استال پرس - ساخت بادوام‌ترین دستگاه‌های ترکیبات هسته‌ای در آمریکا

ساخت بادوام‌ترین دستگاه‌های ترکیبات هسته‌ای در آمریکا

فیزیکدانان در سرتاسر جهان در حال رقابت بر سر ساخت ماشینی برای ترکیب هسته‌ای هستند که بتواند فرآیند ترکیب اتم را که خورشید ما را در ۴٫۵ میلیارد سال گذشته تغذیه می‌کرد، تکرار کند.

به گزارش پاپایا، اگر این تلاش با موفقیت همراه شود انرژی تمیز، ایمن و عملا نامحدود را برای بشریت فراهم می‌کند. و حالا دولت ایالات متحده حامی برنامه‌های فیزیکدانان برای ساخت نوع جدیدی از دستگاه ترکیبات هسته‌ای است که صاحب بادودام‌ترین و موثرترین طراحی ممکن است. شکافت اتم یا “Nuclear fission”، چیزی که تجهیزات هسته‌ای فعلی‌مان انجام می‌دهند و به واسطه شکست هسته یک اتم به نوترون و هسته‌های کوچک‌تر انرژی تولید می‌کند.
اگر چه این فرآیند تا حد بسیار زیادی موثر واقع می‌شود و میزان انرژی آزاد شده به این روش میلیون‌ها برابر موثرتر از فرآیندهای ذغالی است، اما نیازمند مدیریت بسیار پرهزینه رادیواکتیو زائد و خطرناک است. از طرف دیگر ترکیبات هسته‌ای هیچ‌ گونه مواد زائد رادیواکتیو یا محصولات جانبی ناخواسته دیگری تولید نمی‌کنند. زمانی‌ که هسته کوچک دو یا چند اتم سبک‌تر در دمای فوق زیاد با یک هسته سنگین‌تر ترکیب می‌شوند انرژی بسیار زیادی تولید می‌کنند، و این امر بسیار موثر است، که خورشید ما را برای ۴٫۵ میلیارد سال گذشته این‌گونه تقویت می‌کرد.
اگر بتوانیم این فرآیند را بشکافیم و ماشین‌هایی بسازیم که بتوانند ترکیبات هسته‌ای را در مقیاس کوچک‌تری نگاه ‌دارند، بشریت تا حد زیادی به انرژی مورد نیازش مادامی که وجود دارد رسیده است. اما فیزیکدانان بیش از ۶۰ سال است در تلاش بودند تا دستگاه های بادوام تجاری برای ترکیبات هسته‌ای بسازند و مشخص شد که تلاش برای قرار دادن این ‘فیل در فنجان’ به همان اندازه‌ای که به نظر می‌رسد سخت است. همان طور که چندی پیش توضیح دادیم بزرگ‌ترین چالش این است که ماشین‌های ترکیبات هسته‌ای نسبت به تجهیزات شکاف هسته نیازمند دمای بسیار بالاتری هستند.
درحالی که در شکافت هسته تا چند صد درجه حرارت سلسیوس کافی است، ماشین‌های ترکیب هسته‌ای باید شرایط حاکم بر خورشید را بازسازی کنند. بحث بر سر چندین میلیون درجه است. و از آن جایی‌ که ماشین‌های ترکیبات هسته‌ای اساسا واکنش شان را از ناگهانی شروع می‌کنند، باید به دمایی بسیار بالاتر از آن چه که برای مرکز خورشید تخمین زده شده برسیم، یعنی حداقل ۱۰۰ میلیون درجه سلسیوس. تاکنون فیزیکدانان در وندل استین ۷-X استلاراتور در گریفسوالد آلمان و محققان Experimental Advanced Superconducting Tokamak در چین (EAST) بیش از بقیه به رویای دسترسی به انرژی نامحدود نزدیک‌ شدند. هر دو گروه در تلاش‌اند تا به پلاسما فوق حرارت دیده که منتج از واکنش ترکیبی است، دست یابند. دنیل اوبرهوس در این مورد توضیح می‌دهد: “در طول فرآیند ترکیب هسته‌ای، الکترون‌های اتم از هسته‌شان جدا می‌شوند، در نتیجه یک ابر بسیار داغی از الکترون‌ها و یون‌ها (هسته به غیر از الکترون‌ها) به نام پلاسما می‌سازند. از آن جایی که این پلاسما در دمای بسیار بالایی به سر می‌برد، حفظ و نگه داری آن بسیار مشکل است (تا ۱۵۰ میلیون درجه سلسیوس، یا ۱۰ برابر بیشتر از دمای هسته خورشید). هیچ چیزی در زمین محفظه خوبی برای آن نخواهد بود.”
