تفاوت همجوشی و شکافت هسته ای از زبان یک فیزیکدان
آتی جو: در این گزارش به بررسی تفاوت های ظریف میان آن چه در ستارگان عالم رخ می دهد و آن چه در نیروگاه های هسته ای اتفاق می افتد، می پردازیم و یک فیزیکدان از دانشگاه ملی استرالیا تفاوت همجوشی و شکافت هسته ای را به زبان ساده توضیح می دهد.
به گزارش آتی جو به نقل از ایسنا، در سطح جهان، انرژی هسته ای حدودا ۱۰ درصد از تولید برق را بر عهده دارد که در بعضی کشورها مانند فرانسه این رقم نزدیک به ۷۰ درصد است.
شرکت های بزرگ فناوری مانند گوگل نیز برای برآورده کردن نیازهای انرژی عظیم مراکز داده خود به انرژی هسته ای روی آورده اند.
بگفته متیو هول(Matthew Hole) استاد موسسه علوم ریاضی و دانشکده محاسبات دانشگاه ملی استرالیا، منبع انرژی هسته ای، انرژی اتصال یک اتم است. انرژی ذخیره شده در یک اتم می تواند به دو روش اصلی شامل «شکافت»(fission) یا «همجوشی»(fusion) آزاد شود.
شکافت شامل تقسیم اتم های بزرگ سنگین به اتم های کوچک تر و سبک تر است، در صورتیکه همجوشی شامل ترکیب اتم های کوچک با هم، به اتم های بزرگتر است.
هر دو فرایند، انرژی زیادی آزاد می کنند. به عنوان مثال، یک فروپاشی شکافت هسته ای U۲۳۵ که ایزوتوپ اورانیوم است و به طور معمول به عنوان سوخت در بیشتر نیروگاه ها استفاده می شود، بالاتر از ۶ میلیون برابر انرژی خالص نسبت به واکنش شیمیایی خالص ترین زغال سنگ تولید می کند. این بدان معناست که آنها فرآیندهایی عالی برای تولید برق هستند.
شکافت چیست؟
«شکافت» فرآیندی است که در پشت هر نیروگاه هسته ای درحال بهره برداری است و زمانی اتفاق می افتد که یک ذره کوچک زیر اتمی به نام نوترون به اتم اورانیوم برخورد می کند و آنرا می شکافد.
این اتفاق سبب آزاد شدن نوترون های بیشتری می شود که همچنان به برخورد با اتم های دیگر ادامه می دهند و یک واکنش زنجیره ای هسته ای را به راه می اندازند که به نوبه خود مقدار زیادی انرژی آزاد می کند.
برای تبدیل این انرژی به برق، یک مبدل حرارتی تعبیه شده است که آب را به بخار تبدیل می کند و توربین را برای تولید نیرو به حرکت در می آورد.
واکنش شکافت را می توان با سرکوب عرضه نوترون کنترل کرد. این امر با قرار دادن «میله های کنترل» که نوترون ها را جذب می کنند، ممکن می شود.
از نظر تاریخی، حوادث هسته ای مانند چرنوبیل زمانی رخ می دهند که میله های کنترل درگیر نمی شوند و منبع نوترون را خاموش نمی کنند و یا گردش مایع خنک کننده از کار می افتد.
طرح های به اصطلاح «نسل سوم» با ترکیب خاصیت های ایمنی غیرفعال یا ذاتی که نیاز به کنترل فعال یا مداخله انسانی برای جلوگیری از حادثه در صورت خرابی ندارند، ایمنی را تقویت کرده اند. این خاصیت ها می توانند به اختلاف فشار، گرانش، همرفت طبیعی یا پاسخ طبیعی مواد به دماهای بالا متکی باشند.
نخستین راکتورهای نسل سوم، راکتورهای پیشرفته آب جوش کاشیوازاکی ۶ و ۷ در ژاپن بودند.
یک چالش حل نشده برای «شکافت» این است که محصولات جانبی این واکنش برای مدت طولانی(در حد هزاران سال) رادیواکتیو می مانند. در صورت فرآوری مجدد، منبع سوخت و ضایعات آن می تواند برای ساخت سلاح هسته ای نیز استفاده گردد.
قدرت شکافت یک تکنولوژی اثبات شده است. این فناوری از مقیاس بزرگ(بزرگترین نیروگاه هسته ای ۷.۹۷ گیگاواتی کاشیوازاکی-کاریوا در ژاپن) تا راکتورهای کوچک و متوسط که حدود ۱۵۰ مگاوات برق تولید می کنند، در یک کشتی یا زیردریایی هسته ای قابل استفاده می باشد.
