واکنش همجوشی هسته ای چیست و چه کاربردی دارد؟

همجوشی هسته ای (Nuclear Fusion) فرایندی است که طی آن واکنش های هسته ای بین عناصر سبک منتهی به تشکیل عناصر سنگین تر می شود. در مواردی که هسته های واکنشی متعلق به عناصری با عدد اتمی پایین باشند (به عنوان مثال هیدروژن با عدد اتمی ۱ یا ایزوتوپ های آن دوتریم و تریتیوم) ، مقادیر قابل توجهی انرژی آزاد می شود. واکنش همجوشی هسته ای در خورشید یکی از مشهودترین واکنش های هسته ای طبیعی است.

پتانسیل گسترده انرژی حاصل از این واکنش برای اولین بار در سلاح های هسته ای یا بمب های هیدروژنی یک دهه پس از جنگ جهانی دوم تولید و در مورد استفاده قرار گرفتند.  در عین حال ، کاربردهای صلح آمیز همجوشی هسته ای ، به ویژه با توجه به فراهم کردن سوخت نامحدود و استفاده از این فرآیند برای تولید نیرو نیز مورد مطالعه قرار گرفته است. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

تفاوت شکافت و همجوشی هسته ای چیست؟

در حالت کلی انرژی هسته ‌ای با دو روش شکافت و همجوشی تولید می شود.  شکافت هسته ‌ای (Nuclear Fission) یک هسته سنگین با فروپاشی به عناصر سبک تر تبدیل می شود در این فرآیند زباله ‌های هسته‌ ای تولید خواهد شد. در مقابل  همجوشی هسته ‌ای (Nuclear Fusion)  روشی   ایمن‌ برای تولید انرژی هسته ‌ای پاک است که در نتیجه ترکیب دو هسته سبک آزاد می شود.

همجوشی هسته ای به زبان ساده

این فرآیند منبع اصلی انرژی ستارگان  از جمله خورشید است. تکامل ستارگان را می توان به عنوان گذر از مراحل مختلف مشاهده کرد زیرا واکنش های هسته ای باعث ایجاد تغییر ترکیبات آنها در بازه های طولانی مدت می شوند. سوختن هیدروژن منبع انرژی همجوشی ستاره ها را تامین می کند و منجر به تشکیل هلیوم (He) می شود. تولید انرژی همجوشی برای کاربردهای عملی نیز به واکنش های همجوشی بین سبک ترین عناصر و تشکیل هلیوم متکی است.

در حقیقت ، ایزوتوپ های سنگین هیدروژن – دوتریم (D) و تریتیوم (T) – با یکدیگر با کارآیی بیشتری واکنش نشان می دهند  و هنگامی که تحت همجوشی قرار می گیرند ، در مقایسه با دو هسته هیدروژن ، انرژی بیشتری در هر واکنش تولید می کنند. (هسته هیدروژن از یک پروتون تشکیل شده است. هسته دوتریم دارای یک پروتون و یک نوترون است ، در حالی که تریتیوم دارای یک پروتون و دو نوترون است.)

از نظر تعریف همجوشی هسته ای ، واکنش  بین عناصر سبک است که مانند واکنش شکافت باعث تقسیم عناصر سنگین می شوند که به دلیل ویژگی اصلی ماده هسته ای یعنی انرژی پیوند طی این فرآیند انرژی آزاد می کند.

همجوشی هسته ای در خورشید منبع تولید انرژی است که از ترکیب اتم‌های هیدروژن با یکدیگر و تولید هلیوم ایجاد می شود. به عبارت دیگر خورشید یک راکتور همجوشی هسته ای است که نور و گرمای حاصل از آن برای حیات بر روی کره زمین مورد نیاز است. این گلوله بزرگ عمدتا از هیدروژن تشکیل شده است و انرژی حاصل از همجوشی هسته ای در آن در نتیجه ادغام هسته های اتم هیدروژن است. انرژی عظیم تولید شده در این ترکیب هسته ای ، زمین را گرم و روشن می کند.

همجوشی هسته ای در ستارگان

یک فرآیند همجوشی مهم دیگر نوکلئوسنتز ستاره ای است که به ستاره ها از جمله خورشید نیرو می دهد. در قرن ۲۰ ، تشخیص داده شد که انرژی آزاد شده از واکنش های همجوشی هسته ای ثبات گرما و نور ستاره ها را تشکیل می دهند. این فرآیند در یک ستاره با شروع واکنش هیدروژن و هلیوم شروع می شود که هسته های جدید را سنتز می کند. بسته به جرم ستاره (و بنابراین فشار و دما موجود در هسته آن) زنجیره وار واکنش های مختلفی رخ خواهد داد.

انواع همجوشی هسته ای

واکنش های همجوشی دو نوع اساسی دارند: (۱) آنهایی که تعداد پروتون ها و نوترون ها را حفظ می کنند و (۲) آنهایی که شامل تبدیل پروتون ها و نوترون ها هستند. واکنش های نوع اول برای تولید انرژی همجوشی عملی مهمترین هستند ، در حالی که واکنش های نوع دوم برای شروع سوختن ستاره بسیار مهم هستند.

هر دوی این واکنش ها گرماده هستند بنابراین انرژی تولید می کنند. واکنش همجوشی H-H می تواند با آزاد شدن خالص انرژی اتفاق بیفتد و همراه با واکنش های بعدی ، منبع اصلی انرژی که ستاره ها را حفظ می کند ، فراهم کند.

همجوشی هسته ای سرد نوع دیگری از همجوشی است که وجود خارجی ندارد اما در شرایط خاص می توان برخی از واکنش ها را بدون حرارت بالا انجام داد که به عنوان همجوشی سرد شناخته می شوند.

تولید برق از همجوشی هسته ای

واکنش های بین دوتریوم و تریتیوم مهمترین واکنشهای همجوشی برای تولید برق کنترل شده هستند زیرا مقاطع عرضی برای وقوع آنها زیاد است ، دمای عملی پلاسما مورد نیاز برای انتشار خالص انرژی متوسط است و بازدهی انرژی واکنش ها بالا است – ۱۷.۵۸ مگا ولت برای واکنش همجوشی اولیه T- D تولید خواهد شد.

لازم به ذکر است که هر پلاسمای حاوی دوتریم به طور خودکار مقداری تریتیوم و هلیوم -۳ در اثر واکنش های دوتریم با سایر یون های دوتریوم تولید می کند. علاوه بر این از واکنشهای همجوشی دیگری که شامل عناصر با عدد اتمی بالای ۲ هستند می توان استفاده کرد ، اما فقط با دشواری بسیار بیشتر به این دلیل که با افزایش بار هسته ، سد کولن افزایش می یابد و باعث افزایش قابل توجه دمای پلاسما بیش از ۱،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰ K خواهد شد.

کاربردهای همجوشی هسته ای

گداخت هسته ای معمولاً به عنوان یک فناوری برای تولید انرژی الکتریکی در نظر گرفته می شود ولی از این تکنیک می توان در برنامه هایی غیر از تولید برق نیز استفاده کرد. مهمترین این کاربردها شامل تولید سوخت برای راکتورهای شکافت هسته ای ، تولید سوخت مصنوعی و تولید گرما برای کاربردهای فرآیند و گرمایش فضا است. در حال حاضر ابزارهای فنی برای دستیابی به این اهداف ، همراه با ویژگی های مربوط به فناوری های جایگزین برای دستیابی به اهداف مشابه در حال بررسی است.

کاربرد لیزر همجوشی هسته ای یکی دیگر از کاربردهای این انرژی عظیم است . با این روش می توان دمای ۳ میلیون درجه سانتی گراد ایجاد کرد و شرایطی مشابه با خورشید را شبیه سازی نمود. وقتی پرتوهای قدرتمند لیزر به صورت متمرکز به نقطه ای می تابند با حرارت دادن اتم های دوتریوم و تریتیوم  موجب ذوب شدن آنها می شوند. حتی می توان با این واکنش های هسته ای انرژی پاک تولید کرد و از آن در عملیات مختلف استفاده نمود.