مقدمه ای بر روی انواع روشهای همجوشي هسته اي

آینده ی بشر به طرز باورنکردنی، به انرژی هسته ای گره خورده است. همین طور که جمعیت جهان افزایش می یابد، تقاضا برای انرژی به منظور تامین یک زندگی قابل قبول نیز افزایش یافته و منابع قابل دسترسی و بخصوص منابع سوختهای فسیلی را به طور جدی کاهش خواهد داد منابع و روشهای جدید و متفاوت تبدیل انرژی باید کشف شده و به استفاده ی عملی برسند استفاده ی عاقلانه از انرژی هسته ای، بر اساس درک هر دوی خطرات و منافع اش برای غلبه بر چالشی که موجودیت ما را تهدید می کند ضروری است.

از آنجا که انرژی هسته ای به دو صورت شکافت هسته ای و همجوشی هسته ای مورد استفاده قرار می گیرد ، در دهه های اخیر، همجوشی هسته ای با توجه به مزیت های آن نسبت به شکافت، از اهمیت خاصی برخوردار شده است. در فرایند همجوشی به روش محصورسازی اینرسی(ICF) قرص سوخت را به طور یکنواخت و متقارن تحت تاثیر باریکه های لیزری پر شدت قرار می دهند به همین منظور سعی در تولید لیزر های پرتوان(پتاوات، اگزاوات و زتاوات) است.

1-2 انواع واکنش هاي هسته اي

انواع واکنش هاي هسته اي عبارتند از واکنش شکافت و واکنش همجوشي .

شکافت فرايندي است که در آن هسته يک اتم سنگين نظير  تبديل به هسته هاي سبک تر مي شود و البته در اين بين مقداري انرژي نيز آزاد مي شود که براي واکنش زير در حدود  مي باشد .

(1-1)

رهيافت ديگري که براي استفاده از انرژي هسته اي ارائه گرديده است و نسبت به روش اول يعني شکافت قدمت کمتري دارد، همجوشي مي باشد. در همجوشي هسته اي، هسته دو اتم سبک نظير هيدروژن با يکديگر ترکيب شده و هسته سنگين تري نظير هليوم را مي سازند. در خلال اين فرايند مقداري انرژي آزاد مي شود. واکنش زير مثالي از اين دسته است:

(1-2)

این واکنش به نام واکنش دوتریم – تریتیم یا واکنش  معروف است. هرگاه انرژی های جنبشی ذرات تابشی کم وقابل اغماض باشند، ذرات تولیدی  و  با رعایت قانون پایستگی تکانه خطی، مقدار انرژی  را بین خود تقسیم می کنند، و یک نوترون تک انرژی با انرژی  پدیدار می شود شکل (1-1) این پدیده را بهتر نشان می دهد. غالباً از این واکنش به عنوان یک منبع نوترون های تند استفاده می شود. به خاطر آزادسازی انرژی زیاد، واکنش  برای استفاده در راکتورهای همجوشی کنترل شده انتخاب شده است.

شکل (1-1) همجوشی D-T

در همجوشی هسته ای، برخلاف شکافت هسته ای که از هسته های خیلی سنگین شروع می کند، می توان با شروع از هسته های خیلی سبک از منحنی انرژی بستگی بالا رفت و به طرف هسته های پایدار نزدیک  شد. در این فرایند دو هسته ی سبک با هم ترکیب شده و هسته ای با جرم کمتر از  ایجاد می شود و مقداری انرژی نیز آزاد می شود . شکل (1-2) منحنی انرژی بستگی ( متوسط انرژی بستگی بر نوکلؤن بر حسب  نسبت به تعداد نوکلؤنهای هسته) برای تعدادی از ایزوتوپها را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود عناصر سنگین با واپاشی و شکافت و عناصر سبک با همجوشی سعی در رسیدن به شرایط پایداری دارند.

شکل(1-2) منحنی انرژی بستگی (متوسط انرژی بستگی بر نوکلؤن نسبت به تعداد نوکلؤنهای هسته)

  اگر خواسته باشيم تا مقايسه اي بين دو روش ياد شده انجام دهيم، توجه به نکات زير حائز اهميت است:

1-همجوشي از نظر زيست محيطي بسيار مناسب به نظر مي رسد و خطرات تشعشع مواد راديو اکتيويته در آن بسيار پايين و گاهاًً ناچيز است. چرا که محصولات نهایی همجوشی معمولاً هسته های سبک پایدارند. در صورتی که در واکنش شکافت به دلیل هسته های سنگین پرتوزا پاره های حاصل از واکنش از این نظر بسیار خطرناک هستند.

