پروژه بزرگ و جنجالی ساخت خورشید روی زمین! - وبلاگ دانلود شریف

به گزارش وبلاگ دانلود شریف، دانشمندان توانسته اند بر یکی از بزرگترین چالش های رآکتورهمجوشی هسته ای که به قول خودشان پاشنه آشیل هم جوشی هسته ای بوده است، پیروز شوند.

پریسا عباسی - دانشمندان توانسته اند با استفاده از سد حرارتی کم مصرف توکامک بزرگترین چالش رآکتورهای همجوشی هسته ای را حل نمایند. (توکامک(tokamak) یکی از گونه های مختلف از دستگاه های هم جوشی محصورسازی مغناطیسی ، و یکی از نامزدها برای فراوری کنترل قدرت همجوشی گرما است که بیشترین تحقیق روی آن اجرا شده است. در توکامک ها، از میدان های مغناطیسی برای محصور کردن پلاسما استفاده می گردد. زیرا که هیچ ماده جامدی نمی تواند درجه حرارت بسیار بالای پلاسما را تحمل کند . )

محققان توانستند به منظور محافظت از پلاسمای همجوشی در برابر ناخالصی های دیواره های رآکتور، که راندمان فراوری انرژی را تا حد زیادی کاهش می دهد، محیطی را ایجاد نمایند که سد گرمایی نازک اطراف آن را بهینه کند.

این کشف نشان می دهد که چطور می توان واکنش های همجوشی را تحت شرایط مناسب کارآمدتر کرد، و چقدر این موضوع در آینده در توسعه راکتورهای همجوشی هسته ای، مانند رآکتوری نظیر ITER که قرار است بزرگترین رآکتور در نوع خود باشد و در حال حاضر در فرانسه در حال ساخته شدن است، در مقیاس بزرگ مهم خواهد بود.

همجوشی هسته ای چیست؟

همجوشی هسته ای در واقع فنآوری است که به روش خورشید، انرژی فراوری می نماید: یعنی زمانی که دو اتم با آن چنان نیرویی به سمت یکدیگر پرتاب می شوند، که با هم ترکیب شده و به یک اتم واحد و بزرگتر تبدیل می شوند. در این فرآیند مقدار زیادی انرژی آزاد می گردد.

همجوشی هسته ای، بر خلاف شکاف هسته ای(واکنش هسته ای که در حال حاضر در بخش انرژی استفاده می گردد)، زباله های رادیواکتیو فراوری نمی نماید. و طبق برآورد وزارت انرژی ایالات متحده، سه تا چهار برابر انرژی بیشتری نسبت به شکاف هسته ای فراوری می نماید، همچنین برخلاف انرژی حاصل از سوزاندن سوخت های فسیلی، دی اکسید کربنی را وارد جو زمین نمی نماید. همچنین، همجوشی فرآیندی بسیار شنماینده است که اگر در شرایط درستی انجام نگیرد، در کثری از ثانیه، خاموش می گردد. بنابراین خطر ذوب هسته ای ناشی از این واکنش وجود ندارد.

با این حال یک مشکل وجود دارد: برای ایجاد شرایط همجوشی به مقدار زیادی انرژی احتیاج است و تا به امروز نتوانسته ایم انرژی خروجی بیشتری، نسبت به انرژی ورودی بدست آوریم. بنابراین تمرکزمان بر این است که واکنش را تا حد امکان ساده و کارآمد کنیم تا اتلاف انرژی را به حداقل رسانده و انرژی فراوریی را به حداکثر برسانیم.

این پیشرفت به وسیله اعضای سازمان انرژی اتمی بریتانیا (UKAEA) و کنسرسیوم EUROfusion که در کارخانه مشترک اروپایی (JET) در آکسفوردشایر و در محوطه دانشگاهی کولهام UKAEA کار می نمایند، بدست آمده است.

