران به دلیل بخشهای علم پنهان که هنوز دانشمندان ما به آن دست نیافته اند، و نیز به دلیل مداخلاتی که سیاستگذاران در تکنولوژی انجام میدهند هنوز هلیوم و گاز دی هیدروژن را تولید نمی‌کنیم. در حالیکه تولید این دو ماده سلول سوختی خودروها را تشکیل میدهد و میتواند جهان را از آلودگی هوای ناشی از خودروها رهایی بخشد.
پیل سوختی شامل یک مخزن آب و یک مخزن گاز هیدروژن است که از انرژی آزاد شده از فرآیند همجوشی هیدروژن انرژی لازم برای حرکت خودرو را فراهم میکند. این انرژی طولانی مدت است و خروجی های آن نیز آلودگی ندارد.
- ۰ ۰
- ۰ نظر
