مهار هم جوشی هسته ها
نویسنده: محمد رضا کاظمیان
گامی دیگر برای به خدمت درآوردن انرژی اتم
همه آنهایی که اندکی با فیزیک آشنایی دارند می دانند، که پایه های فیزیک نوین را دو نظریه نسبیت و کوانتومی تشکیل می دهند. اما هر کدام از این دو نظریه تا مرزهای معینی کاربرد دارند و بعد از آن به نتایج غیر قابل قبولی می انجامند. نسبیت که در میدان های گرانشی متداول مثل گرانش کهکشان ها نتایج کاملا درستی می دهد. وقتی با شرایط ابتدای آفرینش یعنی انفجار بزرگ مواجه می شود عباراتی نامتناسب ارائه می دهد، تضادهایی مثل ظهور بی نهایت ها. نظریه کوانتومی هم که در مورد فوتون ها و الکترون ها و دیگر اجرام ریز پیش بینی های درستی می کند، وقتی وارد ابعاد هسته ای و نیروهای مربوطه می شود به تناقضاتی می رسد. البته این بدان معنی نیست که ما اطلاعاتی در مورد هسته اتم ها نداریم، بلکه منظور این است که یک نظریه جامع برای توضیح آن چه در هسته می گذرد وجود ندارد؛ و گرنه بشر سال هاست که با هسته آشنایی دارد و با فرایندهای هسته ای، انرژی (و البته سلاح!) تولید کرده است. ولی اکنون انسان قصد دارد قدمی دیگر بردارد و آن مهار و کاربردی کردن انرژی گداخت هسته ای است. البته در این راه مشکلات عملی و نظری بسیاری وجود دارد. شاید سال ها تا برداشتن این قدم باقی مانده باشد اما به نظر می رسد در موسسه فناوری ماساچوست (MTY) (1) خبرهایی است........
نگریستن به داخل خورشیدی مصنوعی
بعد از حدود پنج دهه تحقیقات، انتظار می رود طی یک یا دو سال آینده گام های مهمی در راستای مهار نیروی جوش هسته ای برداشته شود. این مرحله که "اشتغال هم جوشی(2)" نام دارد، باید توسط دستگاهی با همین نام که در کالیفرنیا ساخته شده است، انجام شود. آخرین آزمایش ها مربوط به این دستگاه که اشتغال هم جوشی ملی (3) (NIF) نام گرفته است، سال ها گذشته مختصرا با شکست هایی مواجه شد. دانشمندان زیادی از جمله پژوهشگران مرکز علوم پلاسما و هم جوشی (PSFC)(4) برای عملی ساختن این بخش اساسی از عملیات ایفای نقش کرده اند. اگر بخواهیم به طور مختصر شرح دهیم، محققان PSFCمعین کرده اند که چگونه می توان از یک واکنش هم جوشی به عنوان نوعی نور پس زمینه(5) استفاده کرد؛ کاری که به آنها این توانایی را می دهد تا مشاهده کنند چه اتفاقی در واکنش های نخستین در حال روی دادن است. گداخت یا جوش هسته ای، به معنی ترکیب و ممزوج شدن دو اتم کوچک در یک اتم، به همراه آزاد کردن مقدار حیرت آوری انرژی است. این دقیقا همان فرآیندی است که در خورشید هم روی می دهد و شاید به گونه ای بتوان آن را راه حل نهایی مسئله انرژی جهان نیز دانست. زیرا این فرآیند می تواند مقادیر عظیمی از انرژی را بدون آلودگی های گلخانه ای ایجاد کند. هر چند شاید راه کار عملی کنترل این انرژی- مثلا با ساخت نیروگاه- تا یک دهه دیگر دور از دست باقی بماند.
یک مشکل اساسی پیشاوری محققان و مهندسان این است که واکنش واقعی باید در کپسولی با مقطع دایره ای شکل و قطر 2 میلی متر اتفاق بیفتد که دما و فشار آن در حال انفجار حتی بسیار بیشتر از آنی می شود که در مرکز خورشید موجود است! در چنین محیطی، تصویر نگاری یا انجام هر نوع اندازه گیری
به هیچ وجه کار آسانی نیست؛ در حالی که واضح است چنین اعمالی برای تنظیم سیستم و حصول نتیجه مطلوب حیاتی هستند. یک گروه از MIT که توسط محقق ارشد PSFC، "ریچارد پتراسو"(6) رهبری می شد، در روش استفاده از نور پس زمینه به پیشرفت هایی دست یافته اند. این موضوع برای اولین بار در سال 2008 به اطلاع عمومی رسید. اکنون این گروه گزارش می دهند که توانسته اند در دانشگاه رچستر(7) آزمایش های موفقیت آمیزی را ثبت کنند و موفق به یادگیری جزئیات جالبی درباره ماهیت میدان های الکتریکی و مغناطیسی اطراف کپسول کوچک شده اند.
