همجوشی هسته‌ای (Fusion) یا گداخت هسته ای، واکنشی کاملاً برعکس شکافت هسته‌ای است. به جای شکافتن اتم‌های بزرگ به اتم‌های کوچک، اتم‌های کوچک به یکدیگر جوش داده می‌شوند تا اتم‌های بزرگ به‌وجود آیند. این واکنش انرژی خیلی زیادی آزاد می‌کند، چرا که طبق نظریه نسبیت خاص اینشتین، قسمتی از ماده این واکنش به انرژی تبدیل می‌شود.
همجوشی هسته ای
یک نوع دیگر واکنش هسته ای که منشا تولید انرژی در ستارگان و خورشید است گداخت یا همجوشی هسته‌ای نام دارد. در فرایند گداخت هسته‌ای دو هسته سبک با یکدیگر ترکیب می‌شوند و هسته سنگین‌تری به وجود می‌آورند. برای مثال در واکنش زیر با همجوشی هسته های دو ایزوتوپ هیدروژن یعنی دوتریم و تریتیم هسته هلیم و یک نوترون پر انرژی تولید می‌شود.
واکنش تصویر بالا به صورت زیر است.
انرژی جنبشی نوترون آزاد شده در این واکنش حدود ۱۷٫۶ مگا الکترون ولت است.
مجموع جرم محصولات در این واکنش کمتر از مجموع جرم هسته های اولیه است. این کاستی جرم طبق رابطه E=mc2 اینشتین تبدیل به انرژی شده است.
راکتور همجوشی (گداخت) هسته ای
از آنجا که در واکنش های گداخت، مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد می شود، ساخت راکتورهای گداخت مورد توجه زیادی است. اگرچه تا کنون نوع تجاری آن ساخته نشده است.
مشکلات در ساخت راکتور گداخت به این علت پیش می آید که دو هسته کم جرم باید به قدر کافی به هم نزدیک شوند تا نیروی کوتاه بُرد هسته ای بتواند آنها را کنار هم نگه دارد و واکنش گداخت انجام شود. ولی، هر هسته، بار مثبت دارد و هسته دیگر را دفع می کند، برای آنکه هسته ها با وجود این نیروی رانشی بسیار قوی، بتوانند به هم گداخته شوند، باید دما بسیار بالا باشد تا هسته ها با انرژی جنبشی زیادی به یکدیگر برخورد کنند. به همین دلیل، برای انجام این واکنش باید مقدار زیادى انرژى صرف کرد.
در شکل بالا طرحی از راکتور آزمایشی گرما هسته ای بین المللی (ITER) را مشاهده می کنید. ساخت این راکتور با مشارکت چندین کشور جهان، از سال ۲۰۰۷ در فرانسه شروع شده است و پیش بینی می شود بنای آن در سال ۲۰۲۱ به اتمام برسد. قرار است این راکتور از سال ۲۰۳۵ با توان خروجی ۵۰۰ مگاوات شروع به کار کند.
به طور مثال، برای شروع واکنش دوتریم- تریتیم ، به دمایی حدود ده ها میلیون درجه سلسیوس نیاز است.دمایی از این مرتبه در ستارگان و خورشید وجود دارد. مثلاً خورشید، که در آن از همجوشی هسته های هیدروژن انرژی آزاد می شود، دمای درونی آن فراتر از ۲۰ میلیون درجه سلسیوس برآورد شده است. در نتیجه واکنش گداخت هسته اى، در مرکز خورشید و ستارگان که دما و فشار بسیار بالاست صورت مى گیرد.
مزیت همجوشی هسته‌ای نسبت به شکافت هسته‌ای
- منابع سوخت آن بسیار فراوان است. به عنوان مثال دوتریم حدود ۰۱۵۳ درصد اتمی از هیدروژن‌های آب اقیانوس‌ها را تشکیل می‌دهد. تریتیم نیز در فرایند جذب نوترون توسط لیتیم قابل تولید است.
- به ازاء هرنوکلئون از ماده سوخت، انرژی تولیدی نسبت به روش شکافت بیشتر است.
- معضل پسماندهای هسته‌ای را ندارد.
- اینکه در هنگام وقوع حوادث احتمالی، راکتور همجوشی از کنترل خارج نمی‌شود.
به عنوان مثالی از انرژی تولیدی در یک راکتور همجوشی می‌توان گفت اگر یک گالن از آب دریا را که دارای مقدارکافی دوترون است در واکنش همجوشی استفاده کنیم، معادل ۳۰۰ گالن گازوئیل انرژی بدون آلودگی تولید می‌کند.
روش های ایجاد فرآیند
تاکنون دو روش شناخته شده به منظور ایجاد فرآیند همجوشی هسته‌ای ارائه شده است.
در روش اول که تحت عنوان محصورسازی مغناطیسی (Magnetic Confinement) شناخته می‌شود، اتم‌های دوتریم و تریتیم به اندازه دمای هسته‌ی خورشید یعنی حدود ۱۰۰ میلیون درجه سانتی‌گراد داغ می‌شوند. سپس آنها را با استفاده از میدانی مغناطیسی بسیار قوی در مسیری حلقوی تحت عنوان چنبره گیر می‌اندازند. به دستگاهی که این کار را انجام می‌دهد، توکاماک (Tokamak) گفته می‌شود. در حال حاضر بزرگ‌ترین توکاماک در آزمایشگاه (JET: Joint European Torus) در جنوب آکسفورد در انگلستان قرار دارد.
روش دوم تحت عنوان محصورسازی لختی (Inertial Confinement) شناخته می‌شود. در این روش اتم‌ها درون لایه‌هایی به صورت کپسول قرار می‌گیرند. در ابتدا با استفاده از لیزر به لایه بیرونی حرارت منتقل می‌شود. لایه حرارت دیده شده به سمت بیرون پرتاب شده و منجر می‌شود اتم‌های درون آن فشرده شده و فرآیند همجوشی رخ دهد. در حقیقت موج ضربه‌ای ایجاد شده در درون کپسول منجر به فشرده شدن اتم‌ها به یکدیگر و رخ دادن همجوشی می‌شود. نمونه‌ای از محصورسازی لختی در آزمایشگاه ملی برکلی در کالیفرنیا انجام شد. در این روش به‌طور همزمان از ۱۲۹ لیزر به منظور حرارت دهی به کپسول حاوی هیدروژن استفاده شد.
ویدیو آموزشی همجوشی هسته ای
در این ویدیو آموزشی انرژی آزاد شده در فرایند همجوشی هسته ای محاسبه می شود و در مورد انواع راکتورهای همجوشی و همچنین برتری های آن نسبت به راکتورهای شکافت هسته ای توضیح داده می شود.
مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات
دانلود نسخه PDF جزوه بالا
2 دیدگاه دربارهٔ «همجوشی هسته ای»
سلام ببخشید یک سوال داشتم بعد از پیوند انرژی و نوترون آزاد شده را چطور به جریان برق تبدیل میکنیم ممنون میشم
پاسخ بدهید؟
از گرمای حاصل از انرژی آزاد شده، آب را به بخار تبدیل میکنیم و بخار با شدت زیاد می تواند توربین را بچرخاند و با استفاده از القای الکترومغناطیسی برق تولید می کنیم.