با توجه به این که حالا به سختی کار واقف شدید، اوایل امسال ماشین ترکیب هسته آلمانی توانست گاز هیدروژن را تا ۸۰ میلیون درجه سلسیوس حرارت دهد و ابر پلاسما هیدروژنی را برای ربع ثانیه حفظ کند. این ممکن است به نظرتان لحظه بسیار کوتاهی بوده باشد اما در واقع پیشرفت شگرفی محسوب می‌شود. تجهیزات چین مدعی شد که این رکورد را زده و چندی پیش در فوریه اعلام کردند که پلاسما هیدروژن را در ۴۹٫۹۹۹ میلیون درجه سلسیوس تولید کردند و آن را تا ۱۰۲ ثانیه نگه داشتند.
تاکنون هیچ کدام از این دو ماشین نتوانستند اثبات کنند که می‌توانند میزان ثابتی از انرژی را از طریق ترکیب هسته تولید کنند، تنها این که توانستند مواد را برای شروع فرآیند به گرما مورد نیاز برسانند. اما حالا فیزیکدانان آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون دپارتمان انرژی آمریکا (PPPL) فکر می‌کنند به راه بهتری دست یافتند. ماشین ترکیب هسته‌ای عملا شبیه قرار دادن فیلی در فنجان است، اعضای گروه PPPL می‌خواهند با استفاده از مواد و دانش خود، شکل بهتر فنجان (محفظه) را دوباره طراحی کنند.
درحالی که ماشین‌های قدیمی ترکیب هسته به نام توکاماک از میدان‌های مغناطیسی برای نگهداری پلاسمای فوق حرارت دیده در دستگاهی شبیه دونات استفاده می کرد، فیزیکدانان آمریکایی می‌خواهند توکاماک‌های کروی فشرده‌تری، بیشتر شبیه سیب، بسازند. همان طور که این گروه در مقاله اخیر توضیح داد طراحی کروی می‌تواند اندازه حفره میان شکل دونات مانند را نصف کند، در نتیجه پلاسما را قادر می‌کند با انرژی بسیار کمتر میدان مغناطیسی کنترل شود. همچنین حفره کوچک‌تر می‌تواند منجر به تولید تریتیوم شود – ایزوتوپ نادر هیدروژن – که با ایجاد واکنش‌های ترکیبی قادر به ترکیب با ایزوتوپ‌های دیگر هیدروژن به نام دوتریوم است.
همچنین گروه می‌خواهد مغناطیس عظیم مسی را در طراحی توکاماک قدیمی با مغناطیس فوق‌رسانا بسیار گرم که بسیار موثرتر است جایگزین کند، چون الکتریسیته بدون کمترین مقاومتی از میان آن جریان پیدا می‌کند. خوشبختانه آن ها طراحی‌شان را از ابتدا شروع نمی‌کنند. آن ها طراحی‌شان را از دو توکاماک کروی موجود می‌گیرند، یعنی توکاماک کروی مگا آمپر بریتانیا (MAST)، که در مراحل آخر تولید به سر می‌برد، و ارتقا آزمایش تورس کروی ملی PPPL، که سال گذشته به صورت آنلاین ایجاد شد.
یکی از محققان حاضر در این مطالعه، جاناتان منارد سرپرست برنامه NSTX-U است که در بیانیه‌ای گفت: “ما برای برنامه‌های آتی راه‌های جدیدی ارائه می‌دهیم”. استوارت پراگر سرپرست PPPL نیز افزود: “این تجهیزات باعث پیشرفت فیزیک می‌شود و دانش ما از پلاسمای فوق حرارت دیده را زیاد می‌کند، و اگر موفقیت آمیز باشد، ایجادگر پایه‌های علمی برای پیشرفت ترکیب براساس طراحی‌های فشرده‌تر است.”
ما باید منتظر باشیم و نتیجه را ببینیم، اما با وجود دنیایی که منتظر دیدن کار NSTX-U و MAST است امیدواریم تلاش آن ها نتیجه بخش باشد و ما را به رویای قراردادن ‘فیل در فنجان’ نزدیک‌تر کند.
منبع: sciencealert