این کارخانه از ماشینی به نام توکامک حلقوی استفاده می نماید. وسیله ای به شکل دونات که برای مهار جریان حلقه مانند پلاسمای فوق العاده داغ، از آهنرباهای قدرتمندی استفاده می نماید.

پلاسما حالت چهارم ماده، بعد از جامدات، مایعات و گازها است. این حالت شبیه به شعله می باشد، اما بسیار داغتر از آن است. پلاسما در دماهای بسیار بالا تشکیل می گردد و اساساً ترکیبی از الکترون ها با بار منفی و یون هایی با بار مثبت عناصر است که در دمای بسیار داغ از هم جدا شده اند.

همجوشی بکار گرفته شده در کارخانه JET شامل ترکیب سخت اتمهای هیدروژن با یکدیگر، تا زمان ذوب آنها است.(اگرچه در روش های مختلف همجوشی، می توان از عناصر مختلفی در این واکنش استفاده کرد.)

اتم هیدروژن استاندارد شما، حاوی یک ذره با بار مثبت به نام پروتون و یک ذره با بار منفی به نام الکترون است. وقتی اتم های هیدروژن تحت گرمای بسیار شدید به پلاسما تبدیل می شوند، از الکترون های خود جدا شده و به ذرات دارای بار مثبت به نام یون تبدیل می شوند که یکدیگر را دفع می نمایند.

تحمل دماهای بسیار بالا

در خورشید، نیروهای گرانشی شدید، فشار بسیار بالایی فراوری می نمایند که بر این نیروی دافعه غلبه می نماید. اما ایجاد چنین فشارهای بالایی بر روی زمین تقریبا غیرممکن است. بنابراین، ما باید پلاسما را تا دمایی حتی بالاتر از آنچه در JET اجرا شده گرم کنیم،(شاید 10 برابر گرمتر از مرکز خورشید) - تا این ذرات به معنای واقعی ایجاد همجوشی نمایند.

برای مقاومت در برابر این دماهای بسیار بالا، فلزات مورد استفاده در پوشش دیوارهای داخلی دستگاه، باید دارای نقطه ذوب فوق العاده بالایی باشند. بخشی از رآکتور که در تماس مستقیم با پلاسما قرار می گیرد، منحرف نماینده نامیده می گردد که در واقع به نوعی شبیه یک سیستم اگزوز برای محفظه ای است که واکنش در آن انجام می گردد. این بخش از دستگاه باید مقاوم ترین قسمت، در برابر دماهای بالای پلاسمای همجوشی باشد.

بیشتر بخوانید:

• سایه ترسناک به جا مانده از انفجار اتمی هیروشیما

فیلد، فیزیکدان ارشد UKAEA می گوید: از تنگستن به عنوان ماده مناسب برای قسمت منحرف نماینده استفاده می گردد، زیرا بالاترین نقطه ذوب را در بین سایر فلزات دارد، و در دمای 3400 درجه سانتیگراد ذوب می گردد.

اگرچه تنگستن نیز مسائل خاص خود را دارد، و UKAEA یکی از نقاط ضعف این عنصر را اینگونه توصیف می نماید: وقتی پلاسمای داغ، داخل منحرف نماینده جریان پیدا می نماید، با دیوارهایی که از جنس تنگستن هستند واکنش نشان می دهند، و تنگستن می تواند بعضی از الکترون های خود را از دست داده و وارد پلاسما کند.

از آنجایی که اتم های تنگستن بسیار سنگین هستند (هر اتم حاوی 74 پروتون و 74 الکترون است)، جدا کردن تمام الکترون های آن بسیار سخت است. این یک مشکل بزرگ است، زیرا الکترون هایی که همچنان به تنگستن متصل می مانند، می توانند انرژی را از الکترون های پلاسما بگیرند، و این موضوع روند پایدار فرآیند کلی را بسیار سخت تر می نماید. و اگر حفظ این روند پایدار سخت گردد، امکان دریافت مقدار انرژی بیشتر از آنچه وارد واکنش شده، به خطر می افتد.

