فیزیک پلاسما و هم‌ جوشی

پلاسما یک حالت غیرعادی ماده است؛ نوعی گاز کاملاً یونیده و ابر داغ است که به تعداد مساوی یون مثبت و الکترون منفی دارد. جای پلاسما فضای میان ستاره‌ای است و از آن‌جا به داخل ستاره‌ها نفوذ می‌کند و به صورت نورهای قطبی در آسمان نیم‌کرۀ شمالی گسترده می‌شود.
شاید مهم‌ترین حوزۀ پژوهشی پلاسما کوشش برای راه انداختن واکنش‌های هم‌جوشی (مانند آن‌هایی که در داخل خورشید رخ می‌دهند) به منظور تولید تجارتی نیرو باشد. در هم‌جوشی دو هسته، مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد می‌شود، اما برای استخراج این انرژی ابتدا باید انرژی مصرف کرد. برای این‌که هسته‌ها بتوانند از طریق نیروی قوی هسته‌ای برهم‌کنش کنند، ابتدا باید بر نیروی نسبتاً ضعیف‌تر (اما باز هم قوی) دافعۀ بین هسته‌ای غلبه کنند. بنابراین، برای این‌که تولید انرژی (برای هم‌جوشی دوتریوم ـ تریتیوم 17MeV در هر واکنش) آغاز شود، باید خود هسته‌ها دارای انرژی جنبشی خیلی بالا (هزارها الکترون ولت برای TـD) باشند. یا به عبارت دیگر این هسته‌ها باید در دمای خیلی بالا (100 میلیون درجه برای TـD) باشند.
چندین طرح برای گرم کردن، و سپس محصور کردن، پلاسما در محفظۀ رآکتورها، ارائه شده است. در محصورسازی مغناطیسی، پلاسما را در یک «بطری مغناطیسی» نگه می‌دارند. این بطری ناحیه‌ای از فضاست که با پیچک‌های حامل جریان احاطه شده است. پیچک‌ها میدان‌های مغناطیسی قوی تولید می‌کنند که مانع خروج ذرات از دیوارهای محفظه می‌شوند. توکامک یک راکتور هم‌جوشی چنبره‌ای شکل است. در سال گذشته دوتا از بزرگ‌ترین توکامک‌ها شروع به کار کردند. این دو عبارت‌اند از رآکتور آزمونی هم‌جوشی توکامک در پرینستون و چنبرۀ مشترک اروپایی در انگلستان..
طرح دیگر محصورسازی مغناطیسی، رآکتور استوانه‌ای دو سرباز است؛ با دو «آیینۀ» مغناطیسی که در دو سر آن قرار دارند .. ماشین‌های آیینه‌ای عمده عبارتند از تجهیزات آزمونی هم‌جوشی آیینه‌ای در لیورمور (سیمنون و دیگر)، و فادروس در دانشگاه ویسکانسین. سایر وسایل محصورسازی مغناطیسی عبارتند از چنبرۀ الموبامپی در اوک ریج ، استلاراتور در ویسکانسین و ماشین تنگش با میدان وارون در لوس‌آلاموس.
در طرح‌های محصورسازی مغناطیسی از نوع لَخت، یک هدف ساچمه‌ای کوچک، توسط نور لیزر یا باریکه‌های ذره‌ای به طور هم‌زمان از چند طرف بمباران می‌شود. ازهم‌پاشیدن مادۀ سوخت، ساچمه را تا دمای هم‌جوشی گرم می‌کند. وسایل لیزرـ هم‌جوشی اصلی عبارتند از نووت/ نووا در لیورمور (ناکل) و هلیوس/ آنتاریس در لوس‌آلاموس.
در شتاب‌ دهندۀ هم‌جوشی باریکه ذره‌ای، در ساندیا از باریکه‌های یون‌های سبک به عنوان «محرک» هم‌جوشی استفاده می‌شود.

