مهار هم جوشی هسته ها

[Mohammad Aref 120452]

همه آنهايي كه اندكي با فيزيك آشنايي دارند مي‌دانند، كه پايه‌هاي فيزيك نوين را دو نظريه نسبيت و كوانتومي ‌تشكيل مي‌دهند. اما هر كدام از اين دو نظريه تا مرزهاي معيني كاربرد دارند و بعد از آن به نتايج غير قابل قبولي مي‌انجامند. نسبيت كه در ميدان‌هاي گرانشي متداول مثل گرانش كهكشان‌ها نتايج كاملا درستي مي‌دهد، وقتي با شرايط ابتداي آفرينش يعني انفجار بزرگ مواجه مي‌شود عباراتي نا‌متناسب ارائه مي‌دهد، تضاد‌هايي مثل ظهور بي‌نهايت‌ها. نظريه كوانتومي‌ هم كه در مورد فوتون‌ها و الكترون‌ها و ديگر اجرام ريز پيش‌بيني‌هاي درستي مي‌كند، وقتي وارد ابعاد هسته‌اي و نيروهاي مربوطه مي‌شود به تناقضاتي مي‌رسد. البته اين بدان معني نيست كه ما اطلاعاتي در مورد هسته اتم‌ها نداريم، بلكه منظور اين است كه يك نظريه جامع براي توضيح آن چه در هسته مي‌گذرد وجود ندارد؛ وگرنه بشر سال‌هاست كه با هسته آشنايي دارد و با فرآيندهاي هسته‌اي، انرژي (و البته سلاح!) توليد كرده است. ولي اكنون انسان قصد دارد قدمي ‌ديگر بردارد و آن مهار و كاربردي كردن انرژي گداخت هسته‌اي است. البته در اين راه مشكلات عملي و نظري بسياري وجود دارد. شايد سال‌ها تا برداشتن اين قدم باقي مانده باشد اما به نظر مي‌رسد در موسسه فناوري ماساچوست (MIT (1 خبرهايي است....

 

نگريستن به داخل خورشيدي مصنوعي

بعد از حدود پنج دهه تحقيقات، انتظار مي‌رود طي يك يا دو سال آينده گام‌هاي مهمي ‌در راستاي مهار نيروي جوش هسته‌اي برداشته شود. اين مرحله كه "اشتعال هم‌جوشي2" نام دارد، بايد توسط دستگاهي با همين نام كه در كاليفرنيا ساخته شده است، انجام شود. آخرين آزمايش‌ها مربوط به اين دستگاه كه اشتعال هم‌جوشي ملي3 (NIF) نام گرفته است، سال گذشته مختصرا با شكست‌هايي مواجه شد. دانشمندان زيادي از جمله پژوهشگران مركز علوم پلاسما و هم‌جوشي (PSFC)4 براي عملي ساختن اين بخش اساسي از عمليات ايفاي نقش كرده‌اند. اگر بخواهيم به طور مختصر شرح دهيم، محققان PSFC معين كرده‌اند كه چگونه مي‌توان از يك واكنش هم‌جوشي به عنوان نوعي نور پس زمينه5 استفاده كرد؛ كاري كه به آنها اين توانايي را مي‌دهد تا مشاهده كنند چه اتفاقي در واكنش‌هاي نخستين در حال روي دادن است. گداخت يا جوش هسته‌اي، به معني تركيب و ممزوج شدن دو اتم كوچك در يك اتم، به همراه آزاد كردن مقدار حيرت‌آوري انرژي است. اين دقيقا همان فرآيندي است كه در خورشيد هم روي مي‌دهد و شايد به گونه‌اي بتوان آن را راه حل نهايي مسئله انرژي جهان نيز دانست. زيرا اين فرآيند مي‌تواند مقادير عظيمي ‌از انرژي را بدون آلودگي‌هاي گلخانه‌اي ايجاد كند. هر چند شايد راه كار عملي كنترل اين انرژي - مثلا با ساخت نيروگاه – تا يك دهه ديگر دور از دست باقي بماند.

