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.
