مقدمه
سوخت های فسیلی منابع گرانبهایی هستند و بشر پیشرفت صنعتی خود را مدیون این سوخت ها ست . متأسفانه این سوخت ها روزی پایان خواهند یافت و بشر باید از همین حالا به فکر منبعی جایگزین برای سوخت های فسیلی باشد . مصرف گسترده ی انرژی حاصل از سوخت های فسیلی ، اگرچه رشد سریع اقتصادی جوامع را به همراه داشته اما به واسطه ی انتشار مواد آلاینده ی حاصل از سوختن و افزایش دی اکسیدکربن در جو و پیامد های آن ، جهان را با تغییرات روزافزونی مواجه ساخته است . از این رو مطالعات گسترده ای جهت دستیابی به منابع انرژی جایگزین صورت گرفته که هم اکنون تمرکز اصلی بر واکنش ها و رآکتورهای هسته ای قرار دارد .
خورشيد و ستارگان:
یکی از منابع مهم انرژی در جهان ، منبع عظیم انرژی خورشیدی است . سالهاست كه دانشمندان واكنشي را كه در خورشيد و ستارگان رخ داده و در آن انرژي توليد مي كند كشف كرده اند. مركز خورشيد بيشترين دما را دارد و دماي آن تقريبا 15 ميليون درجه ی سانتی گراد است. در خورشید ، هسته های سبک مانند هیدروژن ، دوتریوم و تریتیوم (ایزوتوپ های هیدروژن) به هم جوش می خورند و هسته های سنگین تری به وجود می آورند ، در نتیجه انرژی زیادی به همراه یک هسته اتم هلیوم آزاد می شود و به زبان ساده واکنش گداخت هسته ای (همجوشی هسته ای) صورت می پذیرد . در حال حاضر انرژی خورشیدی و انرژی حاصل از همجوشی هسته ای تنها روش و منبع پایان ناپذیر انرژی جهان شناخته شده است . حالت ماده ی تشکیل دهنده ی خورشید و تمامی ستارگان ، پلاسما است
پلاسما :
گاز یونیزه شده‌ای که همه یا بخش قابل توجهی از اتم‌های آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یون های مثبت تبدیل شده اند . پلاسما در واقع حالت چهارم ماده است ( جامد ، مایع ، گاز ، پلاسما ) که در دماهای خیلی بالا به وجود می آید .
شکافت هسته ای و گداخت هسته ای :
انرژی هسته ای به دو روش آزاد می شود : شکافت هسته ای و گداخت هسته ای
در واکنش شکافت هسته ای ، اورانیوم 235 مورد اصابت یک نوترون قرار می گیرد و دو عنصر سبک تر ، سه نوترون و مقدار زیادی انرژی تولید می کند . با وجود مزایای زیادی که شکافت هسته ای دارد به دلیل داشتن پسماند های پرتوزا از دایره ی انرژی های سبز خارج می شود . از سوی دیگر ذخایر اورانیوم جهان برای استفاده در رآکتور های شکافت تا یک قرن کفایت می کند .
واکنش دیگری که موجب آزادسازی انرژی هسته ای می شود گداخت هسته ای نام دارد . در حقیقت گداخت هسته‌ای بر عکس فرآیند شکافت هسته‌ای است . در گداخت هسته‌ای دو هسته ی کوچکتر با هم برخورد کرده و تبدیل به یک هسته ی بزرگتر می‌شوند که با آزادسازی مقدار زیادی انرژی همراه است . انرژی حاصل از گداخت به دلیل وجود منابع سرشار دوتریوم ( ایزوتوپ سنگین اتم هیدروژن ) موجود در آب اقیانوس ها به تنهایی می تواند نیاز بشر را تأمین نماید.
از مزایای گداخت هسته ای ، پاک بودن ، ایمن بودن ، ارزان بودن و فراوانی دوتریوم است که سوخت اولیه ی رآکتور های گداخت می باشد و به مقدار زیادی در آب اقیانوس ها وجود دارد . از سایر کاربردهای گداخت هسته‌ای می‌توان به تولید رادیو داروها در تشخیص و درمان انواع سرطان ، پرتو درمانی ، علم مواد و نانو تکنولوژی اشاره کرد. مهمترین کاربرد گداخت هسته‌ای ، دستیابی به انرژی الکتریکی است .
در کره ی زمین این انرژی را می توان به روش محصورسازی مغناطیسی در رآکتور های گداخت هسته ای تولید کرد . در این رآکتور ها ، انرژی تولید شده در طی واکنش که معمولا به صورت گرماست باعث بخار شدن آب و به حرکت در آوردن توربین و در نهایت تولید برق می شود . به عنوان مثالی از انرژی تولیدی در یک راکتور گداخت می‌توان گفت اگر یک گالن از آب دریا را که دارای مقدارکافی دوتریوم است در واکنش همجوشی استفاده کنیم معادل ۳۰۰ گالن گازوئیل ، انرژی بدون آلودگی تولید می‌کند.
رآکتور های گداخت هسته ای ( توکامَک ) :
توکامک به معني ” اتاقك مغناطيسي چنبره اي” در دهه پنجاه ميلادي توسط روسها پيشنهاد شد . توكامک نوعی رآکتور پلاسمایی با میدان های الکترومغناطیس است . نوعی رآکتور که با کمک میدان های الکترومغناطیسی شرایط انجام واکنش همجوشی را برای ما محیا می سازد . در این رآکتور دوتریوم و تریتیوم (ایزوتوپ های هیدروژن) به عنوان سوخت وارد محفظه ی چنبره ای شده و با استفاده از روش های محصورسازی و گرمایشی به حالت پلاسما در می آیند . شروع واكنش همجوشي به دماي بسيار بالايي نيازمند است . دماي پانزده ميليون درجه دماي بسيار بالايی است و ایجاد چنین شرایطی برای انجام این واکنش در روی زمین کاری نسبتا دشوار است اما غیر ممکن نیست . پژوهش ها در زمینه ی دستیابی به راکتورهای گداخت هسته ای قریب به نیم قرن است که در سطح دنیا آغاز، و همچنان با جدیت دنبال می شود. در حال حاضر تمام کشورهای پیشرفته ی دنیا برای رسیدن به انرژی لایزال گداخت هسته‌ای وارد رقابت بزرگی شده‌اند.
بزرگترین توکامک ساخته شده مربوط به پروژه ITER ( ایتر ) است که در سال 1985 مطرح گردید و هم اکنون هفت کشور روسیه، آمریکا، هند، چین، کره جنوبی، ژاپن و اتحادیه ی اروپا از اعضای این پروژه هستند . ایتر بزرگترین توکامک در نوع خود تا کنون است و محل ساخت آن در فرانسه قرار دارد.
ایران و گداخت هسته ای :
پایه ریزی و شکل گیری هسته های اولیه ی تحقیقات بر روی موضوعات مرتبط با علوم و فنون هسته ای ، با راه اندازی و بهره برداری از رآکتور 5 مگاواتی مرکز اتمی دانشگاه تهران در سال 1346 صورت گرفت . بعد از تأسیس سازمان انرژی اتمی ایران در سال 1353 کل ساختار و تشکیلات پژوهشی مرکز اتمی دانشگاه تهران به سازمان انرژی اتمی منتقل شد . با اینکه در این مدت، فعالیت‌های علمی – پژوهشی در زمینه ی گداخت هسته ای دچار فراز و نشیب‌های شدیدی شده است ولی به طور کلی این فعالیت‌ها باعث تولید دانش گداخت هسته‌ای در کشور ، تربیت نیروی انسانی متخصص و طراحی و ساخت دستگاه‌ها و سیستم‌های علمی و فنی پیشرفته شده است .
هم اکنون پژوهشکده ی فیزیک و گداخت هسته ای دارای چندین آزمایشگاه تحقیقاتی در زمینه ی گداخت هسته ای می باشد که از جمله ی آنها می توان آزمایشگاه تحقیقاتی توکامک الوند ، توکامک دماوند و توکامک روسی IR-T1 مرکز تحقیقات فیزیک پلاسمای دانشگاه آزاد واحد علوم و تحقیقات تهران را نام برد . در حال حاضر پژوهشگران بسیاری در کشور عزیزمان ایران در تمام عرصه‌های علم گداخت هسته‌ای فعالیت دارند و هدف اصلی آنها دستیابی به برق حاصل از رآکتورهای گداخت هسته ای همزمان با کشورهای پیشرفته ی دنیاست.
منابع :
- کتاب اصول همجوشی هسته ای ، دکتر محمدرضا اسکندری ، دانشگاه شیراز
- کتاب توکامک ، جان وسون ، سازمان انرژی اتمی
- شبکه فیزیک هوپا
- گزارش بازدید از مرکز تحقیقات فیزیک پلاسمای تهران 1391
جمع آوری کننده مطلب: معاونت محترم پرورشی سرکار خانم واحدی
تایید کننده مطلب: مدیریت محترم آموزشگاه؛ سرکار خانم ملائکه