يك مشكل اساسي پيشاروي محققان و مهندسان اين است كه واكنش واقعي بايد در كپسولي با مقطع دايره‌اي شكل و قطر 2 ميلي‌متر اتفاق بيفتد كه دما و فشار آن در حال انفجار حتي بسيار بيشتر از آني مي‌شود كه در مركز خورشيد موجود است! در چنين محيطي، تصويرنگاري يا انجام هر نوع اندازه‌گيري به هيچ وجه كار آساني نيست؛ در حالي كه واضح است چنين اعمالي براي تنظيم سيستم و حصول نتيجه مطلوب حياتي هستند. يك گروه از MIT كه توسط محقق ارشد PSFC، "ريچارد پتراسو"6 رهبري مي‌شد، در روش استفاده از نور پس زمينه به پيشرفت‌هايي دست يافته‌اند. اين موضوع براي اولين بار در سال 2008 به اطلاع عمومي‌رسيد. اكنون اين گروه گزارش مي‌دهند كه توانسته‌اند در دانشگاه رچستر7 آزمايش‌هاي موفقيت آميزي را ثبت كنند و موفق به يادگيري جزئيات جالبي درباره ماهيت ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيس اطراف كپسول كوچك شده‌اند.

دكتر پتراسو در اين مورد مي‌گويد: "ما در حال گرفتن يك تصوير فوري از چيزي بوديم كه ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيسي بدان شبيه بودند، اين اطلاعاتي است كه مشكل بتوان از روش ديگري به‌دست آورد."

 

ساخت يك جرقه‌زن براي گداخت

NIF از روشي بهره مي‌برد كه "راه اندازي غير مستقيم" ناميده مي‌شود. در اين روش، كپسول كوچكي از سوخت هيدروژن را به داخل يك گودال كه " تابشگر كامل8 " نام دارد، مي‌اندازند. سپس پرتوهاي ليزر درون ديواره‌هاي اين گودال را بمباران مي‌كنند كه اين كار موجب گرم شدن ديواره‌ها و انتشار پرتوهاي ايكس مي‌شود، و اين امر نيز به نوبه خود باعث اشتعال كپسول مي‌شود. اشتعال يعني هدف نهايي و اساسي NIF، به اين معني است كه انرژي ناشي از گداخت اتم‌هاي داخلي كپسول، نقش يك جرقه‌زن را ايفا مي‌كنند كه به خودي خود باعث گداخت اتم‌هاي فوق چگال هم‌جوار مي‌شود و اين روند همين‌طور در يك فرآيند زنجيره‌اي ادامه مي‌يابد. دكتر پتراسو توضيح مي‌دهد: "اما براي رسيدن به نقطه شروع اشتعال به وسايل خطايابي نياز است، تا جزئيات آن‌چه داخل كپسول مي‌گذرد را مشخص كنند، جايي كه دما به 200 مليون درجه كلوين مي‌رسد و فشار هم مي‌تواند تا يك تريليون واحد اتمسفر افزايش يابد!" 9

به منظور اين كه اشتعال به درستي عمل كند، كپسول حاوي دوتريوم و تريتيوم (دو شكل سنگين از عنصر هيدروژن) بايد به طور تقريبا كامل كروي باشد، به طور كامل در مركز تابش‌دهنده قرار گيرد و بايد در حالتي تقريبا كامل از تعادل و تقارن منفجر شود. پتراسو در اين مورد مي‌گويد: "يك پرسش مهم اين است كه دست ما چقدر براي خطاهاي آزمايشگاهي باز است؟ اين يكي از چيزهايي است كه هنوز مشخص نشده، و در واقع پاسخ همين پرسش است كه روشن مي‌كند چرا روش‌هاي مشاهده سيستم اين قدر با اهميت هستند." در مركز تحقيقات انرژي ليزر رچستر، كپسول دومي ‌نزديك كپسول اول جايگذاري و به وسيله پرتوهاي ليزر بمباران شد كه باريكه‌اي از پروتون‌ها را براي راه انداختن كپسول دوم در داخل تابشگر كامل توليد كرد.

نلسون هوفمان دانشمند فيزيك پلاسما در آزمايشگاه لوس آلاموس مي‌گويد: "گروه MIT در چندين روش بسيار موثر، براي اندازه‌گيري جنبه‌هاي مهم آن‌چه داخل كپسول‌هاي گداخت روي مي‌دهد، پيشرفت كرده‌اند. اين جنبه‌ها به عنوان يك شاخص براي اين كه معلوم شود چقدر به هدف اشتعال نزديك هستيم بسيار حياتي‌اند. به عنوان يك نتيجه، گروه MIT هم اكنون نيز پديده‌هاي شگفت‌انگيزي را در روش گسترش ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيسي يافته‌اند." او اضافه مي‌كند: "تلاش براي رسيدن به گداخت هسته‌اي، يكي از سخت‌ترين مشكلات علمي ‌است كه تاكنون با آن درگير بوده‌ايم. بنابر اين بازنگري مسئله به روشي نوين (مانند تصوير نگاري پروتوني گروه MIT)براي كشف پديده‌هايي كه در هيچ روش ديگري نمايان نمي‌شوند، مي‌تواند كارساز باشد."

به عنوان يك نمونه از نتايجي كه اخيرا منتشر شده، گروهMIT همراه با همكاراني از آزمايشگاه ملي "لاورنس ليورمور10" (آزمايشگاهي براي تحقيقات مربوط به انرژي ليزر) نتايجي را مشاهده كردند كه از يك آزمايش به اصطلاح خودشان "برخورد پنج چنگاله با الگوي ستاره‌اي" به دست آمد. اين نتايج در ميدان‌هاي اطراف كپسول مشاهده شده‌اند. بايد تاكيد كنيم كه اين ميدان‌ها مي‌توانند نقش مهمي ‌را در مشاهدات غير مستقيم بازي كنند. الگوي مشاهده شده، نتيجه مكان پرتوهاي ليزر فرودي است.

پتراسو انتظار دارد كه در NIF، مدت زيادي از نخستين آزمايش‌ها بگذرد تا هدف اشتعال حاصل شود. او مي‌گويد: "اين چيزي است كه قبلا هرگز اتفاق نيفتاده است، بنابراين ما بايد به شناختي وابسته باشيم كه هم‌زمان خودمان با آزمايش به دست مي‌آوريم، و اين ماييم كه بايد موقعيت‌هاي بسيار دقيقي كه مورد نياز است را ايجاد كنيم.‌" وي كه از سال 1978 (1357 ش) در PSFC مشغول كار بوده است، ادامه مي‌دهد: "بسياري از بخش‌هاي اين تلاش، پايه‌هاي نظري-عملي دقيقي دارند؛ اما بسياري ديگر نيز اين طور نيستند. به همين خاطر، ما بايد نقاط تاريك تئوري‌ها را خودمان پر كنيم تا بتوانيم سرانجام، شرايط را به درستي مهيا كنيم."

براي اين كار، علاوه بر كمك‌هاي مركز رچستر، محققان MIT شامل 6 دانشجوي دكتر، نقش مهمي‌ را در انجام پروژه NIF ايفا كرده‌اند.

به بيان پتراسو: "اشتعال نه فقط گام مهمي‌به سوي اتفاقي است كه شايد روزي به استفاده عملي از نيروي گداخت بينجامد، بلكه همچنين مي‌تواند وسيله عملي خوبي باشد تا بفهميم خورشيد و ديگر ستارگان چطور كار مي‌كنند. شما- حتي در خلال همين آزمايش‌ها كه فقط چند ميليونيوم ثانيه دوام دارند- شرايطي را ايجاد مي‌كنيد كه تنها مي‌توان در مركز ستارگان يافت، به نظر من اخترفيزيكدانان نيز اين شرايط را بسيار جالب و مسحوركننده خواهند يافت.‌"

 

پي‌نوشت:

1-Massachusetts Institute of Technology

2-fusion ignition

3-national fusion ignition

4-plasma science and fusion center

5-backlight

6-Richard petrasso

7-Rochester

8- hohlraum

9ـ براي مقايسه، دماي مركز خورشيد تنها 15 ميليون درجه كلوين است- م

10-Lawrence livermor

 

 

شرح عكس‌ها:

بعد از حدود پنج دهه تحقيقات، انتظار مي‌رود طي يك يا دو سال آينده گام‌هاي مهمي ‌در راستاي مهار نيروي جوش هسته‌اي برداشته شود. اين مرحله كه "اشتعال هم‌جوشي" نام دارد، بايد توسط دستگاهي با همين نام كه در كاليفرنيا ساخته شده است، انجام شود. آخرين آزمايش‌ها مربوط به اين دستگاه كه اشتعال هم‌جوشي ملي (NIF) نام گرفته است، سال گذشته مختصرا با شكست‌هايي مواجه شد.

 

منبع: ماهنامه دانشمند