فیلم بازسازی شده از عمیق ترین گودال جهان , گودال ماریانا clip of mariana trench

دریافت
مدت زمان: 35 ثانیه

برای دانلود روی کلمه دریافت کلیک کنید

آیا تولید انرژی با استفاده از واکنشهای همجوشی که در ستارگان رخ می دهد محقق خواهد شد

اگر مطالب قبلی وبلاگ را مطالعه کرده باشید به این موضوع پرداختیم که در ستارگانی مثل خورشید واکنشهای همجوشی و تبدیل شدن چهار هسته اتم هیدروژن به یک اتم هلیوم با عث تولید گرما و انرژی میشود ؟ حال با توجه به وفور هیدروژن و نداشتن هیچ گونه آلودگی و با کمترین هزینه آیا بشر می تواند از همین روش در رآکتورها استفاده کند و انرژی لازم را بدست آورد ؟

استفاده از منابع انرژی هسته ای می تواند جایگزین خوبی برای آن  باشد. چرا که یک گرم تریتیم  (یکی از ایزوتوپهای هیدروژن)  از طریق گداخت هسته ای(همجوشی هسته ای ) می تواند  معادل نیم تن ذغال سنگ انرژی تولید نماید. همچنین ذخایر موجود اورانیوم جهان برای استفاده در راکتورهای شکافت با نوترونهای حرارتی تنها  حدود  یک قرن کفایت می نماید. راکتورهای هسته‌ای زاینده، انرژی خورشیدی و انرژی حاصل از همجوشی هسته ای تنها روشها و منابع پایان ناپذیر انرژی شناخته شده به شمار مـــی آیند. 

انرژی حاصل از همجوشی یا گداخت هسته ای به دلیل وجود منبع سرشار دوتریم ( ایزوتوپ سنگین اتم هیدروژن) موجود در آب اقیانوسها، به تنهایی می تواند نیاز انرژی بشر را با آهنگ فعلی مصرف، انرژی به مدت10¹¹-10⁹ سال تامین نماید.  پاکیزگی  به  معنای پرتوزائی بسیار کمتر و عدم تولید ایزوتوپهای عناصر سنگین با نیمه عمر بالا ( پسماندهای هسته ای ) از مزایای راکتورهای گداخت به شمار می آید، مشکلی که هم اکنون کشور های سازنده و دارای راکتورهای شکافت با آن روبرو هستند.   

       

چگونه گداخت هسته ای ( همجوشی هسته ای ) را در رآکتورها ایجاد کنیم ؟

واکنش کلی همجوشی که در خورشید رخ می‌دهد عبارت است از برخورد هسته‌های چهار اتم هیدروژن و تبدیل آنها به یک اتم هلیوم. تا اینجا ساده به نظر می‌رسد، ولی مشکلی اساسی سر راه است می‌دانید هسته از ذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون و نوترون جزء لاینفک آن هستند. نوترون بدون بار و پروتون با بار مثبت که سایر بارهای مثبت را به شدت از خود می‌راند.  درست حدس زدید ,  اگر پروتونها (هسته‌های هیدروژن) یکدیگر را دفع می‌کنند، چگونه می‌توان آنها را در همجوشی شرکت داد؟

راه حلی که پیشنهاد می شود این است  که به این پروتونها آن قدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنها بیشتر از نیروی دافعه کولنی آنها شود و پروتونها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند. حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟ گرما راه حل خوبی است. در اثر افزایش دما جنب و جوش و به عبارت دیگر انرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر می‌شود، بطوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر می‌شود. به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟

شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است. درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایی است و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می‌باشد، ولی معمولا در زندگی روزمره و اگر با دقت به اطراف خود نگاه کنیم دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم. مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم می‌سوزد و شما صدای جرقه آنرا می‌شنوید و پس از بررسی متوجه می‌شوید که کاملا ذوب شده فقط بخاطر دمای وحشتناکی بوده که آن داخل بوجود آمده. این دما به حدود سی - چهل هزار درجه کلوین می‌رسد.

البته این دما برای همجوشی بسیار کم است . روش دیگر تولید گرما  با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله‌های موئین عبور بدهیم. به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می‌رسد (که باز هم برای همجوشی کم است).