هم‌جوشی کاتالیز شده با میون

از مدت‌ها پیش معلوم شده است که هرگاه در سوخت هیدروژنی به جای الکترون از میون استفاده شود، واکنش‌های هسته‌ای در دماهای پایین امکان‌پذیر می‌شوند؛ در این واکنش‌ها میون‌ها امکان به هم نزدیک شدن هسته‌ها را قبل از این ‌که دافعۀ الکترواستاتیکی عمل کند (آلوارز و دیگر 1957) فراهم می‌کنند. این امر نیاز به چنین انرژی‌های بالا (یا دماهای بالا)یی را در واکنش‌های هم‌جوشی (جکسون 1957؛ براکی و دیگر 1982) کم‌تر می‌کند.
در هم‌جوشی دوتریوم ـ تریتیوم (DT)، توقع می‌رفت که میون‌هایی که به آمیزه‌ای از D و T تزریق می‌شوند، «مولکول‌های مزونی» با قید محکم DTμ تشکیل بدهند؛ و سپس این مولکول‌ها به صورت یک ذرۀ آلفا و یک نوترون هم‌جوشیده شوند، و یک میون برای کاتالیز واکنش بعدی آزاد شود. متأسفانه، محاسبه‌های اولیه نشان دادند که زمان تشکیل مولکول DTμ آن‌چنان طولانی است که در طی طول عمر یک میون (2µsec) به طور متوسط تنها یک واکنش کاتالیز می‌شود، و مهم‌تر از این، انرژی آزاد شده خیلی کم‌تر از انرژی لازم برای آفرینش یک میون است.
کارهایی که اخیراً در اتحاد جماهیر شوروی و سایر کشورها انجام شده مجدداً این موضوع را در مرکز توجه قرار داده است. نتایج این کارها به این صورت است که آهنگ تشکیل مولکول DTμ خیلی بیش‌تر از آن است که قبلاً تصور می‌رفت؛ علت این امر تطابق اتفاقی بین یک تراز برانگیخته از مولکول مزونی DTμ و یک تراز از کمپلکس مولکولی DTµ-D یا DTµ-T است. این کمپلکس هنگام ترکیب یک تریتون مزونی Tµ با یک مولکول D_2 یا DT تشکیل می‌شود. آن‌گاه یک تک میون می‌تواند بین 100 تا 1000 واکنش را کاتالیز کند، به شرط این که توسط ذرۀ آلفای حاصل گیر نیافتد؛ در این حالت انرژی فرآیند نیز کافی خواهد بود (پتروف، 1980).
این پیش‌گویی جدید توسط دانشمندان آزمایشگاه مهندسی ملی آیداهو (INEL) و لوس‌آلاموس در تجهیزات فیزیک مزونی پ.آندرسون کلینتون به طور تجربی بررسی شد (جونز و دیگر، 1983). آن‌ها با به کاربردن هدف‌های DT که چگالی آن‌ها 0/6 بار بیش‌تر از چگالی هیدروژن مایع بود دریافتند که در دمای 127 درجۀ سانتی‌گراد، هفتاد هم‌جوشی DT به ازای هر میون تولید می‌شود، و این خیلی پایین‌تر از دمایی (〖10〗^8 درجۀ سانتی‌گراد) بود که معمولا برای هم‌جوشی پلاسما به کار می‌رفت. نتایج این تجربه حتی از پیش‌گویی‌ها نیز خوش‌بینانه‌تر بود؛ زیرا محصول هم‌جوشی تقریباً دو برابر بزرگ‌تر بود. ضریب چسبندگی ذرۀ X نیز تا حدی کم‌تر از آن بود که انتظار می‌رفت. چون آهنگ تشکیل DTµ وابسته به دماست، انتظار می‌رفت که قلۀ محصول نوترون تزریقی در 270 درجۀ سانتی‌گراد باشد. در واقع وابستگی به دمای آهنگ تشکیل مشاهده شد، اما به نظر می‌رسید که این قله در دمایی بالاتر از °270 باشد.
برای تأیید وجود وابستگی به دما، آزمایش‌های دقیق دیگری در جریانند. این وابستگی در امر تشکیل تشدید مولکول‌های مزونی DTµ، تعیین کننده است. در حال حاضر یکی از مشکلات، ضریب چسبندگی بالای ذرۀ آلفا است و روش‌هایی برای آزادسازی میون پس از گیر افتادن توسط ذرۀ آلفا تحت بررسی است. ظاهراً این نظر دوباره قوت گرفته است که هم‌جوشی «سرد» شدنی است.