دانلود مقاله کاربرد لیزر در گداخت هسته ای

بخشی از مقاله

کاربرد لیزر در گداخت هسته ای
بشر نمى تواند تا ابد به سوخت فسيلى تكيه كند. اولاً منابع نفت، گاز و زغال محدود است و بالاخره تمام خواهد شد. ديگر اين كه به عقيده دانشمندان گازهاى گلخانه اى كه از طريق سوزاندن سوخت هاى فسيلى توليد مى شود از عوامل اصلى تغييرات آب و هوايى هستند.با اين حال، تقاضا براى انرژى نيز در حال افزايش است. در سال ،۱۹۹۰ در حدود ۷۵ درصد جمعيت جهان (در كشورهاى در حال توسعه) ۳۳ درصد كل انرژى جهان را سوزاندند.تا سال ۲۰۲۰، ۸۵ درصد جمعيت جهان از كشورهاى در حال توسعه ۵۵ درصد انرژى را مصرف خواهد كرد. بنابراين رقابت بيشترى بر سر منابع موجود سوختى به وجود خواهد آمد. برخى تصور مى كنند كه گداز هسته اى جايگزين نسبتاً ايمنى براى سوخت هاى فسيلى خواهد بود.

مقامات شش كشور جهان آمریکا، چین، روسیه، ژاپن، کره جنوبی و هند به همراه نماينده اتحاديه اروپا روز سه شنبه ۲۱ نوامبر يك قرارداد چند ميليارد دلاري را براي احداث پيشرفته ترين راكتور هسته اي آزمايشي از نوع گداخت هسته اي (فيوژن) به امضا رساندند. اجرای طرح مشترکی برای تولید انرژی ارزانقیمت و بدون آلودگی زیست محیطی مشارکت خواهند کرد.rnational Thermonuclear Experimental Reactor) نام داده اند - فناوری به دست آمده از آن

برای ساخت یک نیروگاه گداز هسته ای آزمایشی به کار خواهد رفت.
آغاز طرح آيتر در شهر پاريس بوده و این شهر ميزبان مقامات كشورهاي آمريكا، روسيه، ژاپن، كره جنوبي، چين و هند بود. شيراك در مراسم روز سه شنبه كه در كاخ اليزه در شهر پاريس برگزار شد اعلام كرد كه اگر شرايط فعلي ادامه يابد، انسان تا ۱۰۰ سال آینده منابع سوختهاي فسيلي را كه ظرف صدها ميليون سال ايجاد شده اند، مصرف خواهد كرد.

گفتگو برای تعیین محل ساخت نیروگاه آزمایشی مدت ها ادامه داشته و به ویژه بین فرانسه و ژاپن در این زمینه رقابت وجود داشت. بالاخره، اين راكتور هسته اي فوق پيشرفته در شهر “كاداراش” در منطقه پرووانس در جنوب فرانسه در حدود ۶۰ کیلومتری شهر مارسی احداث خو

اهد شد و با تولید نامحدود و پاکیزه برق می تواند کشورهای مختلف جهان را بی نیاز نماید. احداث رآکتور گداز هسته ای ۱۰ سال و اجرای طرح نهایی آیتر سی و پنج سال تعیین شده و هزینه آن تقريباً ۵۷/۴ ميليارد يورو (به قيمت هاى سال ۲۰۰۰)می باشد. اتحاديه اروپا و فرانسه که عملا میزبان نخستین طرح آزمایشی محسوب می شود، ۵۰ درصد هزينه هاى احداث را پرداخت خواهند كرد و پنج شريك ديگر هر يك ۱۰ درصد آن را تقبل مى كنند. چون ژاپن قبول كرد از احداث آن در خاك خود به نفع فرانسه چشم بپوشد از مزايايى برخوردار خواهد شد. اين كشور م

يزبان يك مركز تحقيقات مواد مربوطه كه نيمى از هزينه ساخت آن را اروپا به گردن مى گيرد خواهد بود. همچنين دانشمندان ژاپنى سهم بيشترى از سمت هاى تحقيقاتى آيت

ر خواهند داشت.اتحاديه اروپا اكنون از يك مقام ژاپنى براى به عهده گرفتن مديريت كل پروژه آيتر حمايت خواهد كرد و به علاوه در صورتى كه رآكتور نمونه Demo به مرحله ساخت برسد از ژاپن به عنوان محل ساخت آن پشتيبانى خواهد كرد. انتظار مى رود اين پروژه بيش از ۱۰ هزار شغل ايجاد كند و تخصص به دست آمده از آيتر به اروپا اجازه خواهد داد فوايد فنا

ورى هاى منشعب را درو كند.
گداخت هسته اي(Fusion) در حقيقت سرچشمه انرژي خورشيد و ساير ستارگان جها

ن محسوب مي شود و هم اكنون دانشمندان عقيده دارند مي توان از آن براي دستيابي به يك منبع انرژي ارزان، ايمن و غيرآلاينده استفاده كرد. اين پروژه تمامي آموخته‌هاي بشر را انسجام خواهد بخشيد.
در فناوري هاي هسته اي مرسوم فعلي هسته اتمهاي سنگين در شرايط ويژه شكسته و هسته هاي عناصر سبكتر و همچنين انرژي آزاد مي شود اما در فناوري گداخت هسته اي با تكيه بر اين اصل كار مى كند كه انرژى را مى توان از طريق فشردن هسته اتم ها به يكديگر آزا

د كرد. اين درحالى است كه شكافت اتمى فيزيون كه نيروگاه هاى اتمى امروزى بر آنها متكى هستند با شكافتن اتم ها كار مى كند.در هسته خورشيد، فشارهاى عظيم نيروى

جاذبه اجازه وقوع چنين پديده اى را در درجه حرارتى معادل تقريباً ۱۰ ميليون درجه سانتيگراد مى دهد. در زمين چنين فشار عظيمى ممكن نيست بنابراين بايد از طريق بالا بردن درج

ه حرارت به بيش از ۱۰۰ ميليون درجه سانتيگراد به ايجاد گداز هسته اى دست زد. هيچ ماده اى روى زمين تاب تحمل تماس مستقيم با چنين حرارتى را ندارد. بنابراين دانشمندان براى دستيابى به گداز، يك گاز فوق العاده داغ يا همان پلاسما را در داخل يك ميدان مغناطيسى بسيا

ر فشرده به شكل تيوب نگاهدارى و فشرده مى كنند
بهترين سوخت براى گداز هسته اى شامل دو ايزوتوپ يا نوع مختلف از اتم هيدروژن است: دوتريوم و تريتيوم. دوتريوم را مى توان از آب كه ماده اى فراوان است استخراج كرد. تريتيوم را مى توان از ليتيوم كه در پوسته زمين به وفور يافت مى شود توليد كرد. وقتی این ایزوتوپ ها در د

مای بالا ترکیب می شوند مقداری ماده از بین می رود و در مقابل مقدار عظیمی انرژی تولید می شود. گداز هسته اى، برخلاف سوخت هاى فسيلى دى اكسيد كربن توليد نمى كند. دى اكسيد كربن مهمترين گاز گلخانه اى است كه دانشمندان آن را مسئول گرمتر شدن زمين مى شناسند. طرفداران طرح آيتر عقيده دارند فناوري گداخت هسته اي به دليل عدم توليد گازهاي گلخانه اي و نيز توليد مقدار اندكي از پسماندهاي راديواكتيو گزينه مناسبي براي تامين انرژي در آينده است. كارشناسان همجوشى هسته اى همچنين مى گويند كه اين سيستم ذاتاً ايمن است زيرا هر عيبى در آن باعث مى شود سيستم فوراً از كار بازايستد.
نوترون هاى توليد شده در جريان گداز، موادى را كه در جداره هاى محفظه پلاسما به كار رفته فع

ال مى كند. اما يكى از اهداف اين پروژه يافتن موادى است كه بيشترين مقاومت را در برابر اين بمباران داشته باشد. اين مى تواند به توليد فضولاتى نسبتاً ايمن كه ظرف مقطعى نسبتاً كوتاه (۵۰ تا ۱۰۰ سال) از ميان مى رود منجر شود. در مقايسه، فضولات راديواكتيو كه در نتيجه شكافتن اتم ها در جريان فيزيون توليد مى شود دوام بسيار بيشترى (هزاران ساله) دارند.به علاوه حجم فضولات توليد شده در آيتر نسبتاً ناچيز خواهد بود. محصول جانبی این فرآیند از زباله بیمارستانی خطرناک تر نیست.

لیزر والکان (Vulcan) واقع در بریتانیا انرژی معادل ۱۰۰ برابر کل تولید الکتریسته جهان را در نقطه ای

به اندازه چند میلیونیوم متر متمرکز کرد. دانشمندان در مقاله ای در New Journal of Physics گفتند می توانند چنین شرایطی را در مدتی کوتاه یعنی کسری از یک ثانیه ایجاد کنند. این آزمایش

مفهومی علمی را به نمایش گذاشت که می تواند در ساخت راکتورهای آینده که با همجوشی هسته ای کار می کند نقش کلیدی داشته باشد.
لیزر والکان یک پتاوات (هزار تریلیون وات) انرژی را به نقطه ای در حدود یک دهم قطر موی انسان تابانید. این پالس برای یک تریلیونیوم ثانیه ادامه داشت که دمای مقصد را به ۱۰ میلیون درجه سانتیگراد، یعنی یک دهم چیزی که برای گداز هسته ای لازم است، رساند. پروفسو

ر نورِیز به بی بی سی گفت: “ما می خواستیم کنش و واکنش اساسی ماده با این پالس

های لیزری را درک کنیم.” تیم او به خصوص می خواست درک کند که چه مقدار انرژی از لیزر به مقصد منتقل می شود.
بریتانیا پیشنهاد ساخت تاسیسات لیزری حتی قوی تری موسوم به “هایپر” (High Power laser Energy Research) را داده است که امکان همجوشی لیزری به عنوان یک منبع بالقوه انرژی را محک خواهد زد. پروفسور پیتر نورِیز از آزمایشگاه “روترفورد اپلتون” در آکسفوردشایر که این آزمایش در آن انجام شد گفت: “هایپر یک تاسیسات پیشنهادی در ابعاد خیلی بزرگ است، بنابراین

باید ابتدا مطمئن شویم که درک ما درست است.”
یکی از راه هایی که برای ایجاد چنین دمایی پیشنهاد شده ساخت لیزرهای فوق العاده قدرتمند مانند هایپر است، هرچند بسیاری به آن تردید دارد. پروژه دیگری در کالیفرنیا (National Ignition Facility) هست که قرار است تولید انرژی با کمک گداز هسته ای متکی بر لیزر را در فاصله ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۲ آزمایش کند.
در طبیعت چهار نیروی بنیادی گرا نشی، الکترومغناطیسی، هسته ای ضعیف و هسته ای قوی وجود دارد که از طریق تبادل ذرات بنیادی و در نتیجه اندازه حرکت بین اجسام ایجاد می شود. نتیجه بر هم کنش ذرات بنیادی در هسته واکنش هسته ای و انرژی حاصل از ان انرژی هسته ای است، که از آن برای صنعت، پزشکی،کشاورزی تولید برق استفاده صلح امیز و برای انفجار های

هسته ای استفاده نظامی می شود. انفجار هسته ای ، راکتور هسته ای کنترل نشده ای است که در ان واکنش هسته ای بسیار وسیع در زمان کمتر از میلیاردم ثانیه رخ میدهد برای ایجاد انفجار هسته ای به یک سوخت شکافت یا گداخت پذیر، ماشه اغاز گر حوادث و روشی که اجازه م

یدهد تا قبل از اینکه انفجار پایان یابد، کل سوخت شکافته یا گداخته شود، نیاز میباشد در انفجار های هسته ای همه چیز در کانون انفجار در دمای بالا( حدود106×300 درجه سانتی گراد)به حالت گاز در می آید و در خارج از کا نون موج شدید گرما همه چیز را می سوزاند و فشار موج ضربه ای ساختمان ها و تاسیسات را خراب میکند و تشعشعات مواد رادیواکتیو در محیط انفجار و نقاط دور دست، محیط زیست، گیاهان وموجودات زنده را به مخاطره می اندازد. برای داشتن فن آور

ی هسته ای چرخه سوخت ضروری است که شامل نورد سنگ معدن اورانیوم ، تهیه هگزافلوراید

اورانیوم ، غنی سازی و... است.غنی سازی به روش های الکترومغناطیسی ، سانتریفیوژ، لیزر، دیفوزیون گازی و ... انجام میگیرد.
انرژی هسته ای، شکل اصلی دیگری از انرژی است که در داخل اتم قرار دارد . یکی از قوانین جهانی این است که انرژی نه تولید پذیر است و نه از بین رفتنی ، اما به شکلهای دیگر قابل تبدیل است انرژی هسته ای، شکل اصلی دیگری از انرژی است که در داخل اتم قرار دارد . یکی از قوانین جهانی این است که انرژی نه تولید پذیر است و نه از بین رفتنی ، اما به شکلهای دیگر قابل

تبدیل است.
ماده را می توان به انرژی تبدیل نمود. آلبرت انیشتن ، مشهورترین دانشمند جهان ، فرمول ریاضی خاصی را برای شرح این نظریه ارائه نموده است :
E = MC۲
برطبق فرمول فوق انرژی (E) برابر است با جرم (m) ضربدر سرعت نور به توان دو .
لطفاً توجه داشته باشید که بعضی از نرم افزارهای وب قادر به نمایش توان روی شبکه نیستند. معمولاً مجذور C توسط قرار دادن عدد ۲ کوچک در بالا و سمت راست C نشان داده می شود. دانشمندان از معادله انیشتن برای آزاد سازی انرژی نهفته در اتم و نیز جهت ساخت بمب اتمی استفاده نمودند.
یونانیان قدیم براین باور بودند که کوچکترین جزء طبیعت ، اتم است. اما در ۲۰۰۰ سال قبل ، آنها نمی دانستند که ذرات کوچکتر از اتم نیز در طبیعت یافت می شود.
همانطوریکه در فصل ۲ گفتیم ، اتمها از ذرات کوچکتری به نام هسته ، که خود متشکل از پروتون و نوترون هستند ، تشکیل شده اند. این اتمها توسط الکترونهایی احاط شده که بدور آنه

ا می چرخند، درست مثل گردش زمین به دور خورشید.
● شکاف هسته ای
هسته اتم می تواند شکافته شود. زمانیکه این مسئله رخ میدهد، مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. این انرژی به دو صورت گرما و نور است. انیشتن معتقد بود که مقدار کوچکی از ماده حاوی مقدار زیادی انرژی است. زمانیکه این انرژی ، آهسته از اتم خارج می شود ، می توان آنرا

مهار نمود و تولید برق نمود. اما زمانیکه انرژی موجود در هسته اتم بطور ناگهانی آزاد می شود ، انفجار عظیمی مانند بمب اتم رخ میدهد.
سوخت یک نیروگاه هسته ای (مانند نیروگاه هسته ای کانیون در تصویر) ، اورانیوم است. اورانیوم عنصری است که در اکثر مناطق جهان از زیرزمین استخراج می شود. اورانیوم

بعداز مرحله کانه آرایی بصورت قرصهای بسیار کوچکی در داخل میله های بلند قرار گرفته و داخل رآکتور نیروگاه نصب می شوند. کلمه «Fission» به معنی شکافت است.
در داخل رآکتور یک نیروگاه اتمی ، اتمهای اورانیوم تحت یک واکنش زنجیره ای کنترل شده ، شکافته می شوند. در یک واکنش زنجیره ای ، ذرات حاصل از شکافت اتم به سایر اتمهای اورانیوم برخورد کرده و باعث شکافت آنها می گردند. هریک از ذرات آزاد شده مجدداً باعث شکافت سایر اتمها در یک واکنش زنجیره ای می شود. درنیروگاههای هسته ای ، معمولاً از یک

سری میله های کنترل جهت تنظیم سرعت واکنش زنجیره ای استفاده می گردد. عدم کنترل این واکنشها
می تواند منجربه تولید بمب اتم شود. اما در بمب اتم ، تقریباً ذرات خالص اورانیوم ۲۳۵ یا پلوتونیوم (باشکل و جرم معینی) باید با نیروی زیادی در کنارهم قرار گیرند. چنین شرایطی در یک رآکتور هسته ای وجود ندارد.

واکنشهای زنجیره ای همچنین باعث تولید یک سری مواد رادیواکتیو می شوند. این مواد در صورت رهایی می توانند به مردم آسیب برسانند. بنابراین آنها را به شکل جامد نگهداری می کنند. این مواد در گنبدهای بتنی بسیار قوی نگهداری می شوند تا در صورت بروز حوادث مختلف ، خطری بوجود نیاید (به تصویر توجه کنید)
واکنشهای زنجیره ای باعث تولید انرژی گرمایی می شوند. این انرژی گرمایی برای جوشاندن آب در قلب رآکتور مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین ، به جای سوزاندن سو

خت ، در نیروگاههای هسته ای ، اتمها از طریق واکنش زنجیره ای شکا

فته شده و انرژی گرمایی تولید می کنند. این آب از اطراف رآکتور به قسمت دیگری از نیروگاه فرستاده می شود. در این قسمت که مبدل گرمایی نامیده می شود، لوله های پر از آب حرارت داده شده و بخار تولید می کنند. سپس بخار حاصله باعث گردش ت

وربین و درنتیجه تولید برق میشود. مقطع عرضی یک نیروگاه هسته ای در شکل نشان داده شده است.
● گداخت هسته ای
گداخت شکل دیگری از انرژی هسته ای است. گداخت ، به معنی

الحاق هسته های کوچکتر و ساختن یک هسته بزرگتر است. در داخل خورشید ، گداخت هسته ای اتمهای هیدروژن باعث تولید اتمهای هلیوم می شود. در اثر این گداخت، گرما ، نور و پرتوهای دیگری تولید می شود.
همانطوریکه در تصویر می بینید ، با ترکیب دو نوع اتم هیدروژن (دوتریم و ترتیم) ، یک اتم هلیوم و یک ذره اضافی بنام نوترون تشکیل می شود. در واکنش فوق مقداری انرژی نیز تولید می گردد. دانشمندان مدتها که برروی کنترل گداخت هسته ای کار می کنند تا بتوانند یک رآکتور گداخت برای تولید برق بسازند. اما مشکل این است که نمی دانند چگ

ونه واکنش در یک محیط بسته را کنترل کنند.
مزیّت گداخت هسته ای نسبت به شکافت هسته ای در این است که ماده رادیواکتیو کمتری تولید کرده و سوخت آن پایدارتر از عمر خورشید است.