مهار هم جوشي هسته ها
نويسنده: محمد رضا كاظميان
گامي ديگر براي به خدمت درآوردن انرژي اتم
همه آنهايي كه اندكي با فيزيك آشنايي دارند مي دانند، كه پايه هاي فيزيك نوين را دو نظريه نسبيت و كوانتومي تشكيل مي دهند. اما هر كدام از اين دو نظريه تا مرزهاي معيني كاربرد دارند و بعد از آن به نتايج غير قابل قبولي مي انجامند. نسبيت كه در ميدان هاي گرانشي متداول مثل گرانش كهكشان ها نتايج كاملا درستي مي دهد. وقتي با شرايط ابتداي آفرينش يعني انفجار بزرگ مواجه مي شود عباراتي نامتناسب ارائه مي دهد، تضادهايي مثل ظهور بي نهايت ها. نظريه كوانتومي هم كه در مورد فوتون ها و الكترون ها و ديگر اجرام ريز پيش بيني هاي درستي مي كند، وقتي وارد ابعاد هسته اي و نيروهاي مربوطه مي شود به تناقضاتي مي رسد. البته اين بدان معني نيست كه ما اطلاعاتي در مورد هسته اتم ها نداريم، بلكه منظور اين است كه يك نظريه جامع براي توضيح آن چه در هسته مي گذرد وجود ندارد؛ و گرنه بشر سال هاست كه با هسته آشنايي دارد و با فرايندهاي هسته اي، انرژي (و البته سلاح!) توليد كرده است. ولي اكنون انسان قصد دارد قدمي ديگر بردارد و آن مهار و كاربردي كردن انرژي گداخت هسته اي است. البته در اين راه مشكلات عملي و نظري بسياري وجود دارد. شايد سال ها تا برداشتن اين قدم باقي مانده باشد اما به نظر مي رسد در موسسه فناوري ماساچوست (MTY) (1) خبرهايي است........
نگريستن به داخل خورشيدي مصنوعي
بعد از حدود پنج دهه تحقيقات، انتظار مي رود طي يك يا دو سال آينده گام هاي مهمي در راستاي مهار نيروي جوش هسته اي برداشته شود. اين مرحله كه "اشتغال هم جوشي(2)" نام دارد، بايد توسط دستگاهي با همين نام كه در كاليفرنيا ساخته شده است، انجام شود. آخرين آزمايش ها مربوط به اين دستگاه كه اشتغال هم جوشي ملي (3) (NIF) نام گرفته است، سال ها گذشته مختصرا با شكست هايي مواجه شد. دانشمندان زيادي از جمله پژوهشگران مركز علوم پلاسما و هم جوشي (PSFC)(4) براي عملي ساختن اين بخش اساسي از عمليات ايفاي نقش كرده اند. اگر بخواهيم به طور مختصر شرح دهيم، محققان PSFCمعين كرده اند كه چگونه مي توان از يك واكنش هم جوشي به عنوان نوعي نور پس زمينه(5) استفاده كرد؛ كاري كه به آنها اين توانايي را مي دهد تا مشاهده كنند چه اتفاقي در واكنش هاي نخستين در حال روي دادن است. گداخت يا جوش هسته اي، به معني تركيب و ممزوج شدن دو اتم كوچك در يك اتم، به همراه آزاد كردن مقدار حيرت آوري انرژي است. اين دقيقا همان فرآيندي است كه در خورشيد هم روي مي دهد و شايد به گونه اي بتوان آن را راه حل نهايي مسئله انرژي جهان نيز دانست. زيرا اين فرآيند مي تواند مقادير عظيمي از انرژي را بدون آلودگي هاي گلخانه اي 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 پيشاوري محققان و مهندسان اين است كه واكنش واقعي بايد در كپسولي با مقطع دايره اي شكل و قطر 2 ميلي متر اتفاق بيفتد كه دما و فشار آن در حال انفجار حتي بسيار بيشتر از آني مي شود كه در مركز خورشيد موجود است! در چنين محيطي، تصوير نگاري يا انجام هر نوع اندازه گيري
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 مي شد، در روش استفاده از نور پس زمينه به پيشرفت هايي دست يافته اند. اين موضوع براي اولين بار در سال 2008 به اطلاع عمومي رسيد. اكنون اين گروه گزارش مي دهند كه توانسته اند در دانشگاه رچستر(7) آزمايش هاي موفقيت آميزي را ثبت كنند و موفق به يادگيري جزئيات جالبي درباره ماهيت ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي اطراف كپسول كوچك شده اند.