یکی از بهترین راههای تولید گرمای لازم برای انجام واکنش  استفاده از لیزر است. می‌دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده‌اند. مثلا نوعی از لیزر به نام لیزر نوا (NOVA) می‌تواند در مدت کوتاهی انرژی معادل ده به توان پنج ژول تولید کند.

اما باز هم 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 بالاتر برود. که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالاتر می‌رود. 

برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد. یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشی است که قرار است در رآکتور انجام بشود. نوعی از واکنش همجوشی به صورتی است که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین‌تر را بوجود می‌آورند. یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولی است. این واکنش جزو واکنشهای  انرژی زا می‌باشد. چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین‌تر و هسته‌های سبکتر مقداری منفی است.

قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته‌ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند. این مقدار کافی حدودا معادل 3 fm می‌باشد. چون در این فاصله‌ها انرژی پتانسیل الکتروستاتیکی دو دوترون در حدود MeV 0.5 هست پس می‌توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدار MeV 4.5 تولید می شود (MeV 0.5 انرژی جنبشی به علاوه 4 MeV انرژی آزاد شده).

می‌توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیوم مایع تحت فشار جریان داشته باشد. این لیتیوم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می‌کند و با تبدیل آن به بخار باعث می‌شود که توربین و ژنراتور به حرکت در آیند و برق تولید بشود. اما چرا لیتیم؟

قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در راکتور همجوشی واکنش دوتریم - ترتیم است. در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می‌شد. این مسأله یعنی نوترون زایی می‌تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود. از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می‌کنند بسیار مضر است. اما اگر لیتیوم 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 تریتیوم است تولید می‌کند.  البته در این مورد باید ضخامت لیتیوم مایع در جریان حداقل یک متر باشد. 

چه واکنشهایی در ستارگان داغ تر از خورشید سبب تولید گرما و انرژی میکنند ؟ - چرخه CNO در ستارگان

اگر شما با دقت به آسمان نگاه کنید، حتی بدون تلسکوپ یا دوربین دو چشمی، خواهید دید که رنگ ستارگان تقریبا قرمز، زرد و یا  آبی است. برای مثال، ستاره بیتلجوز (Betelgeuse) در صورت فلکی شکارچی یا جبار، قرمز رنگ به نظر می رسد. ستاره پولوکس (Pollux)، مانند خورشید، زرد رنگ است و ستاره ریگل، تقریبا آبی به نظر می آید.

همانطور که میدانید در ستارگانی مثل خورشید واکنشهای همجوشی و تبدیل چهار هسته اتم هیدروژن و تبدیل شدن به یک هسته اتم هلیوم باعث تولید گرما و انرژی میشود اما دانشمندان معتقدند علاوه بر این واکنشهای دیگری هم در ستارگان داغ تر از خورشید رخ میدهد بدین صورت که

ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم ¹²C ترکیب می‌شود (همجوشی) و یک اتم ¹³N به همراه یک واحد پرتو گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتم ¹³C به علاوه یک پوزیترون و یک نوترینو تبدیل می‌شود. بعد این ¹³C دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می‌شود و ¹⁴N و یک واحد گاما حاصل می‌شود.

دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتم ¹⁵O و یک واحد گاما تولید می‌شود و ¹²C واپاشی کرده و ¹⁵N به علاوه یک پوزیترون و یک نوترینو را بوجود می‌آورد. و دست آخر با ترکیب ¹⁵N با یک هیدروژن معمولی ¹²C به علاوه یک اتم هلیوم بدست می‌آید. 


دیدید که در این چرخه ¹²C نه مصرف شد و نه بوجود آمد، بلکه فقط نقش کاتالیزگر را داشت. این واکنشها به ترتیب و پشت سر هم انجام می‌شوند. و واکنش اصلی همان تبدیل چهار اتم هیدروژن به یک اتم هلیوم است. مزیت چرخه کربن این است که سرعت کار را خیلی بالا می‌برد. ولی اشکالی که دارد این است که در دمای حد اقل20 ضرب در ده به توان 6 شروع می‌شود. بنابراین احتمال زیادی می‌رود که در ستاره‌های بزرگتر چرخه کربن باعث تولید انرژی می‌شود.

