به گزارش ایسنا، خورشید در هسته خود با دمایی در حدود ۱۵ میلیون درجه سلسیوس واکنش همجوشی هسته‌ای را حفظ می‌کند. با وجود این، دانشمندانی که در حال توسعه رآکتورهای همجوشی روی زمین هستند، اغلب دماهایی بالاتر از ۱۰۰ میلیون درجه سلسیوس را هدف قرار می‌دهند.

به نقل از آی‌ای، اگر هدف بهره‌گیری از فرآیندی است که به نزدیک‌ترین ستاره‌ ما نیرو می‌بخشد، چرا سوخت باید تا این حد داغ‌تر شود؟

پاسخ چیزی بیش از گرما است. گرانش خورشید پلاسمای متراکم را محدود می‌کند؛ در حالی که ماشین‌های زمینی باید شرایطی را برای همجوشی مفید در فضای بسیار کوچک‌تری ایجاد کنند. سوخت و روش‌های محصورسازی آنها نیز متفاوت است. بنابراین، رسیدن به دمای هسته خورشید به ‌تنهایی برای برآورده کردن الزامات بسیاری از طرح‌های رآکتور کافی نخواهد بود.

خورشید نیروی گرانش را در خود دارد

همجوشی زمانی رخ می‌دهد که هسته‌های اتمی سبک با هم ترکیب می‌شوند و انرژی آزاد می‌کنند. نزدیک کردن آنها به یکدیگر دشوار است، زیرا هسته‌ها بارهای الکتریکی مثبت دارند و یکدیگر را دفع می‌کنند. آنها باید به اندازه کافی به هم نزدیک شوند تا نیروی هسته‌ای، جاذبه آنها را به هم متصل کند.

درون خورشید، گرانش ماده را فشرده می‌سازد و پلاسمای داغ را محصور می‌کند. این امر یک محیط متراکم را فراهم می‌کند که در آن هسته‌ها می‌توانند با هم تعامل داشته باشند. رآکتورهای محصورسازی مغناطیسی با سوخت بسیار رقیق‌تری کار می‌کنند و به هر هسته، شرکای کمتری در یک حجم مشخص می‌دهند.

افزایش دما، احتمال وقوع همجوشی را در جریان آن برخوردها افزایش می‌دهد. دما بیانگر میانگین انرژی جنبشی ذرات است. با داغ‌تر شدن پلاسما، هسته‌های آن سریع‌تر حرکت می‌کنند و بخش بزرگ‌تری از برخوردها با انرژی‌هایی رخ می‌دهد که برای همجوشی مناسب هستند.

تونل‌زنی کوانتومی نیز به هسته‌ها امکان می‌دهد تا از سد الکتریکی عبور کنند که در غیر این صورت آنها را از یکدیگر دور نگه می‌داشت. این فرایند هم در ستاره‌ها و هم در همجوشی آزمایشگاهی اهمیت دارد. با وجود این، دمای بالاتر نمی‌تواند به‌ طور نامحدود کمبود چگالی یا اتلاف سریع انرژی را جبران کند. یک رآکتور باید ترکیبی کارآمد از هر سه شرط را برقرار کند.

رآکتورها از ترکیب سوختی متفاوتی استفاده می‌کنند

خورشید در درجه اول از طریق زنجیره پروتون-پروتون که در نهایت هیدروژن را به هلیوم تبدیل می‌سازد، انرژی تولید می‌کند. مرحله آغازین آن به ترکیب دو پروتون نیاز دارد که یکی از آنها از طریق تعامل ضعیف هسته‌ای به نوترون تبدیل می‌شود. این واکنش بسیار کند پیش می‌رود.

موجودی زیاد ذرات در خورشید با وجود سرعت پایین واکنش‌های منفرد، امکان وقوع تعداد بسیار زیادی از واکنش‌ها را فراهم می‌کند.

یک نیروگاه زمینی به واکنشی نیاز دارد که بتواند انرژی مفید را در یک دستگاه جمع‌وجور آزاد کند. بنابراین، بسیاری از طرح‌های همجوشی از ایزوتوپ‌های سنگین‌تر هیدروژن یعنی دوتریوم و تریتیوم استفاده می‌کنند.

هنگامی که این هسته‌ها با یکدیگر ادغام می‌شوند، یک هسته هلیوم و یک نوترون پرانرژی تولید می‌کنند. هم‌جوشی دوتریوم-تریتیوم، در دسترس‌ترین واکنش برای تولید انرژی هم‌جوشی روی زمین است، زیرا در مقایسه با سایر ترکیب‌های سوختی مطرح، در دماهای پایین‌تری عمل می‌کند. با وجود این، در طراحی‌های عملی معمولاً دماهایی در حدود ۱۰۰ تا ۱۵۰ میلیون درجه سلسیوس مد نظر قرار می‌گیرند. در شرح کلی پروژه «ایتر»(ITER) پیرامون هم‌جوشی، دمای هدف حدود ۱۵۰ میلیون درجه سلسیوس ذکر شده است.

این اعداد فقط اهداف عملیاتی هستند؛ نه یک دمای معیار جهانی. واکنش‌های همجوشی می‌توانند در دمای پایین‌تر از این دماها رخ دهند. چالش، دستیابی به سرعت واکنش به اندازه کافی بالا و در عین حال، کنترل تلفات انرژی است.

حفظ گرما به اندازه تولید آن اهمیت دارد

دانشمندان عملکرد همجوشی را از طریق دما، چگالی ذرات و زمان حبس انرژی ارزیابی می‌کنند. همان‌طور که پژوهشگران «مؤسسه فیزیک پلاسما ماکس پلانک»(IPP) توضیح دادند، زمان حبس انرژی بیانگر آن است که انرژی گرمایی با چه سرعتی از پلاسما خارج می‌شود، نه این که یک آزمایش چه مدت به طول می‌انجامد.

دستگاه‌های «توکامک‌»(Tokamak) و «استلاریتور»(Stellarator) از میدان‌های مغناطیسی برای محدود کردن پلاسما استفاده می‌کنند. همجوشی لیزری مسیر دیگری را در پیش می‌گیرد و یک قرص سوخت کوچک را فشرده و گرم می‌کند تا واکنش‌ها پیش از پراکندگی سوخت رخ دهند. این رویکردها تعادل‌های متفاوتی را میان چگالی و زمان حبس برقرار می‌کنند. از این رو، بیان این که زمین به‌ سادگی قادر به بازآفرینی فشار ستاره‌ای نیست، توضیحی ناقص به شمار می‌آید.

برای تداوم عملکرد، همجوشی باید بخش کافی از انرژی‌ را که پلاسما از دست می‌دهد، جایگزین کند. در یک پلاسمای در حال سوختن، خود واکنش‌های همجوشی بخش عمده‌ای از گرمایش را تأمین می‌کنند.

دستیابی به احتراق بدین معنا است که گرمایش خودبه‌خودی می‌تواند دمای مورد نیاز را بدون نیاز به گرمایش بیرونی حفظ کند. بنابراین، تنها ثبت دما نمی‌تواند یک منبع انرژی عملی را نشان دهد. سوخت باید به اندازه کافی متراکم و عایق‌بندی شده باشد تا همجوشی بتواند انرژی مورد نیاز را ارائه دهد. پلاسمای داغ‌تر بخشی از این تعادل دشوار است.

انتهای پیام