دكتر پتراسو در اين مورد مي گويد: "ما در حال گرفتن يك تصوير فوري از چيزي بوديم كه ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي بدان شبيه بودند، اين اطلاعاتي است كه مشكل بتوان از روش ديگري به دست آورد."
ساخت يك جرقه زن براي گداخت
NIFاز روشي بهره مي برد كه "راه اندازي غير مستقيم" ناميده مي شود. در اين روش، كپسول كوچكي از سوخت هيدروژني را به داخل يك گودال كه "تابشگر كامل(8)" نام دارد، مي اندازد. سپس پرتوهاي ليزر درون ديواره هاي اين گودال را بمباران مي كنند كه اين كار موجب گرم شدن ديواره ها و انتشار پرتوهاي ايكس مي شود، و اين امر نيز به نوبه خود باعث اشتعال كپسول مي شود. اشتعال يعني هدف نهايي و اساسي NIF، به اين معني است كه انرژي ناشي از گداخت اتم هاي فوق چگال هم جوار مي شود و اين روند همين طور در يك فرايند زنجيره اي ادامه مي يابد. دكتر پتراسو توضيح مي دهد: "اما براي رسيدن به نقطه شروع اشتعال به وسايل خطا يابي نياز است، تا جزئيات آن چه داخل كپسول مي گذرد را مشخص كنند، جايي كه دما به 200 ميليون درجه كلوين مي رسد و فشار هم مي تواند 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 تابش دهنده قرار بگيرد و بايد در حالتي تقريبا كامل از تعادل و تقارن منفجر شود. پتراسو در اين مورد مي گويد: "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 مي كند چرا روش هاي 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 باريكه اي از پروتون ها را براي راه انداختن كپسول دوم در داخل تابشگر كامل توليد كرد.
«نلسون هوفمان» دانشمند فيزيك پلاسما در آزمايشگاه لوس آلاموس مي گويد: "گروه MITدر چندين روش بسيار موثر، براي اندازه گيري جنبه هاي مهم آن چه داخل كپسول هاي گداخت روي مي دهد، پيشرفت كرده اند. اين جنبه ها به عنوان يك شاخص براي اين كه معلوم شود چقدر به هدف اشتعال نزديك هستيم بسيار حياتي اند. به عنوان يك نتيجه، گروه MIT هم اكنون نيز پديده هاي شگفت انگيزي را در روش گسترش ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي يافته اند. "او اضافه مي كند: "تلاش براي رسيدن به گداخت هسته اي، يكي از سخت ترين مشكلات علمي است كه تاكنون با آن درگير بوده‌ايم. بنابر اين بازنگري مسئله به روشي نوين (مانند تصوير نگاري پروتوني گروه MIT) براي كشف پديده هايي كه در هيچ روش ديگري نمايان نمي شود، مي تواند كارساز باشد."
