آشنایی با فرایند آزاد شدن انرژی هسته ای

سوخت هسته اي چيست ؟

ماده‌اي كه به عنوان سوخت در راكتورهاي هسته‌اي مورد استفاده قرار مي‌گيرد بايد شكاف پذير باشد يا به طريقي شكاف پذير شود.235U شكاف پذير است ولي اكثر هسته‌هاي اورانيوم در سوخت از انواع 238U است.

نحوه آزاد شدن انرژي هسته‌اي

مي‌دانيم كه هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الكتريكي) تشكيل شده است. بنابراين بار الكتريكي آن مثبت است. اگر بتوانيم هسته را به طريقي به دو تكه تقسيم كنيم، تكه‌ها در اثر نيروي دافعه الكتريكي خيلي سريع از هم فاصله گرفته و انرژي جنبشي فوق العاده‌اي پيدا مي‌كنند. در كنار اين تكه‌ها ذرات ديگري مثل نوترون و اشعه‌هاي گاما و بتا نيز توليد مي‌شود. انرژي جنبشي تكه‌ها و انرژي ذرات و پرتوهاي بوجود آمده ، در اثر برهمكنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژي گرمايي تبديل مي‌شود. مثلا در واكنش هسته‌اي كه در طي آن 235U به دو تكه تبديل مي‌شود، انرژي كلي معادل با 200MeV را آزاد مي‌كند. اين مقدار انرژي مي‌تواند حدود 20 ميليارد كيلوگالري گرما را در ازاي هر كيلوگرم سوخت توليد كند. اين مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 كيلوگالري گرمايي است كه از سوختن هر كيلوگرم زغال سنگ حاصل مي‌شود.

كاربرد حرارتي انرژي هسته‌اي

گرماي حاصل از واكنش هسته‌اي در محيط راكتور هسته‌اي توليد و پرداخته مي‌شود. بعبارتي در طي مراحلي در راكتور اين گرما پس از مهارشدن انرژي آزاد شده واكنش هسته‌اي توليد و پس از خنك سازي كافي با آهنگ مناسبي به خارج منتقل مي‌شود. گرماي حاصله آبي را كه در مرحله خنك سازي بعنوان خنك كننده بكار مي‌رود را به بخار آب تبديل مي‌كند. بخار آب توليد شده ، همانند آنچه در توليد برق از زعال سنگ ، نفت يا گاز متداول است، بسوي توربين فرستاده مي‌شود تا با راه اندازي مولد ، توان الكتريكي مورد نياز را توليد كند. در واقع ، راكتور همراه با مولد بخار ، جانشين ديگ بخار در نيروگاه‌هاي معمولي شده است.

سوخت راكتورهاي هسته‌اي

ماده‌اي كه به عنوان سوخت در راكتورهاي هسته‌اي مورد استفاده قرار مي‌گيرد بايد شكاف پذير باشد يا به طريقي شكاف پذير شود.235U شكاف پذير است ولي اكثر هسته‌هاي اورانيوم در سوخت از انواع 238U است. اين اورانيوم بر اثر واكنشهايي كه به ترتيب با توليد پرتوهاي گاما و بتا به 239Pu تبديل مي‌شود. پلوتونيوم هم مثل 235U شكافت پذير است. به علت پلوتونيوم اضافي كه در سطح جهان وجود دارد نخستين مخلوطهاي مورد استفاده آنهايي هستند كه مصرف در آنها منحصر به پلوتونيوم است.
ميزان اورانيومي كه از صخره‌ها شسته مي‌شود و از طريق رودخانه‌ها به دريا حمل مي‌شود، به اندازه‌اي است كه مي‌تواند 25 برابر كل مصرف برق كنوني جهان را تأمين كند. با استفاده از اين نوع موضوع ، راكتورهاي زاينده‌اي كه بر اساس استخراج اورانيوم از آب درياها راه اندازي شوند قادر خواهند بود تمام انرژي مورد نياز بشر را براي هميشه تأمين كنند، بي آنكه قيمت برق به علت هزينه سوخت خام آن حتي به اندازه يك درصد هم افزايش يابد.