فیلد می گوید:اگر در مقدار معینی از پلاسما، بیشتر از یک مقدار تعیین و محدود تنگستن وجود داشته باشد، حفظ روند پایدار واکنش غیرممکن می گردد.

در مرحله اول، برای جلوگیری از ورود ناخالصی های تنگستن به داخل پلاسما، باید مانعی در قسمت خارجی پلاسما قرار داده گردد تا از ورود تنگستن به آن جلوگیری کند.

دهه ها پیش فرض بر این بود که کاهش شدید دما بین هسته پلاسما و دیواره های منحرف نماینده می تواند به عنوان نوعی سد حرارتی برای محافظت از پلاسما در برابر این نوع آلودگی عمل کند. اکنون، فیلد و تیمش نشان داده اند که نظریه قراردادن سد حرارتی در اطراف لبه پلاسما، عملی است.

فیلد گفت: این کشف بسیار هیجان انگیز بود، زیرا پدیده غربالگری ناخالصی، قبلا پیش بینی شده بود، اما هرگز در یک توکامک واقعی در لبه پلاسما مشاهده نشده بود.

او اضافه نمود: این مشاهدات نگرانی های آینده ما را در خصوص یکی از عدم قطعیت های بزرگ پوششی در اطراف پلاسما که مربوط به عملکرد یک رآکتور همجوشی توکامک می گردد، کاهش خواهد داد.

به گفته فیلد:سد گرمایی، یک لایه نازک و عایق از جریان برش قوی، به طول 2 تا 3 سانتیمتر است که درست در لبه داخلی پلاسما شکل می گیرد. این مکانیسم درست مشابه روشی است که جت استریم های موجود در لایه های بالایی جو زمین، از حرکت جریانات هوای سرد از منطقه ها قطبی به سمت منطقه ها معتدل و بالعکس جلوگیری می نمایند.

برای اینکه این مانع گرمایی بتواند ناخالصی ها را به خوبی از بین ببرد، باید اختلاف دمای کافی بین پلاسمای محصور و لبه پلاسما وجود داشته باشد. فیلد می گوید این اختلاف دما برابر با 22 میلیون درجه سانتیگراد، با ضخامت یک پنجره سه جداره است!

فیلد گفت که تأیید این فرضیه، برداشتن گام مهمی به سوی جام مقدس فراوری نیرو از همجوشی است.

این روش بخشی از سری آزمایش هایی بود که به JET اجازه داد تا رکورد دنیای فراوری انرژی همجوشی پایدار را در فوریه 2022 بشکند، و در مدت زمان 5 ثانیه، 59 مگاژول همجوشی پایدار فراوری کند.

در حالی که تنگستن در همه راکتورهای همجوشی هسته ای استفاده نمی گردد، اما به طور کلی اثبات این نظریه گامی بزرگ برای پیشرفت صنعت همجوشی هسته ای است. استیون مک نامارا، مدیر علمی توکامک در توکامک انرژی، یکی دیگر از شرکت های همجوشی که از آهنربا برای پشتیبانی از فرآیند همجوشی استفاده می نماید، در تبادل نظر با نیوزویک گفت: هر چالشی که بر آن غلبه می کنیم گامی به سوی هدف جمعی ما برای داشتن و فراوری انرژی همجوشی پاک و بدون مقدار برای دنیایان است. ما این پیروزی را به تیم های UKAEA و EUROfusion تبریک می گوییم و هر نکته آموزشی مربوط به دستگاه های آینده توکامک انرژی را به کار خواهیم گرفت.

این آزمایشات که در مقیاس کوچک در JET برای بهینه سازی کارایی ITER(بزرگترین ماشین توکامک دنیا)، که در حال حاضر در فرانسه در حال ساخت می باشد، اجرا شده است. طبق گفته وب سایت ITER، انتظار می رود ITER اولین پلاسمای خود را تا خاتمه سال 2025 فراوری کند و فعالیت های کامل آن از سال 2035 شروع گردد.

منبع:newsweek

5858