زمان مطالعه: ۴ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا به مبحث گداخت یا همجوشی هسته ای بپردازیم. این مقاله در ادامه مقاله انرژی هسته ای (شکافت) بوده و قصد دارد تا به موضوع انرژی هسته ای از نوع گداخت (‌همجوشی هسته ای‌) بپردازید. این مقاله برای دانش آموزان پایه دوازدهم (فیزیک ۳) رشته ریاضی و فیزیک مناسب است.

همجوشی هسته ای (‌گداخت‌)

در واکنش هسته ای از نوع شکافت، دیدیم که یک هسته سنگین یا جذب یک نوترون، امکان شکافته شدن (تقسیم شدن) به دو هسته سبکتر را دارد. در این واکنش هسته ای مقدار قابل توجهی از انرژی آزاد می‌شود.

عکس این واکنش‌، یعنی تشکیل هسته ای سنگین‌تر از دو هسته سبکتر نیز امکان پذیر است. این واکنش به گداخت یا همجوشی هسته ای موسوم است که منشأ تولید انرژی در ستارگان، از جمله خورشید است.

پس در واکنش گداخت یا همجوشی هسته ای‌، دو هسته سبک با یکدیگر ترکیب می‌شوند (جوش می‌خورند) و هسته سنگین‌تری را به وجود می‌آورند. لازم به ذکر است که در این واکنش‌، جرم هسته تولید شده کمتر از جرم هسته‌های اولیه بوده و در نتیجه مقداری انرژی هسته ای آزاد می‌شود.

در زیر معروف‌ترین فرآیند گداخت یا همجوشی هسته ای آورده شده است.

\(\LARGE _{1}^{2}\textrm{H} + _{1}^{3}\textrm{H} \rightarrow _{2}^{4}\textrm{He} + {}^{1}\textrm{n}\)

در واکنش فوق، دو هسته سبک دوتریم (ایزوتوپ هیدرژون با یک نوترون) و تریتیم (ایزوتوپ هیدروژن با دو نوترون) با یکدیگر ترکیب می‌شوند و هسته سنگین تر هلیوم (دو پروتون و دو نوترون) را تشیکل می‌دهند. ضمن این واکنش هسته‌ای مقدار قابل توجهی انرژی نیز آزاد می‌شود. در این واکنش هسته می‌توان گفت که دو هسته سبکتر با یکدیگر جوش می‌خورند به همین جهت به آن همجوشی هسته‌ای می‌گویند.

گداخت یا همجوشی هسته ای

همان‌طور که بیان کردیم، در واکنش گداخت یا همجوشی هسته ای‌، جرم هسته تولید شده از جرم هسته‌های اولیه کمتر بوده که در معادله مثال فوق نیز مشهود است. این اختلاف جرم‌، بر اساس رابطه جرم و انرژی اینشتین‌، یعنی \(\large E = mc^{2}\) تبدیل به انرژی قابل توجهی می‌شود.

می‌توان گفت که ایجاد واکنش گداخت (‌همجوشی هسته ای‌) شاید مشکل‌تر از ایجاد واکنش شکافت هسته‌ ای باشد. چرا که در واکنش همجوشی هسته ای (گداخت)‌، ذره‌هایی باید با یکدیگر ترکیب شوند (با یکدیگر جوش بخورند) که بار الکتریکی مثبت (پروتون‌ در هسته‌ها) دارند. به همین جهت انرژی اولیه بسیار زیادی باید صرف شود تا بر نیروی دافعه الکتریکی بین دو هسته غلبه کنیم.

به عنوان مثال برای اینکه بتوانیم دو پروتون را به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک کنیم، نیاز است تا آن‌ها را با انرژیی در حدود ۰.۱MeV به سمت یکدیگر پرتاب کنیم. این کار با دستگاه‌هایی موسوم به شتاب دهنده انجام می‌شود. اما انرژی لازم جهت راه‌اندازی چنین دستگاهیی بسیار بیشتر از انرژی هسته ای حاصل از فرآیند گداخت است که در نتیجه برای اهداف ما (استفاده از انرژی گداخت یا همجوشی هسته ای‌) صرفه‌ای ندارد.

یک روش موثر جهت تامین این انرژی اولیه‌، گرما دادن به هسته‌ها تا دمایی در نزدیک به \(\large {10^7}\ ^{\circ} C\) است. در چنین دما‌ها بسیار زیادی، انرژی جنبشی هسته‌ها بر نیروی دافعه الکتریکی بین هسته‌ها غلبه می‌کند. خورشید و سایر ستارگان دارای چنین دما‌هایی هستند که در آن‌ها واکنش‌های گداخت یا همجوشی هسته ای به وفور اتفاق می‌افتد. به طور مثال دمای درونی خورشید چیزی حدود \(\large 2 \times {10^7}\ ^{\circ} C\) است.

اما در زمین چطور به چنین دماهایی می‌توان دست پیدا کرد؟! پاسخ در راکتورهای گداخت یا همجوشی هسته ای است. اساس کار این راکتورها بر مبنای فیزیک پلاسما (گاز‌هایی یونیده شده) است. در مدل‌هایی آزمایشگاهی چنین راکتورهایی گاز هیدروژن وارد محفظه‌ای خلأ شده و با تخلیه الکتریکی (ولتاژهای بسیار بالا) به پلاسما تبدیل می‌شوند. پلاسما (گاز یونیده شده) جنب و جوش زیادی دارند که با گرم کردن آن‌ها این جنب و جوش بیشتر می‌شود. در نتیجه شانس برخورد دو هسته سیک (هیدروژن) جهت هسته‌‌های سنگین‌تر بیشتر می‌شود.

توکامک - راکتور همجوشی هسته ای یا گداخت
توکامک آزمایشگاهی IR-T1 در دانشگاه علوم و تحقیقات تهران (مرکز تحقیقات فیزیک پلاسما)

مهم‌ترین نمونه تجاری راکتور همجوشی هسته ای (‌گداخت‌) در جهان‌، پروژه ایتر (ITER) است که پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۳۵ میلادی با توان خروجی ۵۰۰ مگاوات (تولید برق) به بهره‌برداری برسد. به راکتورهای گداخت هسته ای‌، توکامک نیز می‌گویند.

ITER
شماتیکی از توکامک بسیار بزرگ پروژه جهانی ITER

لازم به ذکر است که فرآیند گداخت در بمب‌‌های گداخت هسته‌ ای نیز کاربرد دارد که انرژی اولیه در چنین بمب‌هایی ابتدا توسط فرایند شکافت هسته ای می‌شود. قدرت تخریب بمب‌های هسته‌ای از نوع گداخت یا همجوشی هسته ای (بمب هیدروژنی) بسیار بیشتر از بمب‌های هسته ای‌ (بمب اتم) از نوع شکافت است. به طور مثال بمب هیدروژنی که کشور روسیه آن را تست کرد که در واقع نمونه‌ای کوچک و ازمایشگاهی بود، قدرت تخریبی در حدود ۲۵۰۰ برابر بمب اتمی بود که در هیروشیما ژاپن منفجر شد. این بمب هیدرژونی به بمب تزار معروف است.

بمب هسته ای
انفجار بمب هیدروژنی

امیدواریم تا این مقاله مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر سایر مقالات زیر نیز داشته باشید.