مزيتهاي انرژي هسته‌اي بر ساير انرژيها

بر خلاف آنچه كه رسانه‌هاي گروهي در مورد خطرات مربوط به حوادث راكتورها و دفن پسماندهاي پرتوزا مطرح مي‌كند از نظر آماري مرگ ناشي ازخطرات تكنولوژي هسته‌اي از 1 درصد مرگهاي ناشي از سوختن زغال سنگ جهت توليد برق كمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نيروگاههاي هسته‌اي فعال بيش از 419 مي‌باشد كه قادر به توليد بيش از 322 هزار مگاوات توان الكتريكي هستند. بالاي 70 درصد اين نيروگاه‌ها در كشور فرانسه و بالاي 20 درصد آنها در كشور آمريكا قرار دارد.

همجوشي خورشيد و ستارگان

سالهاست كه دانشمندان واكنشي را كه در خورشيد و ستارگان رخ داده و در آن انرژي توليد مي كند كشف كرده اند. اين واكنش عبارت است از تركيب (برخورد) هسته هاي چهار اتم هيدروژن معمولي و توليد يك هسته اتم هليوم.اما مشكلي سر راه اين نظريه است.
بالا ترين دمايي كه در خورشيد وجود دارد مربوط به مركز آن است كه برابر 15ضرب در 10 به توان 6 مي باشد.در حالي كه در ستارگان بزرگتر اين دما به 20 ضرب در ده به توان 6 مي رسد. به همين خاطر تصور بر اين است كه آن واكنش معروف تركيب چهار اتم هيدروژن معمولي و توليد يك اتم هليم در ساير ستارگان بزرگ نيست كه باعث توليد انرژي مي شود. بلكه احتمالا چرخه كربن در آنها به كمك آمده و كوره آنها را روشن نگه مي دارد.منظور از چرخه كربن آن چرخه اي نيست كه روي زمين اتفاق مي افتد. بلكه به اين صورت است كه ابتدا يك اتم هيدروژن معمولي با يك اتم كربن C12 تركيب مي شود (همجوشي) و يك اتم N13 به علاوه يك واحد گاما را آزاد مي كند. بعد اين اتم با يك واپاشي به يك اتمC13به علاوه يك پوزيترون و يك نوترينو تبديل مي شود.بعد اينC13دوباره با يك اتم هيدروژن تركيب مي شود وN14و يك واحد گاما حاصل مي شود.دوباره در اثر تركيب اين نيتروژن با يك هيدروژن معمولي اتمO15و يك واحد گاما توليد مي شود.O15واپاشي كرده و N15به علاوه يك پوزيترون ويك نوترينو را بوجود مياورد.و دست آخر با تركيب N15با يك هيدروژن معموليC12به علاوه يك اتم هليوم بدست مي آيد.

