کپی خورشید روی زمین
خورشید همچون یک رآکتور اتمی بسیار بزرگ، به منظومه شمسی انرژی می‌بخشد، اما انسان‌ها می‌توانند مدلی مشابه آن را برای تامین انرژی روی زمین عملیاتی کنند؟
ساسان شادمان منفرد_خبرنگار
خورشید منبع انرژی منظومه شمسی است و زمین برای حیات به این رآکتور غول‌پیکر نیاز مبرم دارد. هر ارگانیسمی روی این سیاره، حیات خود را مدیون نزدیک‌ترین ستاره به زمین است. نبض این ستاره به سبک‌ترین و کوچک‌ترین عنصر جهان هستی، یعنی هیدروژن و واکنش‌هایی که به آن زنجیر پروتون - پروتون گفته می‌شود، بستگی دارد. در واقع در مرکز خورشید ما شاهد همجوشی هسته‌ای هستیم و با یک رآکتور غول‌پیکر و عظیم هسته‌ای زمین ما گرم می‌شود. سال‌هاست که دانشمندان در تلاش هستند که این رآکتور را روی زمین شبیه‌سازی کنند تا با مهار این انرژی بتوان از آن استفاده کرد. اما کار به این راحتی نیست و هنوز برای عملیاتی‌شدن این ماجرا راهی طولانی در پیش است. اما روزی انسان می‌تواند یک کپی از خورشید روی زمین داشته باشد؟
رآکتوری هسته‌ای به نام خورشید
اتم‌های هیدروژن بسیار ساده هستند. نسخه پایه اتم هیدروژن، دارای یک بار مثبت یا پروتون و یک بار منفی یا الکترون است که با کمک نیروی کولن به هسته پیوند خورده‌‌اند. به‌صورت معمول، اتم‌ها فاصله خود را از یکدیگر حفظ می‌کنند. بارهای مثبت در داخل خود مانند آهنربا عمل دفع هسته‌ای دارند، اما در قلب خورشید، دما و فشار فوق‌العاده زیاد است. اتم‌ها در آنجا بسیار سریع حرکت می‌کنند و دیگر نیروی دافعه‌ای وجود ندارد، به‌همین دلیل آنها با سرعت به یکدیگر برخورد می‌کنند. وقتی این برخورد اتفاق بیفتد، هسته‌ها می‌توانند به یکدیگر گیر کنند. همجوشی هسته‌ای در چند مرحله رخ می‌دهد که نخستین آن از برخورد 2روتون با یکدیگر شکل می‌گیرد. زمانی که این برخورد اتفاق افتاد، یک پروتون، یک پوزیترون (الکترون با بار مثبت) و یک نوترینو (الکترون خنثی) را از داخل خود به بیرون پرتاب می‌کند. با جدایی این دو بخش، یک پروتون به نوترون تبدیل می‌شود و آن جفت از ایزوتوپ سنگین‌تر هیدروژن، دوتریوم نام می‌گیرد.
مرحله بعد زمانی به‌وقوع می‌پیوندد که دوتریوم به پروتون دیگر برخورد می‌کند. این همجوشی، اشعه گاما را ساطع می‌کند که این خود گونه‌ای از اتم را به‌وجود می‌آورد؛ نسخه سبکی از هلیوم که به آن هلیوم3 گفته می‌شود. با داشتن 2پروتون و یک نوترون، این اتم آماده شروع مرحله سوم همجوشی است. زمانی که 2اتم هلیوم3 به‌هم برخورد می‌کنند، همجوشی آنها ذره آلفا (هلیوم4) را ایجاد می‌کند. این ذره شامل 2پروتون و 2نوترون (همانند اتم معمولی هلیوم) می‌شود. 2پروتون باقیمانده دور ریخته می‌شوند تا آماده حضور در یک چرخه دیگر شوند.
اما این چگونه انرژی تولید می‌کند؟ برای درک قدرت خورشید ما باید به درون معادلات یکی از بزرگ‌ترین دانشمندان جهان، یعنی آلبرت اینشتین ورود کنیم. او در فرضیه نسبیت خود توضیح می‌دهد که جرم و انرژی مانند هم هستند و یکی می‌تواند به دیگری تبدیل شود. معروف‌ترین معادله‌اش یعنی E=mc2 این ارتباط را به‌خوبی شرح می‌دهد. انرژی (E) یک ماده برابر است با جرم آن (m) ضربدر سرعت نور (c) به توان 2. این رابطه‌ای است که به رآکتور هسته‌ای در داخل خورشید انرژی می‌دهد. 4میلیارد سال است که خورشید جرم را به انرژی تبدیل می‌کند. اگر امروز به هسته آن نگاه کنیم، درمی‌یابیم که 62درصد از هسته‌های هیدرژون به هلیوم تبدیل شده‌اند. البته هنوز حجم بسیار زیادی از هیدروژن باقی مانده است و خوشبختانه این فرایند بسیار کند صورت می‌گیرد. بنابراین می‌توانیم نتیجه بگیریم که خورشید فعلا به‌کار خود برای حیات‌بخشی به ما ادامه می‌دهد.
مشکلات یک پروژه
چندی پیش دانشمندان انجمن ماکس پلانک در آخرین آزمایش‌های صورت‌گرفته موفق شدند در رآکتور «همجوشی محصورسازی‌شده مغناطیسی» به دمای ۴۰میلیون کلوین برسند. همجوشی هسته‌ای فرایندی عکس عمل شکافت هسته‌ای است. در فرایند همجوشی هسته‌ای هسته‌های سبک مانند هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم با یکدیگر همجوشی داده شده و هسته‌های سنگین‌تر و مقداری انرژی تولید می‌شود. به‌عنوان مثال در این فرایند هسته‌های هیدروژن در دما و فشاری بالا با یکدیگر ترکیب شده و هلیوم تولید می‌شود. در اثر این برخورد اتمی، مقدار زیادی انرژی تولید می‌شود که از لحاظ تئوری، به‌عنوان یک منبع پاک و نامحدود الکتریسیته به‌حساب می‌آید.
چیزی که باعث می‌شود رسیدن به فناوری همجوشی مشکل باشد، عدم‌علاقه هسته اتم‌ها به جوش‌خوردن با یکدیگر است. هسته اتم هیدروژن دارای یک پروتون است و بنابراین بار الکتریکی مثبت دارد.
وقتی می‌خواهیم یک هسته اتم هیدروژن دیگر را به آن جوش بدهیم، به‌دلیل اینکه هر دو دارای بار مثبت هستند، در برابر جوش خوردن مقاومت می‌کنند. تنها راه این است که به زور این کار را انجام دهیم و آن‌قدر دمای اتم‌ها را بالا ببریم که به پلاسما تبدیل شوند. اگر پلاسمایی با دمای بسیار بالا داشته باشیم، بعضی از هسته‌ها چنان محکم به یکدیگر برخورد می‌کنند که به یکدیگر جوش می‌خورند. برای انجام این فرایند، به دما و فشار خیلی زیادی احتیاج است. مشکل اینجاست که ما روی زمین باید شرایط قسمت مرکزی خورشید را بازسازی کنیم؛ خورشیدی که جرمش ۳۳۰هزار برابر زمین است و دمای مرکز آن به ۱۷میلیون درجه سانتی‌گراد می‌رسد. مشکل نخست این است که روی زمین به اندازه خورشید سوخت هیدروژن در اختیار نداریم و باید دما را به ۱۰۰میلیون درجه سانتی‌گراد برسانیم. مشکل دوم این است که ماده در شکل پلاسما رفتارهای عجیبی از خود نشان می‌دهد. پلاسما شکل چهارم ماده است؛ نه مایع، نه جامد و نه گاز. وقتی پلاسما را در دما و فشار خیلی زیاد قرار می‌دهیم، به‌شدت ناپایدار می‌شود. برای کنترل شرایط ناپایدار آن نیز از تجهیزات معمولی نمی‌توان استفاده کرد. به‌نوعی باید روی زمین یک ستاره ساخت. این کار به قدری چالش‌برانگیز است که بشر برای رسیدن به آن باید پیچیده‌ترین فناوری تاریخ را بسازد.
ماشینی به نام توکامک
توکامک دستگاهی است که کارش محصورسازی پلاسماست و برای ایجاد پایداری پلاسما بر مبنای محصورسازی مغناطیسی طراحی شده است. در دهه1950 ایگور یوگنیویچ تام و آندره ساخاروف، فیزیک‌دانان اتحاد جماهیر شوروی این دستگاه را ساختند. کاربرد اصلی توکامک‌ها دستیابی به تولید انرژی هسته‌ای با به‌کارگیری روش گداخت هسته‌ای است.
توکامک
دستگاهی است که کارش محصورسازی پلاسماست و برای ایجاد پایداری پلاسما بر مبنای محصورسازی مغناطیسی طراحی شده است
در همینه زمینه :