به عنوان يك نمونه از نتايجي كه اخيرا منتشر شده، گروه MIT همراه با همكاراني از آزمايشگاه ملي "لاورنس ليورمور(10)" (آزمايشگاهي براي تحقيقات مربوط به انرژي ليزر) نتايجي را مشاهده كردند كه از يك آزمايش به اصطلاح خودشان "برخورد پنج چگاله با الگوي ستاره اي" به دست آمد. اين نتايج در ميدان هاي اطراف كپسول مشاهده شده اند. بايد تاكيد كنيم كه اين ميدان ها مي توانند 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 آزمايش ها بگذرد تا هدف اشتعال حاصل شود. او مي گويد: "اين چيزي است كه قبلا هرگز اتفاق نيفتاده است، بنابر اين ما بايد به شناختي وابسته باشيم كه هم زمان خودمان با آزمايش به دست مي آوريم، و اين ماييم كه بايد موقعيت هاي بسيار دقيقي كه مورد نياز است ايجاد كنيم." وي كه از سال 1978 (1357 ش) در PSFC مشغول كار بوده است، ادامه مي دهد: "بسياري از بخش هاي اين تلاش، پايه هاي نظري- عملي دقيقي دارند؛ اما بسياري ديگر نيز اين طور نيستند. به همين خاطر، ما بايد نقاط تاريك تئوري ها را خودمان پر كنيم تا بتوانيم سرانجام، شرايط را به درستي مهيا كنيم."
براي اين كار، علاوه بر كمك هاي مركز رچستر، محققان MIT شامل 6 دانشجوي دكتر، نقش مهمي را در انجام پروژه NIF ايفا كرده اند.
به بيان پتراسو: " اشتعال نه فقط گام مهمي به سوي اتفاقي است كه شايد روزي به استفاده عملي از نيروي گداخت بينجامد، بلكه همچنين مي تواند وسيله عملي خوبي باشد تا بفهميم خورشيد و ديگر ستارگان چطور كار مي كنند. شما- حتي در خلال همين آزمايش ها كه فقط چند ميليونيوم ثانيه دوام دارند- شرايطي را ايجاد مي كنيد كه تنها مي توان در مركز ستارگان يافت، به نظر من اخترفيزيكدانان نيز اين شرايط را بسيار جالب و مسحور كننده خواهند يافت."
************
همه آنهايي كه اندكي با فيزيك آشنايي دارند مي دانند، كه پايه هاي فيزيك نوين را دو نظريه نسبيت و كوانتومي تشكيل مي دهند. اما هر كدام از اين دو نظريه تا مرزهاي معيني كاربرد دارند و بعد از آن به نتايج غير قابل قبولي مي انجامند. نسبيت كه در ميدان هاي گرانشي متداول مثل گرانش كهكشان ها نتايج كاملا درستي مي دهد. وقتي با شرايط ابتداي آفرينش يعني انفجار بزرگ مواجه مي شود عباراتي نامتناسب ارائه مي دهد، تضادهايي مثل ظهور بي نهايت ها. نظريه كوانتومي هم كه در مورد فوتون ها و الكترون ها و ديگر اجرام ريز پيش بيني هاي درستي مي كند، وقتي وارد ابعاد هسته اي و نيروهاي مربوطه مي شود به تناقضاتي مي رسد. البته اين بدان معني نيست كه ما اطلاعاتي در مورد هسته اتم ها نداريم، بلكه منظور اين است كه يك نظريه جامع براي توضيح آن چه در هسته مي گذرد وجود ندارد؛ و گرنه بشر سال هاست كه با هسته آشنايي دارد و با فرايندهاي هسته اي، انرژي (و البته سلاح!) توليد كرده است. ولي اكنون انسان قصد دارد قدمي ديگر بردارد و آن مهار و كاربردي كردن انرژي گداخت هسته اي است. البته در اين راه مشكلات عملي و نظري بسياري وجود دارد. شايد سال ها تا برداشتن اين قدم باقي مانده باشد اما به نظر مي رسد در موسسه فناوري ماساچوست (MTY) (1) خبرهايي است........