محصور سازي

مشكلي اساسي سر راه همجوشي هسته‌اي است ; مي دانيدهسته ازذرات ريزي تشكيل شده است كه پروتون ونوترون جزءلاينفك آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون با بار مثبت كه سايربارهاي مثبت رابه شدت از خود ميراند.مشكل مشخص شد؟ بله…اگرپروتونها (هسته هاي هيدروژن) يكديگررادفع ميكنند چگونه ميتوان آنهارا در همجوشي شركت داد؟
همانطوركه حدس زديد راه حل اساسي آن است كه به اين پروتونها آنقدر انرژي بدهيم كه انرژي جنبشي آنها بيشتر از نيروي رانش كولني آنها شود و پروتونها بتوانند به اندازه كافي به هم نزديك شوند. حال چگونه اين انرژي جنبشي را توليد كنيم؟ گرما راه حل خوبيست. در اثر افزايش دما جنب و جوش وبه عبارت ديگرانرژي جنبشي ذرات بيشتر و بيشتر ميشود به طوري كه تعداد برخوردها و شدت آنها بيشتر و بيشتر ميشود.به نظر شما آيا ديگر مشكلي وجود ندارد؟ خير,مسئله اساسيتري سر راه است.
يك سماور پر از آب را تصور كنيد.وقتي سماور را روشن مي كنيد با اين كار به آب درون سماور گرما ميدهيد(انرژي منتقل مي كنيد).در اثر اين انتقال انرژي دماي آب رفته رفته بالاتر مي رود و به عبارتي جنب و جوش مولكولهاي آب زياد مي شود.در اين حالت بين مولكولهاي آب برخوردهايي پديد مي آيد.هر مولكول كه از شعله(يا المنت يا هر چيز ديگري)مقداري انرژي دريافت كرده است آنقدر جنب و جوش مي كند تا بالاخره (به علت محدود بودن محيط سماور و آب)انرژي خود رابه ديگري بدهد.مولكول بعدي نيز به نوبه خود همين عمل را انجام ميدهد.بدين ترتيب رفته رفته انرژي منبع گرما در تمام آب پخش مي شود و دماي آب بالا ميرود.خوب يك سوال:آيا وقتي بدنه سماور را لمس مي كنيم هيچ گرمايي حس نمي كنيم؟…بله حس ميكنيم.دليلش هم كه روشن است.برخورد مولكولهاي پر انرژي آب با بدنه سماور و انتقال انرژي خود به آن.هدف ما از روشن كردن سماور گرم كردن آب بود نه سماور.اميدوارم تا اينجا پاسخ اولين مشكل اساسي بر سر راه همجوشي را دريافت كرده باشيد.بله اگر اگر با صرف هزينه و زحمت بالا سوخت را به دمايي معادل ميليونها درجه كلوين برسانيم آيا اين اتمها آنقدر صبر خواهند كرد تا با ديگر اتمها وارد واكنش شوند يا در اولين فرصت انرژي بالاي خود را به ديواره داده وآن را نا بود ميكند؟(...شما بوديد چه مي كرديد؟؟؟...).بنابر اين نياز به ((محصور سازي)) داريم; يعني بايد به طريقي اجازه ندهيم كه اين گرما به ديواره منتقل شود.

رسيدن به دماي بالا

شروع واكنش همجوشي به دماي بسيار بالايي نيازمند است.درست است كه دماي پانزده ميليون درجه دماي بسيار بالايست و تصور بوجود آوردنش روي زمين مشكل و كمي هم وحشتناك مي باشد ولي معمولا در زندگي روزمره دور و برمان دماهاي خيلي بالايي وجود دارند و ما از آنها غافليم.مثلا وقتي در اثر اتصالي سيمهاي برق داخل جعبه تقسيم ميسوزد وشما صداي جرقه آنرا ميشنويد و پس از بررسي متوجه مي شويد كه كاملا ذوب شده فقط به خاطر دماي وحشتناكي بوده كه آن تو به وجود آمده.شايد باور نكنيد ولي اين دما به حدود سي-چهل هزار درجه كلوين ميرسد.البته اين دما براي همجوشي حكم طفل ني سواري را دارد.يا اينكه مي توانيم با استفاده از ولتاژهاي بسيار بالا قوسهاي الكتريكي را از درون لوله هاي مويين عبور بدهيم.به اين ترتيب دماي هواي داخل لوله كه اكنون به پلاسما تبديل شده به نزديك چند ميليون درجه مي رسد.(كه باز هم براي همجوشي كم است).يكي از بهترين راهها استفاده از ليزر است.مي دانيد كه ليزرهايي با توانهاي بسيار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعي از ليزر به نام ليزر نوا(NOVA)مي تواند در مدت كوتاهي انرژي اي معادل ده به توان پنج ژول توليد كند.اما بازهم در كنار هر مزيت معايبي هست.مثلا اين ليزر تبعا انرژي زيادي مصرف ميكند كه حتي با صرف نظر از آن مشكل ديگري هست كه ميگويد اگر انرژي توليدي ليزر در آن مدت كوتاه بايد تحويل داده بشود پس براي برقرار ماندن معيار لاوسن (حالا كه مدت زمان محصور سازي پايين آمده)بايد چگالي بالا تر برود.كه در اين مورد از تراكم و چگالي جامد هم بالا تر ميرود.

انواع واكنشها

براي بهينه سازي كار رآكتورهاي همجوشي و افزايش توان خروجي آنها راههاي متعددي وجود دارد.يكي از اين راهها انتخاب نوع واكنشيست كه قرار است در رآكتور انجام بشود.
ظبق تصوير زير نوعي از واكنش همجوشي بصورتيست كه در آن دو هسته سبك با يكديگر واكنش داده و يك هسته سنگين تر را بوجود مياورند.يعني حاصل تركيب دو هسته دوتريم و توليد يك هسته ترتيم به علاوه يك هسته هيدروژن معموليست. اين واكنش انرژي ده مي باشد.چون تفاوت انرژي بستگي هسته سنگين تر وهسته هاي سبكتر مقداري منفيست. در اين واكنش مقدار انرژي اي توليدي برابر4MeVمي باشد. قبلا گفته شد كه بايد براي انجام همجوشي هسته ها به اندازه كافي به هم نزديك بشوند.اين مقدار كافي حدودا معادل3fmمي باشد.چون در اين فاصله ها انرژي پتانسيل الكترواسناتيكي دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس مي توانيم با اين مقدار انرژي دادن به يكي از دوترونها دافعه كولني بين دوترونها ر شكسته و واكنش را شروع كنيم كه بعد از انجام مقدار4.5MeVتوليد مي شود.(0.5MeVانرژي جنبشي به علاوه 4MeVانرژي آزاد شده) مي توانيم رآكتور خود را طوري طراحي كنيم كه دور ديواره بيروني آن ليتيم مايع تحت فشار جريان داشته باشد.اين ليتيم مايع گرماي توليدي اضافي را از واكنش گرفته و به آب منتقل مي كند و با تبديل آن به بخار باعث مي شود كه توربين و ژنراتور به حركت درآيند و برق توليد بشود.

اما چرا ليتيم؟

قبلا ديديد كه مقرون به صرفه ترين واكنش در رآكتور همجوشي واكنش دوتريم . ترتيم است.در اين واكنش ديديد كه يك نوترون پر انرژي توليد مي شد.اين مساله يعني نوترون زايي مي تواند سبب تضعيف بخشهايي از رآكتور شود.از طرفي براي محيط زيست و مخصوصا سلامتي كساني كه در اطراف رآكتور فعاليت مي كنند بسيار مضر است.اما اگر ليتيم را به عنوان خنك كننده داشته باشيم اين جريان ليتيم همچنين نقش مهم كند كنندگي را بازي خواهد كرد.به اين صورت كه با نوترون اضافي توليد شده در واكنش تركيب شده و سوخت گران قيمت و بسيار كمياب رآكتور رو كه همان ترتيم است توليد مي كند.واكنش دقيق آن به شكل زير است.البته در اين مورد بايد ضخامت ليتيم مايع در جريان حداقل يك متر باشد.

انواع رآكتور

توكامك يكي از انواع رآكتورهاي همجوشي هسته ايست كه عمل محصورسازي را به خوبي انجام ميدهد.طرح توكامك در دهه پنجاه ميلادي توسط روسها پيشنهاد شد. واژه توكامك از واژه هاي "toroidalnaya ", "kamera ", and "magnitnaya " به معني " اتاقك مغناطيسي چنبره اي " گرفته شده است.
يكي از دلايل و توجيحاتي كه براي چنبره اي بودن محفظه هاي محصور سازي مي شود بيان كرد اين است كه : توپ پر مويي را تصور كنيد كه شما قصد داريد موهاي اين توپ را شانه بزنيد. شما هر طور و از هر طرف كه بخواهيد اين كار بكنيد هميشه دو طرف از موهاي توپ شانه نشده و نامنظم باقي مي ماند.حال به جاي توپ فرض كنيد كه يك كره مغناطيسي داريم .ميخواهيم كه بردارهاي ميدان در سراسر اطراف اين كره يكنواخت و منظم باشند(در واقع همه در يك جهت باشند).بنا به مثال اين كار غير ممكن بوده ونا منظمي در دو طرف كره باعث عدم پايداري محصور ساز مي شود.ولي در يك محصور ساز چنبره اي چنين مشكلي وجود ندارد و يكنواختي ميدان سراسر محصور ساز(توكامك)باعث پايداري آن مي شود.مهم ترين و حياتي ترين وظيفه يك ابزار همجوشي پايدار نگه داشتن پلاسما است.

اسفرومك

اسفرومك نوع ديگري از رآكتورهاي همجوشيست كه بر خلاف توكامك كه چنبره ايست شكلي كروي دارد.البته تفاوت اسفرومك با توكامك در اين است كه در مركز اسفرومك هيچ جسم مادي اي وجود ندارد.
اسفرومك متاسفانه با بي مهري مواجه شد و به اندازه توكامك مورد توجه واقع نشد.در حالي كه اسفرومك مدت زيادي بعد از توكامك اختراع شد. در دهه گذشته اغلب تحقيقات در بخش انرژي همجوشي مغناطيسي روي توكامك چنبره اي شكل براي رسيدن به واكنشهاي همجوشي در سطح بالا متمركز شده است. كار توكامك در ايالات متحده وخارج آن ادامه دارد ولي سازمان دانشمندان انرژي همجوشي در حال بازديد از اسفرومك هستند.

قسمت زيادي از علاقه تجديد شده به پروژه اسفرومك روي تحقيقات فعالي در لاورنس ليورمور در گروهي به نام SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment) متمركز شده است.SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمي با حضور نماينده اي از DOE و با همكاري دانشمنداني از Sandia و آزمايشگاه ملي لس آلاموس آغاز به كار كرد.SSPX يك سري از از آزمايشات است كه براي اين طراحي شده كه توانايي اسفرومك را در اين مورد كه اسفرومك چقدر اين كيفيت را داراست كه پلاسما هاي داغ سوخت همجوشي را درون خود داشته باشد مشخص كند . به عقيده رهبر پروژه SSPX آقاي David Hill توكامك با دماي بالايي كه در آن قابل دسترسيست (بيشتر از 100ميليون درجه سلسيوس كه بارها بيشتر از دماي مركز خورشيد است)فعلا برنده جريان رهبري پروژه هاي همجوشي به حساب مي آيد.با اين حال ميدانهاي مغناطيسي توكامك بوسيله كويل (سيم پيچ) هاي بيروني بسيار بزرگ كه چنبره رآكتور را كاملا احاطه مي كنند توليد مي شوند.اين كويل هاي بسيار بزرگ هزينه بسيار زياد و بي نظمي و اختلالاتي در كار رآكتور خواهند داشت.
در حالي كه اسفرومك ها پلاسماي بسيار داغ را در يك سيستم ميدان مغناطيسي ساده و فشرده كه فقط از يك سري ساده از كويل هاي كوچك پايدار كننده استفاده ميكند بوجود مي آورد.ميدانهاي مغناطيسي قوي لازم درون پلاسما با چيزي كه دينام مغناطيسي ناميده مي شود توليد مي شوند.

انرژي‌ده كردن

مي دانيد درنوعي از رآكتورهاي شكافت هسته اي بوجود آوردن زنجيره واكنشها بوسيله برخورد دادن يك نوترون پر انرژي با هسته يك اتم اورانيم235 انجام مي شود.به اين صورت كه وقتي كه اين نوترون وارد هسته اتم اورانيوم235 مي شود آن را به يك هسته اورانيم236 تبديل ميكند.از آنجا كه اين هسته ناپايدار است به سرعت واپاشي مي كرده و اتمهاي سبكتري به همراه سه نوترون پر انرژي ديگر را توليد مي كند. توضيح كاملتر اينكه در هسته هاي سنگين پايدار مثل اورانيوم بين نيروهاي الكترواستاتيكي كه مايل هستند ذرات تشكيل دهنده اتم را از هم دور كنند و نيروي هسته اي كه آنها را كنار هم نگه ميدارد تعادل بسيار حساسي وجود دارد كه اين تعادل رو مي توانيم براحتي و به روشي كه گفته شد به هم زده و واكنش شكافت هسته اي را شروع كنيم.واكنش حاصل از يك اتم با توليد كردن سه نوترون پر انرژي ديگر باعث ميشود سه اتم اورانيم ديگر وارد واپاشي بشوند.به همين ترتيب واكنش اصطلاحا زنجيره اي ميشود.

قدر مسلم يك رآكتور همجوشي ايده آل رآكتوريست كه در آن واكنشهاي زنجيره اي داريم. در واقع هدف اساسي در راه ساخت رآكتور همجوشي هسته اي زنجيره اي كردن آن است.اگر قرار باشد كه ما در اين راه انرژي صرف كنيم تا يك مقدار كمتر از آن را بدست بياوريم مطمئنا اين واكنش نه زنجيره ايست نه مفيد.دانشمندان اين رشته مفهومي به نام گيرانش را تعريف كرده اند كه به معني اين است كه مقداري انرژي صرف شروع واكنش كنيم و انرژي بيشتر از سلسله واكنشها بگيريم.در واقع در شرايط گيرانش واكنش زنجيره اي ميشود.يعني نه تنها انرژي توليدي يك واكنش براي انجام واكنش بعد كافيست بلكه مقدار زيادي از آن هم اضافه است وميتواند در اختيار ما براي توليد برق قرار بگيرد.
اگر بخواهيم توكامك يا هر وسيله ديگر كه همجوشي در آن انجام مي شود توان مفيد داشته باشد يعني به ما انرژي بدهد بايد شرايط خاصي داشته باشد. براي آنكه احتمال برخورد ذرات(يونهاي) نامزد همجوشي بالا برود اولا بايد دماي خيلي بالايي درون آن توليد بشود و رآكتور هم بتواند بخوبي دماي بالا را تحمل كند.(اين دما در محدوده ده به توان هشت درجه كلوين مي باشد!)دوما رآكتور بايد اين توانايي را داشته باشد كه درونش چگالي زياد از يونها را وارد كرد و سوم اينكه زمان محصور سازي در آن طولاني باشد.

دماي بالا براي آن است كه بتوانيم تقريبا مطمئن باشيم كه مي توانيم از سد محكم پتانسيل كولني هسته ها بگذريم.چگالي زياد هم براي اين است كه هر چه بيشتر احتمال برخورد هاي كارا بالا برود.
در اين مسير قانوني وجود دارد كه نام آن معيار لاوسون است.به كمك اين معيار مي شود محاسبه كرد كه آيا شرايط طوري هست كه واكنش به گيرانش برسد يا نه.
معيار لاوسن = بايد: مقدار چگالي*مدت زمان محصور سازي > ده به توان20ذره در متر مكعب باشد تا اين واكنش به گيرانش برسد(البته بستگي مستقيم با دماي پلاسما دارد)

اما به طور دقيق تر:
براي رسيدن به شرايط مطلوب درواكنشهاي گرما هسته اي كه در آنها از سوخت دوتريم - ترتيم استفاده مي شود دماي پلاسما (T) بايد در محدوده يك الي سه ضرب در ده به توان هشت درجه كلوين و زمان محصورسازي(تي اي)(تي انديس E) بايد در حدود يك الي سه ثانيه و چگالي (n) بايد حوالي يك الي سه ضرب در ده به توان بيست ذره بر متر مكعب باشد.براي آغاز به كار رآكتور يعني براي رسيدن به كمينه دماي حدود ده به توان هشت كلوين بايد از وسيله گرما ساز كمكي استفاده كرد. بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما با ذرات آلفايي كه در اثر احتراق اوليه بوجود اومده اند گرم شده و مي توانيم دستگاه كمكي را از مدار خارج كنيم.از آن به بعد سرعت فعاليتهاي همجوشي با افزايش دادن چگالي پلاسما افزايش پيدا مي كند.با اين وجود افزايش چگالي به بالاي مرزهاي تعيين شده و مطمئن به معني به هم خوردن پايداري پلاسما و يا اينكه خاموش شدن رآكتور را در پي خواهد داشت يا فاجعه.به عبارت ديگه (در صورت افزايش چگالي پلاسما) براي پايدار كردن پلاسما زمان محصور سازي و دماي احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پايداري پلاسما با افزايش چگالي بالا تر رفته و شرايط را براي كار سخت تر مي كند. به حالت تعادل در آوردن اين ملزمات با شكل بندي رآكتور در كوچكترين اسپكت ريتو كه به شكل بندي مغناطيسي آن بستگي دارد مقدور ميشود. نسبت R به a را اسپكت ريتو مي گويند


نويسنده: امير حكيمي