چرخه کربن – نیتروژن قسمتی از یک واکنش هسته‌ای است. این چرخه زنجیره‌ای است مشتمل بر 6 واکنش همجوش هسته‌ای که ستارگان توسط آن انرژی تولید می‌کنند. عناصر کربن، نیتروژن و اکسیژن همگی در مراحل مختلف زنجیره واکنش‌ها سهمیند.

چرخه کربن – نیتروژن مهمترین منبع تولید انرژی در ستارگان داغ، غول پیکر سفید مایل به آبی و سفید است.

منشا انرژی خورشید و سایر ستارگان چه می باشد ؟ - بمب اتم و بمب هیدروژنی چه تفاوتی دارند ؟

خورشید به عنوان یک ستاره و نزدیک ترین ستاره به زمین گرمای مورد نیاز بشر را تامین می کند , ستاره هایی وجود دارند که بسیار بزرگتر از خورشید هستند و بسیار چگالتر از خورشید , چگالی متوسط خورشید مقداری از چگالی آب بیشتر است , ستاره گیرنده عنان قطری معادل با 2300 برابر قطر خورشید دارد و شعاع خورشید حدود 700 هزار کیلومتر است در حالی که شعاع زمین تقریبا 6400 کیلومتر می باشد . برای منشا انرزی خورشید دو طریق وجود دارد یا از طریق شکافت هسته ای و یا از طریق هم جوشی هسته ای

شکافت هسته ای همان روش در بمب اتمی است که هسته به دو یا چند قطعه و یا بیشتر خرد می شود از هسته اتم هایی که این حالت را دارد می توان به هسته اتم اورانیوم و پلوتونیوم اشاره کرد هنگامی که یک هسته اتم اورانیوم یا پلوتونیوم شکافته می شود انرژی آزاد شده از آن حدود 10 میلیون برابر یک اتم در انفجار تی ان تی است .در اثر انفجار هسته اورانیوم 235 , دو قطعه شده که هسته موادی نظیر باریوم یا کریپتون را بوجود می آورد علاوه بر این نوترونهایی هم از این شکافت حاصل می شود این نوترونها عامل انفجار در مرحله بعد می باشند و نوترونهای بیشتر تولید می کنند و زنجیروار این فعالیت که با تولید انرژی همراه است اتفاق می افتد و این اساس کار بمب اتم است .

اما با مطالعاتی که صورت گرفته مقدار اورانیوم مثلا در یک ستاره مثل خورشید نسبت یک ده بیلیونیوم را دارد , یعنی مقدار بسیار ناچیز , پس روی اورانیوم نمیشود حساب باز کرد , شاید عناصر دیگری به طریق شکافتن این کار را انجام دهند مثلا هیدروژن که فراوانترین عنصر در ستار ه ها هست ! اما ما میدانیم که لا اقل تا امروز شکافت برای هیدروژن با داشتن یک پروتون منفرد تقریبا غیر ممکن است . پس شکافت هسته ای در ستاره ها منتفی است باید دنبال روش دیگری باشیم .

در بمب های هیدروژنی از هم جوشی چهار هسته هیدروزن و تشکیل یک هسته هلیوم و آزاد شدن انرژی استفاده می کنند و این همان روش برای تولید گرما در خورشید است چرا که ستارگان دارای مقدار زیادی هیدروژن می باشند , هسته هیدروژن یک پروتون دارد اما هسته هلیوم دو تا پروتون و دوتا نوترون دارد . در اصل چهار هسته هیدروژن با هم تشکیل یک هلیوم میدهند که جرم هسته هلیوم از مجموع چهار هیدروژن کمتر است . و این مقدار حدود هفت دهم( 7/ درصد جرم چهار هسته هیدروزن)  می باشد .یعنی جرمی ناپدید شده ؟ خیر , این جرم ظبق محاسبات انیشتین به انرژی تبدیل می شود E=MC²   , به جای M  جرم ناپدید شده ( اختلاف جرم ) را قرار میدیم و به جای C  سرعت نور

پس تا به امروز مشخص شده در ستارگانی مثل خورشید گرمای تولید شده حاصل هم جوشی هسته ای است تا شکافت هسته ای .