بخشی از مقاله
چکیده
گداخت هسته ای به عنوان منبع انرژی ای پاک و ایمن بهترین جایگزین برای سوخت های فسیلی مطرح می باشد که نه تنها با تولید دی اکسید کربن سبب افزایش دمای کره زمین نمی شود بلکه برخلاف منابع محدود سوختهای فسیلی مشکلی برای تأمین سوخت نیز ندارد. از طرف دیگر در مقایسه با شکافت هسته ای نیز خطر پسماندهای رادیواکتیو و سوانح فاجعه بار برای آن مطرح نمی باشد. در این راستا توکامک ها به عنوان مطمئن ترین رآکتورهای گداخت با محصورسازی مغناطیسی پلاسما شرایط گداخت هسته ای را فراهم می آورند. اما برای رسیدن به دمای گداخت گرمایش اهمی کافی نبوده و نیاز به استفاده از سیستم های گرمایش خارجی الزامی می باشد. استفاده از امواج الکترومغناطیس در فرکانس تشدید سیکلوترونی الکترونی یکی از روش های گرمایش در فرکانس و توان بالا می باشد که امکان گرمایش موضعی پلاسما را فراهم آورده و کاربردهای مختلفی در پیش یونش و تولید جریانهای غیرالقائی پلاسما، کنترل و حذف ناپایداری های پلاسما و اهداف تشخیصی در توکامک ها دارد.
کلمات کلیدی: توکامک، گداخت، گرمایش ECRH
.1 مقدمه
ما در جهانی زندگی می کنیم که رشد جمعیت آن تنها در طی 40 سال، سال های 1975 تا 2015، از 4 میلیارد نفر به 7 میلیارد رسیده است و با همین نرخ افزایش این جمعیت در سال 2035 به 8/7 میلیارد خواهد رسید. علاوه براین انتظار می رود تولید ناخالص داخلی نیز به ازاء هر فرد %75 نسبت به وضعیت کنونی افزایش پیدا کند. بنابراین ما با افزایش جمعیت و افزایش تقاضای انرژی به ازاء هر فرد مواجه هستیم. باوجود توسعه سیاست های بهره گیری از انرژی های تجدیدپذیر و کم کربن - نظیر پروتکل مونترال یا کیوتو - اما پیش بینی ها نشان می دهند که تا سال 2035 همچنان 86% - %81 در سال - 2013 از نیاز انرژی جهان را سوخت های فسیلی تأمین خواهند نمود. این به معنای آزادسازی CO2 بیشتر و یک معضل زیست محیطی جدی خواهد بود. به این ترتیب استفاده از سایر انرژی های کم کربن به جای سوخت های فسیلی امری اجتناب ناپذیر می نماید.
اما نکته قابل تأمل دیگر در مورد سوخت های فسیلی محدود بودن منابع آن است. ما تنها برای چند دهه، شاید صد سال، اندوخته سوخت فسیلی داریم. اما انرژی های تجدیدپذیر، که به سرعت نیز در حال توسعه هستند، این ضعف را دارند که الکتریسیته تولیدی آنها متغیر است. اگرچه این امر نمی تواند مانعی برای توسعه این سیستم ها محسوب شود اما برای استفاده در سطوح بالاتر نیازمند بهره گیری از سیستم های تحلیلگر و مدیریت دقیق بوده، علاوه براین سیستم های پشتیبانی و بهسازی آن ها نیز هزینه بر است. بنابراین این روش ها اگرچه راهگشا بوده اما خود به سایر منابع انرژی وابسته هستند.
به این ترتیب به نظر می رسد نیاز به دستیابی به یک چشمه انرژی پایدار ما را به سمت یک رنسانس هسته ای پیش میراند. اما واقعیت این است که شکافت هسته ای نیز خود مشکلاتی به همراه دارد. مهمترین آن ها پسماندهای هسته ای می باشند. علاوه براین با وجود سیستم های ایمنی بالا، باز هم برخی حوادثجدی، نظیر حادثه چرنوبیل، تری مایل آیلند و اخیراً نیز حادثه فوکوشیما، رخ داده اند. اما گداخت هسته ای به عنوان یک منبع انرژی پاک و ایمن هیچ یک از این مشکلات را نداشته و می تواند به عنوان جایگزین ایده آل برای تأمین انرژی به کار گرفته شود. در گداخت هسته ای هیچ گاز CO2، NOx، SOx ای تولید نشده و هیچ پسماند پرتوزای بلندمدتی نیز بر جای نمی ماند. سوخت آن پایان ناپذیر و به خوبی در دسترس می باشد. تنها مسأله پیش رو پیچیدگی بالا و مسائل تکنیکی چندگانه مطرح در آن می باشد که برای اینکه بتواند از نظر اقتصادی در یک نیروگاه صنعتی مورد بهره برداری قرار گیرد نیازمند حمایت های مالی و مطالعات گسترده می باشد.
-2 چرا گداخت؟
1؛-2 ایمنی
در یک رآکتور گداخت، انرژی تنها در صورتی تولید میشود که دما و فشار به خوبی در تعادل باشند و به محض این که رآکتور از شرایط مناسب خود خارج شود - خلوص، خلاء، دما، چگالی، میدان مغناطیسی، ... - سیستم به سرعت متوقف میشود. گداخت برخلاف شکافت یک واکنش زنجیره ای نیست. به عبارت دیگر نوترون ها و هلیوم تولید شده در گداخت باعث ایجاد واکنش های بعدی نمی-شوند. حتی در حالت احتراق اگر فرآیند خیلی سریع آغاز شود گرمای اضافه باعث مختل کردن واکنش شده،آن را مجدداً کند می-سازد. و نکته نهایی این که در گداخت امکان هیچ حادثه فاجعه باری که باعث آزاد شدن رادیواکتیویته در محیط یا آسیب به پرسنل شود وجود ندارد.
-2-2 سهل الوصول بودن
سوخت مورد نیاز برای گداخت فراوان، ارزان، در دسترس و تهیه آن آسان است. لیتیوم به میزان زیادی بر روی کره زمین وجود دارد که می توان آن را از معادن استخراج و یا تولید نمود. حدود 10 میلیون تن لیتیوم بر روی کره زمین وجود دارد که استخراج آن اقتصادی بوده و 25 میلیون تن در معادنی وجود دارد که استخراج آن امکان پذیر می باشد. این میزان لیتیوم برای تولید انرژی چند هزار سال کافیست. علاوه براین در آب دریا نیز 0/17 گرم بر تن لیتیوم وجود دارد که به معنای حدود 226 میلیون تن دیگر لیتیوم بوده که می تواند به عنوان آخرین ذخیره سوخت گداخت، استخراج شود .[1] دوتریوم را نیز به دلیل جرم ایزوتوپی بسیار متفاوت آن نسبت به هیدروژن - دوتریوم جرمی دو برابر جرم هیدروژن دارد - از هر نوع آبی می توان به آسانی به دست آورد. اما تریتیوم تنها برای شروع به کار رآکتور مورد نیاز خواهد بود. پس از آن توسط خود رآکتور تأمین می شود. این مقدار تریتیوم اولیه در حدود 7 کیلوگرم است.
3؛-2 سازگاری
گداخت واکنشی سازگار با محیط زیست است. برخلاف سوخت های فسیلی در تولید انرژی گداخت دی اکسید کربنی تولید نشده و اثرات گلخانه ای و گرم شدن کره زمین رخ نخواهد داد. NOx یا SOx ها نیزکه باعث آلودگی و باران های اسیدی می شوند به کلی حذف می شوند. علاوه براین ترکیبات رادیواکتیو و پسماند پرتوزای بلند مدت در گداخت وجود ندارد. تنها تریتیوم می باشد که آن هم به عنوان سوخت مجدداً مصرف می شود. البته دیواره های رآکتور فعال خواهند شد که با انتخاب مناسب متریال، در کمتر از صد سال بازیافت خواهند شد. گداخت سازگار با جوامع بشری نیز خواهد بود. سوخت گداخت ارزان و در دسترس است بنابراین می توان انتظار داشت ریشه جنگ ها، نابرابری ها، وابستگی ها و اختلافات بینالمللی از میان برود.
-3 توکامک
اگرچه برای محصورسازی پلاسما از روش های مختلفی از جمله محصورسازی اینرسی استفاده می شود اما پیشرفته ترین و امیدبخش ترین روش، محصورسازی با میدان های مغناطیسی به وسیله توکامک می باشد. توکامک یک دستگاه چمبره ای شکل است که در آن خطوط میدان مغناطیسی به وسیله کویلهای میدان چمبرهای ایجاد و به وسیله کویل های میدان قطبی و نیز جریان های داخلی پلاسما - که به وسیله سولونوئید مرکزی به وجود می آیند - ، چرخش پیدا می کند. این چرخش برای خنثی کردن فرار رو به خارج پلاسما ضروری است. ذرات باردار پلاسما حول این خطوط میدان دوران می کنند.
-3-1 واکنش گداخت
واکنش گداختی که در یک رآکتور گداخت صورت خواهد گرفت واکنش D-T است: هلیوم ذره ای باردار است بنابراین در فرآیند محصورسازی به دام می افتد. انرژی جنبشی 3/5 MeV آن به گرم شدن پلاسما کمک می کند و می تواند برای خودراهانداز کردن واکنش در رآکتورهای آینده مورد استفاده قرار گیرد. نوترون از پلاسما فرار کرده و در برخورد با دیواره رآکتور 14/1 MeV انرژی جنبشی خود را از دست می دهد. یک سیستم خنک سازی دمای دیواره ها را پایین آورده و از این انرژی برای گرداندن توربین و تولید برق بهره می برد. با استفاده صحیح از موادی که در تماس با پلاسما هستند میتوان لیتیوم مورد نیاز واکنش را نیز تولید نمود.
-3-2 عملکرد یک توکامک
محفظه خلاء مهمترین سازه ای است که دیواره ها بر روی آن نصب می شوند. این محفظه آب بندی شده و پنجرههایی برای سیستم های تشخیصی و گرمایشی دارد. پمپ های مکانیکی و کرایژونیک هوا رار از محفظه خارج کرده و فشار به یک میلیونیوم فشار اتمسفر می رسد. این فشار برای حذف ناخالصی ها و دور نگه داشتن پلاسما از دیواره ها الزامی است. کویل های الکترومغناطیسی میدان مغناطیسی ای تولید میکنند که باعث می شود پلاسما حول چمبره جریان داشته و با دیواره ها تماس نداشته باشد. این امر از آنجا اهمیت دارد که اولاً هیچ ماده ای نمی تواند دمای چند میلیون درجه ای این پلاسما را تحمل کند و ثانیاً اگر پلاسما با دیواره برخورد داشته باشد هم دیواره آسیب می بیند و هم انرژی پلاسما از بین میرود. در برخی رآکتورها کویل ها با هلیوم مایع تا دمای 4/2K خنک می شوند تا بتوان به ابررسانایی رسیده و میدان های مغناطیسی بزرگتری تولید نمود.