دکتر پتراسو در این مورد می گوید: "ما در حال گرفتن یک تصویر فوری از چیزی بودیم که میدان های الکتریکی و مغناطیسی بدان شبیه بودند، این اطلاعاتی است که مشکل بتوان از روش دیگری به دست آورد."
ساخت یک جرقه زن برای گداخت
NIFاز روشی بهره می برد که "راه اندازی غیر مستقیم" نامیده می شود. در این روش، کپسول کوچکی از سوخت هیدروژنی را به داخل یک گودال که "تابشگر کامل(8)" نام دارد، می اندازد. سپس پرتوهای لیزر درون دیواره های این گودال را بمباران می کنند که این کار موجب گرم شدن دیواره ها و انتشار پرتوهای ایکس می شود، و این امر نیز به نوبه خود باعث اشتعال کپسول می شود. اشتعال یعنی هدف نهایی و اساسی NIF، به این معنی است که انرژی ناشی از گداخت اتم های فوق چگال هم جوار می شود و این روند همین طور در یک فرایند زنجیره ای ادامه می یابد. دکتر پتراسو توضیح می دهد: "اما برای رسیدن به نقطه شروع اشتعال به وسایل خطا یابی نیاز است، تا جزئیات آن چه داخل کپسول می گذرد را مشخص کنند، جایی که دما به 200 میلیون درجه کلوین می رسد و فشار هم می تواند تا یک تریلیون واحد اتمسفر افزایش یابد!"(9)
به منظور این که اشتعال به درستی عمل کند، کپسول حاوی دوتریوم و تریتیوم (دو شکل سنگین از عنصر هیدروژن) باید به طور تقریبا کامل کروی باشد، به طور کامل در مرکز تابش دهنده قرار بگیرد و باید در حالتی تقریبا کامل از تعادل و تقارن منفجر شود. پتراسو در این مورد می گوید: "یک پرسش مهم این است که دست ما چقدر برای خطاهای آزمایشگاهی باز است؟ این یکی از چیزهایی است که هنوز مشخص نشده، و در واقع پاسخ همین پرسش است که روشن می کند چرا روش های مشاهده سیستم این قدر با اهمیت هستند." در مرکز تحقیقات انرژی لیزر رچستر، کپسول دومی نزدیک کپسول اول جایگذاری و به وسیله پرتوهای لیزر بمباران شد که باریکه ای از پروتون ها را برای راه انداختن کپسول دوم در داخل تابشگر کامل تولید کرد.
«نلسون هوفمان» دانشمند فیزیک پلاسما در آزمایشگاه لوس آلاموس می گوید: "گروه MITدر چندین روش بسیار موثر، برای اندازه گیری جنبه های مهم آن چه داخل کپسول های گداخت روی می دهد، پیشرفت کرده اند. این جنبه ها به عنوان یک شاخص برای این که معلوم شود چقدر به هدف اشتعال نزدیک هستیم بسیار حیاتی اند. به عنوان یک نتیجه، گروه MIT هم اکنون نیز پدیده های شگفت انگیزی را در روش گسترش میدان های الکتریکی و مغناطیسی یافته اند. "او اضافه می کند: "تلاش برای رسیدن به گداخت هسته ای، یکی از سخت ترین مشکلات علمی است که تاکنون با آن درگیر بوده‌ایم. بنابر این بازنگری مسئله به روشی نوین (مانند تصویر نگاری پروتونی گروه MIT) برای کشف پدیده هایی که در هیچ روش دیگری نمایان نمی شود، می تواند کارساز باشد."
به عنوان یک نمونه از نتایجی که اخیرا منتشر شده، گروه MIT همراه با همکارانی از آزمایشگاه ملی "لاورنس لیورمور(10)" (آزمایشگاهی برای تحقیقات مربوط به انرژی لیزر) نتایجی را مشاهده کردند که از یک آزمایش به اصطلاح خودشان "برخورد پنج چگاله با الگوی ستاره ای" به دست آمد. این نتایج در میدان های اطراف کپسول مشاهده شده اند. باید تاکید کنیم که این میدان ها می توانند نقش مهمی را در مشاهدات غیر مستقیم بازی کنند. الگوی مشاهده شده، نتیجه مکان پرتوهای لیزر فرودی است.