2- منابع مورد نياز براي واکنش همجوشي فراوانند؛ مثل همجوشي  که به دوتريم و تريتيم نياز دارد. اگر چه تريتيم به طور طبيعي وجود ندارد، اما امکان ساخت آن وجود دارد و مقدار کمي از آن به همراه دوتريم مي تواند تا مدتهاي مديدي انرژي مورد نياز بشر را تامين کند. تریتیم در فرایند جذب نوترون توسط لیتیم قابل تولید است و دوتریم را می توان با صرف هزینه ی اندک از آب دریا استخراج کرد ( از هر ده هزار مولکول آب اقیانوس ها،
سه تای آن آب سنگین یا همان دوتریم می باشد).

3-در هنگام وقوع حوادث احتمالی، راکتور همجوشی از کنترل خارج نمی شود در صورتیکه در راکتور شکافت ،امکان غیر قابل کنترل بودن واکنش ها وجود دارد [5].

پس در يک مقايسه ابتدايي مشخص مي شود که روش همجوشي بسيار بهتر و مفيد تر مي باشد و به همين دليل است که امروزه توجه بسيار زيادي به مطالعه واکنش هاي همجوشي هسته اي و شرايط حاکم بر آن در سراسر دنيا شده است.

1-3 شرايط واکنشهاي همجوشي

به طور کلي امکان انجام واکنشهاي همجوشي به سادگي امکان پذير نيست. زيرا انجام واکنش همجوشي مستلزم غلبه دو هسته واکنش دهنده بر سد کولني بين آنها مي باشد. لذا چنانچه بخواهيم تا واکنش همجوشي قابل انجام باشد، بايستي به نحوي بر اين سد کولني غلبه کنيم. براي نيل به اين منظور دو گزينه پيش روي داريم:

الف(  به هسته ها انرژي جنبشي زيادي بدهيم  به طوريکه امکان عبور از سد پتانسيل کولني را داشته باشند.

ب (  ارتفاع سد پتانسيل کولني را کاهش دهيم.

اگر گزينه ی اول را انتخاب کنيم، از همجوشي گرم سخن به ميان آورده ايم و چنانچه راه دوم را بر گزينيم، همجوشي سرد را در نظر گرفته ايم .

نکته ديگري که بايد به آن توجه داشت آنست که علاوه بر به وجود آوردن شرايط مذکور، مي بايستي سطح مقطع واکنش دو هسته مورد نظر نيز بالا باشد؛ زيرا سطح مقطع بيانگر معيار مستقيمي از احتمال وقوع واکنش هسته اي است و هر چه سطح مقطع بزرگتر باشد، امکان وقوع واکنش بيشتر است؛ مثلاً در اکثر واکنش هاي همجوشي، واکنش به اين دليل مورد توجه قرار گرفته است که سطح مقطع واکنش آن نسبت به ساير واکنشها بالاتر است[8,9]. نمودار (1-1) مقایسه ای بین سطح مقطع های واکنش های مختلف انجام داده است. همانطور که دیده می شود بیانگر سطح مقطع بزرگ واکنش  نسبت به سایر واکنش هاست.

لازم به ذکر است که در محدوده ی دماهای  تا  واکنش پذیری واکنش های ، ،  به طور دقیق توسط  و به صورت تابع زیر بیان شده است:

 (1-3)

که در آن  و  به صورت زیر تعریف شده اند:

(1-4)

واکنش پذیری واکنش  ،در محدوده ی دمایی بیشتری توسط  و  به صورت زیر بیان شده است.

(1-5)

مقادیر ثابت های  تا  در معادلات فوق در جدول (1-1) آورده شده اند.

جدول (1-1) ثابت های واکنش پذیری واکنش های مختلف را نشان می دهد که در آن انرژی و دما برحسب و واکنش پذیری بر حسب  می باشد.

با توجه به روابط فوق و داده های جدول (1-1) می توان منحنی  بر حسب دما را برای واکنش های مختلف به صورت نمودار (1-1) ترسیم کرد.

نمودار(1-1) مقایسه سطح مقطع واکنشهای مختلف

اين نکته را هم اضافه مي کنيم که سطح مقطع تابعيت مستقيمي از دما يا انرژي دارد و معمولاً بر حسب يکي از اين دو کميت داده مي شود.

1-4  انواع واکنشهاي همجوشي از نظر دما

بسته به دمای ايجاد شده در طي وقوع يک واکنش همجوشي مي توان دو نوع کلي از واکنشهاي همجوشي را که البته قبلاً هم از آنها سخن به ميان آورده ايم، طبقه بندي نماييم:

همچوشي سرد و همجوشي گرم که هر يک را به طور مختصر توضيح مي دهيم.