نگريستن به داخل خورشيدي مصنوعي
بعد از حدود پنج دهه تحقيقات، انتظار مي رود طي يك يا دو سال آينده گام هاي مهمي در راستاي مهار نيروي جوش هسته اي برداشته شود. اين مرحله كه "اشتغال هم جوشي(2)" نام دارد، بايد توسط دستگاهي با همين نام كه در كاليفرنيا ساخته شده است، انجام شود. آخرين آزمايش ها مربوط به اين دستگاه كه اشتغال هم جوشي ملي (3) (NIF) نام گرفته است، سال ها گذشته مختصرا با شكست هايي مواجه شد. دانشمندان زيادي از جمله پژوهشگران مركز علوم پلاسما و هم جوشي (PSFC)(4) براي عملي ساختن اين بخش اساسي از عمليات ايفاي نقش كرده اند. اگر بخواهيم به طور مختصر شرح دهيم، محققان PSFCمعين كرده اند كه چگونه مي توان از يك واكنش هم جوشي به عنوان نوعي نور پس زمينه(5) استفاده كرد؛ كاري كه به آنها اين توانايي را مي دهد تا مشاهده كنند چه اتفاقي در واكنش هاي نخستين در حال روي دادن است. گداخت يا جوش هسته اي، به معني تركيب و ممزوج شدن دو اتم كوچك در يك اتم، به همراه آزاد كردن مقدار حيرت آوري انرژي است. اين دقيقا همان فرآيندي است كه در خورشيد هم روي مي دهد و شايد به گونه اي بتوان آن را راه حل نهايي مسئله انرژي جهان نيز دانست. زيرا اين فرآيند مي تواند مقادير عظيمي از انرژي را بدون آلودگي هاي گلخانه اي 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 پيشاوري محققان و مهندسان اين است كه واكنش واقعي بايد در كپسولي با مقطع دايره اي شكل و قطر 2 ميلي متر اتفاق بيفتد كه دما و فشار آن در حال انفجار حتي بسيار بيشتر از آني مي شود كه در مركز خورشيد موجود است! در چنين محيطي، تصوير نگاري يا انجام هر نوع اندازه گيري
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 مي شد، در روش استفاده از نور پس زمينه به پيشرفت هايي دست يافته اند. اين موضوع براي اولين بار در سال 2008 به اطلاع عمومي رسيد. اكنون اين گروه گزارش مي دهند كه توانسته اند در دانشگاه رچستر(7) آزمايش هاي موفقيت آميزي را ثبت كنند و موفق به يادگيري جزئيات جالبي درباره ماهيت ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي اطراف كپسول كوچك شده اند.
دكتر پتراسو در اين مورد مي گويد: "ما در حال گرفتن يك تصوير فوري از چيزي بوديم كه ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي بدان شبيه بودند، اين اطلاعاتي است كه مشكل بتوان از روش ديگري به دست آورد."
ساخت يك جرقه زن براي گداخت
NIFاز روشي بهره مي برد كه "راه اندازي غير مستقيم" ناميده مي شود. در اين روش، كپسول كوچكي از سوخت هيدروژني را به داخل يك گودال كه "تابشگر كامل(8)" نام دارد، مي اندازد. سپس پرتوهاي ليزر درون ديواره هاي اين گودال را بمباران مي كنند كه اين كار موجب گرم شدن ديواره ها و انتشار پرتوهاي ايكس مي شود، و اين امر نيز به نوبه خود باعث اشتعال كپسول مي شود. اشتعال يعني هدف نهايي و اساسي NIF، به اين معني است كه انرژي ناشي از گداخت اتم هاي فوق چگال هم جوار مي شود و اين روند همين طور در يك فرايند زنجيره اي ادامه مي يابد. دكتر پتراسو توضيح مي دهد: "اما براي رسيدن به نقطه شروع اشتعال به وسايل خطا يابي نياز است، تا جزئيات آن چه داخل كپسول مي گذرد را مشخص كنند، جايي كه دما به 200 ميليون درجه كلوين مي رسد و فشار هم مي تواند 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 تابش دهنده قرار بگيرد و بايد در حالتي تقريبا كامل از تعادل و تقارن منفجر شود. پتراسو در اين مورد مي گويد: "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 مي كند چرا روش هاي 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 باريكه اي از پروتون ها را براي راه انداختن كپسول دوم در داخل تابشگر كامل توليد كرد.
«نلسون هوفمان» دانشمند فيزيك پلاسما در آزمايشگاه لوس آلاموس مي گويد: "گروه MITدر چندين روش بسيار موثر، براي اندازه گيري جنبه هاي مهم آن چه داخل كپسول هاي گداخت روي مي دهد، پيشرفت كرده اند. اين جنبه ها به عنوان يك شاخص براي اين كه معلوم شود چقدر به هدف اشتعال نزديك هستيم بسيار حياتي اند. به عنوان يك نتيجه، گروه MIT هم اكنون نيز پديده هاي شگفت انگيزي را در روش گسترش ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي يافته اند. "او اضافه مي كند: "تلاش براي رسيدن به گداخت هسته اي، يكي از سخت ترين مشكلات علمي است كه تاكنون با آن درگير بوده‌ايم. بنابر اين بازنگري مسئله به روشي نوين (مانند تصوير نگاري پروتوني گروه MIT) براي كشف پديده هايي كه در هيچ روش ديگري نمايان نمي شود، مي تواند كارساز باشد."
به عنوان يك نمونه از نتايجي كه اخيرا منتشر شده، گروه MIT همراه با همكاراني از آزمايشگاه ملي "لاورنس ليورمور(10)" (آزمايشگاهي براي تحقيقات مربوط به انرژي ليزر) نتايجي را مشاهده كردند كه از يك آزمايش به اصطلاح خودشان "برخورد پنج چگاله با الگوي ستاره اي" به دست آمد. اين نتايج در ميدان هاي اطراف كپسول مشاهده شده اند. بايد تاكيد كنيم كه اين ميدان ها مي توانند 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 آزمايش ها بگذرد تا هدف اشتعال حاصل شود. او مي گويد: "اين چيزي است كه قبلا هرگز اتفاق نيفتاده است، بنابر اين ما بايد به شناختي وابسته باشيم كه هم زمان خودمان با آزمايش به دست مي آوريم، و اين ماييم كه بايد موقعيت هاي بسيار دقيقي كه مورد نياز است ايجاد كنيم." وي كه از سال 1978 (1357 ش) در PSFC مشغول كار بوده است، ادامه مي دهد: "بسياري از بخش هاي اين تلاش، پايه هاي نظري- عملي دقيقي دارند؛ اما بسياري ديگر نيز اين طور نيستند. به همين خاطر، ما بايد نقاط تاريك تئوري ها را خودمان پر كنيم تا بتوانيم سرانجام، شرايط را به درستي مهيا كنيم."
براي اين كار، علاوه بر كمك هاي مركز رچستر، محققان MIT شامل 6 دانشجوي دكتر، نقش مهمي را در انجام پروژه NIF ايفا كرده اند.
به بيان پتراسو: " اشتعال نه فقط گام مهمي به سوي اتفاقي است كه شايد روزي به استفاده عملي از نيروي گداخت بينجامد، بلكه همچنين مي تواند وسيله عملي خوبي باشد تا بفهميم خورشيد و ديگر ستارگان چطور كار مي كنند. شما- حتي در خلال همين آزمايش ها كه فقط چند ميليونيوم ثانيه دوام دارند- شرايطي را ايجاد مي كنيد كه تنها مي توان در مركز ستارگان يافت، به نظر من اخترفيزيكدانان نيز اين شرايط را بسيار جالب و مسحور كننده خواهند يافت."
************
پي‌نوشت‌ها:
1-Massachusetts Institute of Twchnology/ 2- Fusion ignition/ 3- national fusion ignition/ 4- Plasma science and fusion center/ 5- backlight/ 6- Richard petrasso/ 7- Rochester/ 8- hihlraum
9- براي مقايسه، دماي مركز خورشيد تنها 15 ميليون درجه كلوين است- م
10- Lawrwnce livermor
/ج