پتراسو انتظار دارد که در NIF، مدت زیادی از نخستین آزمایش ها بگذرد تا هدف اشتعال حاصل شود. او می گوید: "این چیزی است که قبلا هرگز اتفاق نیفتاده است، بنابر این ما باید به شناختی وابسته باشیم که هم زمان خودمان با آزمایش به دست می آوریم، و این ماییم که باید موقعیت های بسیار دقیقی که مورد نیاز است ایجاد کنیم." وی که از سال 1978 (1357 ش) در PSFC مشغول کار بوده است، ادامه می دهد: "بسیاری از بخش های این تلاش، پایه های نظری- عملی دقیقی دارند؛ اما بسیاری دیگر نیز این طور نیستند. به همین خاطر، ما باید نقاط تاریک تئوری ها را خودمان پر کنیم تا بتوانیم سرانجام، شرایط را به درستی مهیا کنیم."
برای این کار، علاوه بر کمک های مرکز رچستر، محققان MIT شامل 6 دانشجوی دکتر، نقش مهمی را در انجام پروژه NIF ایفا کرده اند.
به بیان پتراسو: " اشتعال نه فقط گام مهمی به سوی اتفاقی است که شاید روزی به استفاده عملی از نیروی گداخت بینجامد، بلکه همچنین می تواند وسیله عملی خوبی باشد تا بفهمیم خورشید و دیگر ستارگان چطور کار می کنند. شما- حتی در خلال همین آزمایش ها که فقط چند میلیونیوم ثانیه دوام دارند- شرایطی را ایجاد می کنید که تنها می توان در مرکز ستارگان یافت، به نظر من اخترفیزیکدانان نیز این شرایط را بسیار جالب و مسحور کننده خواهند یافت."
************
همه آنهایی که اندکی با فیزیک آشنایی دارند می دانند، که پایه های فیزیک نوین را دو نظریه نسبیت و کوانتومی تشکیل می دهند. اما هر کدام از این دو نظریه تا مرزهای معینی کاربرد دارند و بعد از آن به نتایج غیر قابل قبولی می انجامند. نسبیت که در میدان های گرانشی متداول مثل گرانش کهکشان ها نتایج کاملا درستی می دهد. وقتی با شرایط ابتدای آفرینش یعنی انفجار بزرگ مواجه می شود عباراتی نامتناسب ارائه می دهد، تضادهایی مثل ظهور بی نهایت ها. نظریه کوانتومی هم که در مورد فوتون ها و الکترون ها و دیگر اجرام ریز پیش بینی های درستی می کند، وقتی وارد ابعاد هسته ای و نیروهای مربوطه می شود به تناقضاتی می رسد. البته این بدان معنی نیست که ما اطلاعاتی در مورد هسته اتم ها نداریم، بلکه منظور این است که یک نظریه جامع برای توضیح آن چه در هسته می گذرد وجود ندارد؛ و گرنه بشر سال هاست که با هسته آشنایی دارد و با فرایندهای هسته ای، انرژی (و البته سلاح!) تولید کرده است. ولی اکنون انسان قصد دارد قدمی دیگر بردارد و آن مهار و کاربردی کردن انرژی گداخت هسته ای است. البته در این راه مشکلات عملی و نظری بسیاری وجود دارد. شاید سال ها تا برداشتن این قدم باقی مانده باشد اما به نظر می رسد در موسسه فناوری ماساچوست (MTY) (1) خبرهایی است........
نگریستن به داخل خورشیدی مصنوعی
بعد از حدود پنج دهه تحقیقات، انتظار می رود طی یک یا دو سال آینده گام های مهمی در راستای مهار نیروی جوش هسته ای برداشته شود. این مرحله که "اشتغال هم جوشی(2)" نام دارد، باید توسط دستگاهی با همین نام که در کالیفرنیا ساخته شده است، انجام شود. آخرین آزمایش ها مربوط به این دستگاه که اشتغال هم جوشی ملی (3) (NIF) نام گرفته است، سال ها گذشته مختصرا با شکست هایی مواجه شد. دانشمندان زیادی از جمله پژوهشگران مرکز علوم پلاسما و هم جوشی (PSFC)(4) برای عملی ساختن این بخش اساسی از عملیات ایفای نقش کرده اند. اگر بخواهیم به طور مختصر شرح دهیم، محققان PSFCمعین کرده اند که چگونه می توان از یک واکنش هم جوشی به عنوان نوعی نور پس زمینه(5) استفاده کرد؛ کاری که به آنها این توانایی را می دهد تا مشاهده کنند چه اتفاقی در واکنش های نخستین در حال روی دادن است. گداخت یا جوش هسته ای، به معنی ترکیب و ممزوج شدن دو اتم کوچک در یک اتم، به همراه آزاد کردن مقدار حیرت آوری انرژی است. این دقیقا همان فرآیندی است که در خورشید هم روی می دهد و شاید به گونه ای بتوان آن را راه حل نهایی مسئله انرژی جهان نیز دانست. زیرا این فرآیند می تواند مقادیر عظیمی از انرژی را بدون آلودگی های گلخانه ای ایجاد کند. هر چند شاید راه کار عملی کنترل این انرژی- مثلا با ساخت نیروگاه- تا یک دهه دیگر دور از دست باقی بماند.
یک مشکل اساسی پیشاوری محققان و مهندسان این است که واکنش واقعی باید در کپسولی با مقطع دایره ای شکل و قطر 2 میلی متر اتفاق بیفتد که دما و فشار آن در حال انفجار حتی بسیار بیشتر از آنی می شود که در مرکز خورشید موجود است! در چنین محیطی، تصویر نگاری یا انجام هر نوع اندازه گیری
به هیچ وجه کار آسانی نیست؛ در حالی که واضح است چنین اعمالی برای تنظیم سیستم و حصول نتیجه مطلوب حیاتی هستند. یک گروه از MIT که توسط محقق ارشد PSFC، "ریچارد پتراسو"(6) رهبری می شد، در روش استفاده از نور پس زمینه به پیشرفت هایی دست یافته اند. این موضوع برای اولین بار در سال 2008 به اطلاع عمومی رسید. اکنون این گروه گزارش می دهند که توانسته اند در دانشگاه رچستر(7) آزمایش های موفقیت آمیزی را ثبت کنند و موفق به یادگیری جزئیات جالبی درباره ماهیت میدان های الکتریکی و مغناطیسی اطراف کپسول کوچک شده اند.
دکتر پتراسو در این مورد می گوید: "ما در حال گرفتن یک تصویر فوری از چیزی بودیم که میدان های الکتریکی و مغناطیسی بدان شبیه بودند، این اطلاعاتی است که مشکل بتوان از روش دیگری به دست آورد."
ساخت یک جرقه زن برای گداخت
NIFاز روشی بهره می برد که "راه اندازی غیر مستقیم" نامیده می شود. در این روش، کپسول کوچکی از سوخت هیدروژنی را به داخل یک گودال که "تابشگر کامل(8)" نام دارد، می اندازد. سپس پرتوهای لیزر درون دیواره های این گودال را بمباران می کنند که این کار موجب گرم شدن دیواره ها و انتشار پرتوهای ایکس می شود، و این امر نیز به نوبه خود باعث اشتعال کپسول می شود. اشتعال یعنی هدف نهایی و اساسی NIF، به این معنی است که انرژی ناشی از گداخت اتم های فوق چگال هم جوار می شود و این روند همین طور در یک فرایند زنجیره ای ادامه می یابد. دکتر پتراسو توضیح می دهد: "اما برای رسیدن به نقطه شروع اشتعال به وسایل خطا یابی نیاز است، تا جزئیات آن چه داخل کپسول می گذرد را مشخص کنند، جایی که دما به 200 میلیون درجه کلوین می رسد و فشار هم می تواند تا یک تریلیون واحد اتمسفر افزایش یابد!"(9)
به منظور این که اشتعال به درستی عمل کند، کپسول حاوی دوتریوم و تریتیوم (دو شکل سنگین از عنصر هیدروژن) باید به طور تقریبا کامل کروی باشد، به طور کامل در مرکز تابش دهنده قرار بگیرد و باید در حالتی تقریبا کامل از تعادل و تقارن منفجر شود. پتراسو در این مورد می گوید: "یک پرسش مهم این است که دست ما چقدر برای خطاهای آزمایشگاهی باز است؟ این یکی از چیزهایی است که هنوز مشخص نشده، و در واقع پاسخ همین پرسش است که روشن می کند چرا روش های مشاهده سیستم این قدر با اهمیت هستند." در مرکز تحقیقات انرژی لیزر رچستر، کپسول دومی نزدیک کپسول اول جایگذاری و به وسیله پرتوهای لیزر بمباران شد که باریکه ای از پروتون ها را برای راه انداختن کپسول دوم در داخل تابشگر کامل تولید کرد.
«نلسون هوفمان» دانشمند فیزیک پلاسما در آزمایشگاه لوس آلاموس می گوید: "گروه MITدر چندین روش بسیار موثر، برای اندازه گیری جنبه های مهم آن چه داخل کپسول های گداخت روی می دهد، پیشرفت کرده اند. این جنبه ها به عنوان یک شاخص برای این که معلوم شود چقدر به هدف اشتعال نزدیک هستیم بسیار حیاتی اند. به عنوان یک نتیجه، گروه MIT هم اکنون نیز پدیده های شگفت انگیزی را در روش گسترش میدان های الکتریکی و مغناطیسی یافته اند. "او اضافه می کند: "تلاش برای رسیدن به گداخت هسته ای، یکی از سخت ترین مشکلات علمی است که تاکنون با آن درگیر بوده‌ایم. بنابر این بازنگری مسئله به روشی نوین (مانند تصویر نگاری پروتونی گروه MIT) برای کشف پدیده هایی که در هیچ روش دیگری نمایان نمی شود، می تواند کارساز باشد."
به عنوان یک نمونه از نتایجی که اخیرا منتشر شده، گروه MIT همراه با همکارانی از آزمایشگاه ملی "لاورنس لیورمور(10)" (آزمایشگاهی برای تحقیقات مربوط به انرژی لیزر) نتایجی را مشاهده کردند که از یک آزمایش به اصطلاح خودشان "برخورد پنج چگاله با الگوی ستاره ای" به دست آمد. این نتایج در میدان های اطراف کپسول مشاهده شده اند. باید تاکید کنیم که این میدان ها می توانند نقش مهمی را در مشاهدات غیر مستقیم بازی کنند. الگوی مشاهده شده، نتیجه مکان پرتوهای لیزر فرودی است.
پتراسو انتظار دارد که در NIF، مدت زیادی از نخستین آزمایش ها بگذرد تا هدف اشتعال حاصل شود. او می گوید: "این چیزی است که قبلا هرگز اتفاق نیفتاده است، بنابر این ما باید به شناختی وابسته باشیم که هم زمان خودمان با آزمایش به دست می آوریم، و این ماییم که باید موقعیت های بسیار دقیقی که مورد نیاز است ایجاد کنیم." وی که از سال 1978 (1357 ش) در PSFC مشغول کار بوده است، ادامه می دهد: "بسیاری از بخش های این تلاش، پایه های نظری- عملی دقیقی دارند؛ اما بسیاری دیگر نیز این طور نیستند. به همین خاطر، ما باید نقاط تاریک تئوری ها را خودمان پر کنیم تا بتوانیم سرانجام، شرایط را به درستی مهیا کنیم."
برای این کار، علاوه بر کمک های مرکز رچستر، محققان MIT شامل 6 دانشجوی دکتر، نقش مهمی را در انجام پروژه NIF ایفا کرده اند.
به بیان پتراسو: " اشتعال نه فقط گام مهمی به سوی اتفاقی است که شاید روزی به استفاده عملی از نیروی گداخت بینجامد، بلکه همچنین می تواند وسیله عملی خوبی باشد تا بفهمیم خورشید و دیگر ستارگان چطور کار می کنند. شما- حتی در خلال همین آزمایش ها که فقط چند میلیونیوم ثانیه دوام دارند- شرایطی را ایجاد می کنید که تنها می توان در مرکز ستارگان یافت، به نظر من اخترفیزیکدانان نیز این شرایط را بسیار جالب و مسحور کننده خواهند یافت."
************
پی‌نوشت‌ها:
1-Massachusetts Institute of Twchnology/ 2- Fusion ignition/ 3- national fusion ignition/ 4- Plasma science and fusion center/ 5- backlight/ 6- Richard petrasso/ 7- Rochester/ 8- hihlraum
9- برای مقایسه، دمای مرکز خورشید تنها 15 میلیون درجه کلوین است- م
10- Lawrwnce livermor
تاریخ : یکشنبه 92/1/25 | 8:30 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