اینها راکتورهایی هستند که ۸ زیردریایی هسته ای استرالیا را که به عنوان قسمتی از مشارکت امنیتی سه جانبه با بریتانیا و ایالات متحده است، تامین می کنند.
همجوشی چیست؟
«همجوشی» فرآیندی است که خورشید و ستارگان را نیرو می بخشد. این فرایند، معکوس «شکافت» است و زمانی اتفاق می افتد که اتم ها با هم ذوب می شوند.
ساده ترین واکنش همجوشی برای شروع در آزمایشگاه، ادغام ایزوتوپ های هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم است. این واکنش ۴ برابر بیش از شکافت U۲۳۵ انرژی تولید می کند.
یون دوتریوم به صورت باورنکردنی در زمین و کیهان فراوان است. تریتیوم هم که رادیواکتیو است، با نیمه عمر ۱۲ ساله در زمین بسیار نادر است.
جهان هستی ۱۳.۸ میلیارد سال سن دارد و تنها ایزوتوپ های هسته های سبک(هیدروژن، هلیوم و لیتیوم) که در طبیعت یافت می شوند، آنهایی هستند که در مقیاس های زمانی پایدار هستند.
در یک نیروگاه همجوشی، تریتیوم با بهره گیری از «پتوی لیتیومی» تولید می شود که یک دیوار لیتیومی جامد است که در آن نوترون های همجوشی کند می شوند و در نهایت واکنش نشان می دهند و تریتیوم می سازند.
با این وجود، هم اکنون ایجاد واکنش همجوشی در خارج از لابراتوار برای دانشمندان بسیار دشوار است. دلیل آن این است که برای ترکیب شدن به شرایط فوق العاده گرم نیاز دارد و شرایط بهینه برای آن رسیدن به دمای ۱۵۰ میلیون درجه سانتیگراد است.
در این دماها یون های سوخت در حالت پلاسما وجود دارند، جایی که الکترون ها و یون های هسته ای جدا می شوند و محصول جانبی این پروسه رادیواکتیو نیست، بلکه هلیوم است که یک گاز نجیب یا بی اثر است.
مسیر فناوری پیشرو برای نمایش همجوشی پایدار، «حصار مغناطیسی حلقوی» نامیده می شود. این زمانی است که پلاسما در دماهای بالا در یک بطری مغناطیسی بسیار بزرگ به صورت دونات محبوس می شود.
برخلاف شکافت، این مسیر فناوری برای رسیدن به شرایط همجوشی و یک میدان محصور قوی نیاز به گرمایش خارجی مداوم دارد و اگر هر کدام را خاتمه دهید، واکنش متوقف می شود.
چالش در اینجا فروپاشی کنترل نشده نیست، بلکه این است که اصلاً واکنشی رخ ندهد.
یک چالش عمده و حل نشده برای «همجوشی محصور شده مغناطیسی حلقوی» که اکثریت علاقه مندی های تحقیقاتی را به خود جلب می کند، نمایش یک پلاسمای خودگرم شده درحال سوختن است. این زمانی است که قدرت گرمایش تولید شده توسط خود واکنش اولیه تولید می شود. این امر، هدف پروژه چند ملیتی ITER با بودجه دولتی است که بزرگترین آزمایش همجوشی جهان است و همین طور آزمایش SPARC با بودجه خصوصی که در موسسه فناوری ماساچوست(MIT) در حال انجام می باشد.
با این وجود، اجماع خیلی از اعضاء جامعه علمی این است که «همجوشی» حداقل تا سال ۲۰۵۰ از نظر تجاری قابل دوام نخواهد بود.
راه حلی برای تغییرات اقلیمی؟
متیو هول می گوید اغلب از من می پرسند که آیا انرژی هسته ای می تواند زمین را از تغییرات آب و هوایی نجات دهد؟ من همکاران زیادی در علم آب و هوا دارم و همسر فقیدم در حقیقت یک دانشمند برجسته آب و هوا بود.
علم واضح می گوید که برای متوقف کردن تغییرات آب و هوایی خیلی دیر شده است. جهان باید هر کاری که می تواند برای کاهش انتشار کربن دی اکسید و به حداقل رساندن لطمه های فاجعه بار آن انجام دهد و باید این کار را ده ها سال پیش انجام می داد.
برای سیاره ما «شکافت» قسمتی از یک راهکار جهانی، همراه با توسعه گسترده و پذیرش منابع تجدیدپذیر انرژی مانند باد و خورشید است.
در مقیاس زمانی طولانی تر امید است که «همجوشی» جایگزین «شکافت» شود، چونکه سوخت آن فراوان تر و در دسترس تر است و مشکل ضایعات آن نیز از نظر حجم و مقیاس زمانی بسیار کمتر است. ضمن این که از این فنآوری نمی تواند استفاده تسلیحاتی شود.
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب