فرادرسهمجوشی هسته ای — به زبان ساده
زمانی که دانشمندان در اوایل قرن بیستم، هسته اتم را شکافتند، تصور می‌کردند که توانسته‌اند نحوه شکل‌گیری عالم از ذرات کوچک را بشناسند. آنچه که آن‌ها نمی‌دانستند این بود که به مکانیزمی دست یافته‌اند که می‌تواند در تولید انرژی و همچنین ساخت بمب کاربرد داشته باشد.
ارنست رادرفورد، از اولین کسانی بود که آزمایشات مربوط به شناخت ساختار اتم را انجام داد. او در نقل قولی معروف، می‌گوید:
این تصور اشتباه است که می‌توان با تغییر ساختار اتم به انرژی دست یافت.
امروزه ثابت شده که می‌توان با تغییر ساختار اتم از آن انرژی گرفت؛ بنابراین رادرفورد در اشتباه بوده. برای نمونه بمب اتمی ابزاری است که با تغییر دادن هسته اورانیوم یا پلوتونیوم، منجر به تولید انرژی میشود. در حالت کلی می‌توان به دو روشِ شکافت و همجوشی، انرژی هسته‌ای تولید کرد. «شکافت هسته‌ای» (Nuclear Fission) روشی محسوب میشود که منجر به تولید زباله‌های هسته‌ای خواهد شد. این در حالی است که «همجوشی هسته‌ای» (Nuclear Fusion) روشی پاک‌تر و ایمن‌تر به منظور تولید انرژی هسته‌ای محسوب میشود. تصویر زیر شماتیکی از فرآیند همجوشی و شکافت را نشان میدهد.
همجوشی هسته‌ای چیست؟
شاید در ابتدا عجیب به نظر برسد، اما هر کاری که هم‌اکنون انجام می‌دهید، از جمله تنفس، راه رفتن یا فکر کردن و هر پدیده‌ای که در اطراف خود می‌بینید، به طور غیر مستقیم با فرآیند جوش هسته‌ای رخ داده شده در خورشید، ارتباط دارد. اگر می‌توانستید به درون هسته‌ی خورشید سفر کنید، خواهید دید که در آن‌جا اتم‌های هیدروژن با یکدیگر ترکیب شده و منجر به تولید هلیوم میشوند.
بنابراین جوش هسته‌ای، واکنشی است که در آن دو یا چند اتم با یکدیگر ترکیب شده و عنصر جدیدی را ایجاد میکنند. اختلاف میان جرم اتم‌های اولیه و اتم‌های جدید تولید شده، معادل با انرژی است که می‌تواند تولید شده یا جذب شود. بدیهی است که تفاوت عمده‌ای میان هسته‌ی خورشید و یک نیروگاه وجود دارد. بنابراین چطور می‌توان انرژی ناشی از جوش هسته‌ای را در زمین ایجاد کرد؟ تحقیقات نشان داده که روش بهتر استفاده از ایزوتوپ‌های سنگین‌تر هیدروژن است. این ایزوتوپ‌ها به دلیل سنگین‌تر بودن، ناپایدار‌تر بوده و فرآیند جوش هسته‌ای را می‌توان با انرژی کم‌تری انجام داد.
اتم معمولی هیدروژن دارای یک پروتون و یک الکترون بوده و نوترونی در خود ندارد. این در حالی است که ایزوتوپ‌های تریتیوم و دوتریوم به ترتیب دارای ۲ و ۱ نوترون هستند. بنابراین می‌توان با ترکیب یک اتم از دوتریوم و یک اتم از تریتیوم اتمی پایدار از هلیوم ساخت. در شکل زیر شماتیکی از فرآیند جوش هسته‌ای مذکور نشان داده شده است.
بدیهی است که واکنش ارائه شده در بالا، واکنشی شیمیایی محسوب میشود. در واکنش‌های شیمیایی، اگر مجموع جرم فرآورده‌ها سبک‌تر از واکنشدهندهها باشد، فرآیند، گرماده محسوب میشود. در فرآیند هجوشی هسته‌های هیدروژن نیز این حالت وجود دارد. بنابراین با توجه به پایدار‌تر بودن اتم‌های هلیوم، فرآیند انرژی‌زا یا اصطلاحا گرماده است.
استفاده از همجوشی هسته‌ای
در فرآیند همجوشی هسته‌ای که در نتیجه ترکیب اتم‌های هیدروژن رخ میدهد، اگر جرم واکنشدهندهها (اتم تریتیوم + اتم دوتریوم) را با جرم فرآورده‌ها (اتم هلیوم + نوترون) مقایسه کنید، خواهید دید که جرم واکنشدهندهها بیشتر است. این اختلاف، برابر با جرمی است که به انرژی تبدیل شده. مقدار جرمِ m از یک ماده به طور مستقیم و در قالب رابطه معروف آلبرت انیشتین یا همان $$ E = m c ^ 2 $$، برابر با انرژی است. برای نمونه طبق این رابطه ۱ گرم اورانیوم معادل با انرژی $$ E = 1 × 1 0 ^ { - 3 } ( { 3 × 1 0 ^ { 8 } } ) ^ 2 = 9 × 1 0 ^ { 1 6 } \ J $$ است! برای نمونه در بزرگ‌ترین بمب هسته‌ای که اتحاد جماهیر شوروی در سال ۱۹۶۱ آزمایش کرد، تنها ۲.۳ کیلوگرم جرم به انرژی تبدیل شد. این مقدار از انرژی، معادل با انرژی ناشی از انفجار ۱۰۰ مگاتن تی‌ان‌تی است.
بنابراین انرژی آزاد شده در نتیجه فرآیند همجوشی معادل با انرژی ذخیره شده در چندین تن سوخت فسیلی محسوب میشود. از این رو در دهه‌های اخیر تلاش بر این بوده تا به جای نیرو‌گا‌ه‌های مبتنی بر فرآیند شکافت هسته‌ای، از نیروگاه‌هایی استفاده شود که انرژی آن‌ها در نتیجه فرآیند همجوشی هسته‌ای تولید میشود. همان‌طور که اشاره شد، مبنای ایجاد فرآیند همجوشی هسته‌ای در آزمایشگاه، استفاده از ایزوتوپ‌های هیدروژن است. از نظر تئوری این امر ساده به نظر می‌رسد، اما تاکنون کسی نتوانسته با استفاده از این فرآیند، انرژی در مقیاس صنعتی تولید کند. دلیل این امر، مشکل بودن کنترل انرژی تولید شده است.
به منظور ایجاد فرآیند جوش هسته‌ای، بایستی دو اتم هیدروژن را به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک کرد. همان‌طور که در مطلب اوربیتال و آرایش الکترونی نیز به تفصیل بیان شد، هسته اتم دارای بار خالص مثبت است، لذا دو هسته یکدیگر را دفع کرده و نزدیک کردن آن‌ها به هم کار مشکلی خواهد بود. هرچه دو هسته بیشتر به هم نزدیک شوند، انرژی بیشتری به منظور نگه داشتن آن‌ها نیاز است. در ستاره‌هایی همچون خورشید، نیرویی که دو اتم را کنار یکدیگر نگه می‌دارد، همان گرانش است.
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 دوتریوم و تریتیوم 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 Joint European Torus) JET)، 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. تصویر زیر شماتیک فرآیند محصورسازی لختی را نشان میدهد.
علاقه‌مندی مهندسان و دانشمندان به استفاده از فرآیند همجوشی هسته‌ای به جای فرآیند شکافت هسته‌ای، آینده هیجان انگیزی را در حوزه تامین انرژی رقم خواهد زد؛ چرا‌که بشر در تلاش است تا خورشیدی مصنوعی را در زمین ایجاد کند!
در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه فیزیک، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد میشوند:
با سلام به همگی و تشکر بابت سایت خوبتان
من دو تا سوال درباره این مقاله داشتم.
۱)_من این مورد را متوجه نشدم که چگونه وقتی هسته های دو هیدروژن(دوتریوم و تریتیوم)به هم نزدیک میشوند و نیروی دافعه به یکدیگر وارد میکنند ولی مثلا در دمای بالا با استفاده از میدان ومغناطیسی این دو به نزدیک میشوند اخه تا جایی که میدانم این نیرو(دافعه) در فاصله های بسیار نزدیک بسیار زیاد است(اگر میشه نحوه کارکرد این میدان مغناطیسی را بر روی دو ایزوتوپ هیدروژن توضیح دهید)
با سپاس فراوان
شما در دو جا بصورت متناقض حرف زدید
اول گفتید جرم فرآورده‌ها بیشتر است ولی درست در پارگراف بعدی گفته‌اید جرم واکنش دهنده‌ها بیشتر است لطفا مطلب را اصلاح نمایید
با سلام،
متن بازبینی و ویرایش شد،
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس
با سلام؛
اگر دو هسته در فاصله بسیار نزدیک از یکدیگر قرار بگیرند به منظور غلبه بر نیروی دافعه الکترواستاتیکی باید با سرعت بسیار بالایی حرکت کنند. بنابراین این هسته‌ها با دمای بالا در یک میدان مغناطیسی قوی با سرعت بسیار بالا حرکت داده میشوند.
همچنین با اعمال میدان مغناطیسی بسیار قوی (بیشترین ۱۳ تسلا بوده است) پلاسما با دما و فشار بسیار بالا را محبوس میکنند.
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس
سلام ببخشید بعد تبدیل هیدروژن به هلیم چه تغییری درمقدار دما وعناصر ایجاد میشود اگر جواب بدین ممنون میشم.
سلام و روز شما به خیر؛
همان طور که در متن نیز اشاره شده است در همجوشی هسته‌ای دمای اتم‌های دوتریوم و تریتیوم به اندازه دمای هسته‌ی خورشید یعنی حدود ۱۰۰ میلیون درجه سانتی‌گراد داغ میشوند. کاهش جرم نیز اگر فرض کنیم چهار اتم هیدروژن به یک اتم هلیم تبدیل شده‌اند با تفاضل بین این واکنش به راحتی قابل محاسبه است و جرم کاهیده به انرژی تبدیل میشود که مقدار انرژی آزاد شده نیز با استفاده از رابطه اینشتین یعنی $$E=mc^2$$ به دست می‌آید.
از همراهی شما با فرادرس خرسندیم.
ببخشید علت انفجار و مرگ خورشید در این است که تبدیل به یک عنصر ناپایدار شده؟ و به همین خاطر بعد از مدتها همجوشی، شکافت صورت می گیرد؟
سلام و روز شما به خیر؛
برای پاسخ به سوال خود مطلب «خورشید چیست ؟ — آنچه باید درباره ستاره منظومه شمسی بدانید» را در مجله فرادرس بخوانید.
از همراهی شما با مجله فرادرس خرسندیم.
در واکنش های هسته ای قانون پایستگی جرم وانرژی برقرار هست.
سوال دوم)در رابطهE=mc2
که در مقاله آمده و انرژی تولید شده توسط یک گرم اورانیوم نشان میدهد سوالی داشتم
چرا حتما باید جرم ماده ما اورانیوم یا یک ماده پرتوزا باشد اخه فکر کنم رابطه انیشتن برای تمام اجرام در جهان صادق باشد و اگر اینطور باشد(هر جسمی را بتوان به انرژی ) تبدیل کرد با ابتدا انرا ناپایدار کرد؟
با سلام:
دقت داشته باشید که در سرعت‌های کم در فیزیک نیوتونی (به طور مثال رابطه انرژی جنبشی با سرعت حرکت جسم و جرم آن) مسائل را حل می‌کنیم و هنگامی که سرعت حرکت اجسام به سرعت نور نزدیک میشود قوانین نسبیتی انیشتین حاکم است.
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس
درسته از نظر منم قانون پاستگی جرم رو داره زیر سوال میبره ولی در واقع این فرایند گرماده هست چون در حین همجوشی از خود نور و گرما تولید میکنه
ببخشید چطور ۴ تا هیدروژن یک هلیوم رو میسازند.در صورتی که هلیوم فقط ۲ پروتون دارد و هیدروژن هم ۱ پروتون.در این صورت میشه ۴ تا پروتون و هلیوم هم فقط ۲ تا پروتون داره.پس تکلیف اون دو تای دیگه چی میشه؟
پروتون و نوترون از ذرات کوچکتری به اسم کوارک ساخته شده اند. پروتون و نوترون می تونن در سه فرایند ۱_واپاشی بنای منفی ۲_واپاشی بتای مثبت و ۳_جذب الکترون به یکدیگر تبدیل شوند.
در این تبدیل ها ما «اصل بقای بار الکتریکی» داریم
اگه پروتون (با بار +۱) بخواد به نوترون (بدون بار) تبدیل بشه، یا باید الکترون جذب کنه یا باید اشعه ی بتای مثبت (پوزیترون) منتشر کنه
اگه هم نوترون بخواد به پروتون تبدیل بشه باید اشعه ی بتای منفی (الکترون) ساطع کنه
پس بار الکتریکی از بین نمیره
در تبدیل ۴ هیدروژن به یک هلیوم، ۲ تا از پروتون ها به ۲ تا نوترون تبدیل میشن و اشعه بتای منفی (الکترون) منتشر می کنن
2p ===} 2n + 2B- + Energy
الکترون و پوزیترون ضدماده ی همدیگه هستن
گرفتن الکترون با دادن پوزیترون معادله و گرفتن پوزیترون با دادن الکترون معادله
ذرات ضد ماده اگه با هم برخورد کنند از بین میرن. مثلا برخورد الکترون با پوزیترون منجر به تولید دو اشعه ی گاما (که انرژی خیلی زیادی داره) میشه و نهایتاً به انرژی تبدیل میشن و از بین میرن
خب پروتون ها در واکنش جدا شده وما دوتا پروتون جدا خواهیم داشت
سلام، وقت شما بخیر؛
واکنش کلی بدین صورت است :
4¹H⁺ → ⁴He²⁺ + 2e⁺ + 2νₑ
در حقیقت چهار اتم هیدروژن به ایزوتوپ هلیوم-۴ تبدیل میشوند نه هلیم که این ایزوتوپ دارای 2 پروتون و ۲ نوترون است.
از اینکه با مجله فرادرس همراه هستید از شما بسیار سپاسگزاریم.
شما در توضیحات تیتر همجوشی هسته ای چیست بیان کردید که اگر در یک واکنش شیمیایی جرم فراورده بیشتر از واکنش دهنده باشد فرایند گرماده است…
این جا دوتا سوال برای من پیش میاد…
اول این که این قانون پایستگب انرژی رو در واکنش های شیمیایی زیر سوال میبره…
دوم این که مگه زمانی فرایند گرماده نمیشد که از خودش گرما آزاد میکرد
خوب اگه فرضمون این باشه که انرژِی گرمایی آزاد شده در فرایند طبق رابطه e=mc2 از تبدیل مقداری از جرم واکنش دهنده باشه
طبیعتا جرم فراورده باید از واکنش دهنده کمتر باشه…
در تمامی فرآیندهای جهان قانون پایستگی جرم و انرژی حاکم است. منتهی گاهی جرم به انرژی تبدیل میشه (مثل واکنش های هسته ای) و گاهی هم انرژی به جرم تبدیل میشه (که این مورد فقط در سیاه چاله ها بخاطر گرانش فوق العاده زیاد رخ میده و انرژی اونقدر متراکم میشه تا به ماده تبدیل میشه)
انیشتین رابطه ی E=mc2 رو برای تبدیل ماده به انرژی و بالعکس تعریف کرد. پس اگه جایی انرژی کم بشه یعنی ماده به انرژی تبدیل شده و از روی جرم کم شده میشه به میزان انرژی آزاد شده پی برد.
اگه جایی در متن نوشته شده که جرم فرآورده ها زیاد شده، اشتباه نوشته. در تمامی واکنش های هسته ای جرم فرآورده ها از جرم واکنش دهنده ها کمتره، چون انرژی آزاد میشه.
دوست عزیز در واکنش های هسته ای استثنی میباشد
very very very very good
سلام خدمت تمامی کادر علمی فرادرس خسته نباشید
ببخشید مه سوال داشتم
آیا در سطح آفتاب کتله بوجود میاید یعنی انژی تبدیل به کتله میشود یا خیر؟
با سلام،
جرم در سطح خورشید نمی‌تواند به انرژی تبدیل شود. تبدیل جرم به انرژی طی فرایند همجوشی هسته‌ای در مرکز خورشید رخ میدهد. در مرکز خورشید به دلیل دما و فشار بسیار زیاد، هسته‌های مثبت اتم‌های هیدروژن می‌توانند بر دافعه الکترواستاتیکی غلبه کنند و به یکدیگر نزدیک شوند. با نزدیک شدن اتم‌های هیدروژن به یکدیگر و جوش خوردن آن‌ها به هم، اتم‌های هلیوم تشکیل میشوند.
در طی این فرایند، مقداری جرم از دست می‌رود. جرم از دست رفته به هم‌ارزی جرم و انرژی، $$E= m c ^ 2$$، به انرژی تبدیل میشود. انرژی تشکیل شده به شکل فوتون رها میشود و به سطح خورشید می‌رسد. در نتیجه، جرم نمی‌تواند در سطح خورشید به انرژی تبدیل شود، اما در مرکز خورشید به دلیل دما و فشار بسیار زیاد، این تبدیل ممکن میشود.
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس