ماشین‌های MHD
این ماشین‌هایی که یا ما را نجات خواهند داد یا نابودمان خواهند کرد
۱۱ ژوئن ۲۰۰۶
می‌خواهم داستانی را برایتان تعریف کنم که همین حالا جلوی چشمان ما در حال نگارش است. چیزی تازه زاده شده، در دل ماشین Z آزمایشگاه سانیا (Sandia)، آزمایشگاهی در ایالت نیومکزیکو، به دنیا آمده و نخستین گریه‌اش را سر داده است. این نوزاد نخستین جیغ خود را در مه ۲۰۰۵ سر داد. او ناگهان از دل پوچی بیرون آمد.
نیم قرن است که انسان‌ها در تعقیب سراب همجوشی هسته‌ای هستند. در حالی که دیو شکافت هسته‌ای نسبتاً به آسانی رام شده بود؛ در اوایل دهه ۱۹۴۰، با زاده شدن نخستین بمب اتمی که در آلاموگوردو در ایالات متحده منفجر شد
انفجار نخستین بمب اتمی در آلاموگوردو
فرزند دوم انسان‌ها، فرزند پرومتئوس، تنها به عنوان فرزند نخستین ظاهر شد. به محض آنکه انسان‌ها فهمیدند می‌توانند انرژی شگفت‌انگیز نهفته در دل ماده را آزاد کنند، به فکر اجرای واکنش‌هایی افتادند که نه شکافت، بلکه همجوشی باشند.
در ابتدا «اتم‌شناسان» یا «فیزیکدانان هسته‌ای»، همان‌طور که بعداً نامیده شدند، شیمی‌دانان ساده‌ای بودند (همان‌طور که کاشف اتم، ارنست رادرفورد نیوزیلندی، نشان داد). برای یک شیمی‌دان، شکافت چیزی جز یک واکنش تجزیه با آزادسازی شدید انرژی نیست که در آن فرآیند خودکاتالیز دخیل است. اورانیوم ۲۳۵ تنها می‌خواهد به قطعاتی با جرم قابل مقایسه تجزیه شود و در این میان چند نوترون آزاد کند. همین نوترون‌ها هستند که با برخورد به هسته‌های مجاور، آتش «واکنش زنجیره‌ای» را برمی‌افروزند، به شرط آنکه مقدار اتم‌های گرد هم آمده به اندازه‌ای کافی باشد تا این نوترون‌ها بتوانند با هسته دیگری از اورانیوم ۲۳۵ برخورد کنند. بهتر است به جای «جرم بحرانی» از «حجم بحرانی» صحبت کنیم. برای مشاهده لینک زیر کلیک کنید:
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
پس از بهره‌برداری از ناپایداری اورانیوم ۲۳۵ که به صورت ناچیز (۰.۷ درصد) در کانسار طبیعی اورانیوم ۲۳۸، ایزوتوپ دیگر این عنصر، وجود دارد، انسان‌ها ناپایداری پلوتونیوم ۲۳۹ را نیز به کار گرفتند؛ عنصری که این بار در طبیعت وجود نداشت، اما می‌توانست با دوپینگ اورانیوم ۲۳۸ و وادار کردن آن به جذب یک «نوترون سریع» که هنگام شکافت اورانیوم ۲۳۵ ساطع می‌شود، ساخته شود. پلوتونیوم نیز «شکافت‌پذیر» است، دارای «جرم بحرانی» است و برای ساخت بمب مناسب است. همین بمب دوم بود که در ناگاساکی ژاپن «آزمایش» شد.
همچنان با چشم شیمی‌دان، همجوشی بسیار شبیه‌تر به واکنش‌های شیمیایی معمولی بود که ما می‌شناختیم. در سمت چپ «محصولات واکنش». در سمت راست، نتیجه واکنش مورد نظر. به صورت شماتیک:
A ترکیب شده با B منجر به C به علاوه انرژی می‌شود
واکنش همجوشی که در پایین‌ترین دما رخ می‌دهد، آن است که دو ایزوتوپ هیدروژن یعنی دوتریوم و تریتیوم (که «هیدروژن سنگین» نامیده می‌شوند) را درگیر می‌کند؛ دومی عیب ناپایداری یا «رادیواکتیو» بودن را دارد (عمر نیمه: ۱۲ سال). این دما صد میلیون درجه است. آمریکایی‌ها تلاش کردند با استفاده از پرتوهای ایکس تولید شده توسط انفجار یک بمب شکافتی، این واکنش را آغاز کنند؛ به سادگی با قرار دادن مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم «در کنار» یک بمب «A» شکافتی. این آزمایش نام «Greenhouse» یا «گلخانه» را گرفت. هیدروژن این عیب را داشت که باید به شکل متراکم و مایع، یعنی در دمای بسیار پایین، وجود می‌داشت. این نخستین «بمب H» که دارای یک تأسیسات جانبی بزرگ کرایوژنیک (سرمازا) بود، بنابراین عملیاتی نبود.
واکنش دومی وجود داشت که امکان استفاده از یک ماده منفجره جامد را فراهم می‌کرد: هیدرید لیتیم LiH. اما دمای مورد نیاز پنج برابر بالاتر بود: ۵۰۰ میلیون درجه به جای صد میلیون. در روسیه، آندری ساخاروف جوان ایده قرار دادن بمب شکافتی (کوچک) در کانون یک بیضوی به شکل تخم‌مرغ کشیده را داد؛ پوسته‌ای توخالی که نقش بازتابنده پرتوهای ایکس را ایفا می‌کرد. تمام اپتیک‌دانان جهان از دیرباز این موضوع را می‌دانستند. با قرار دادن یک منبع تابش در کانون اول این سطح بازتابنده بیضوی، تابش در کانون دوم متمرکز می‌شود. بنابراین کافی بود انتهای یک بار هیدرید لیتیم به شکل «قندِ کلان» در آنجا قرار گیرد.
&&&
آرایش ساخاروف-تلر-اولام
در ایالات متحده، دو پژوهشگر جوان یهودی، اولی به نام استانیسلاو اولام با اصالت اوکراینی:
استانیسلاو اولام
و دومی به نام ادوارد تلر با ملیت مجاری، همزمان به این ایده رسیدند که انگلیسی‌زبانان آن را «از نظر فنی عالی» (technically sweet) نامیدند.
ادوارد تلر در سال ۱۹۵۸، که الگوی شخصیت «دکتر استرنج‌لاو» شد و به صورت خودمانی بمب هیدروژنی را «نوزاد من» (my baby) صدا می‌زد
(صرفاً برای یادآوری، حس طنز بسیار مشکوک برخی دانشمندان را ذکر می‌کنیم که کتاب‌هایی درباره تولد چنین ابزارهایی نوشته‌اند؛ یکی از آن‌ها، آنتوان شوئرر، عنوان کتاب خود را که در سال ۱۹۹۰ منتشر شد (۱۲۰ صفحه)، «در کنار بمب من» (Auprès de ma bombe) گذاشت)
آنتوان شوئرر: «در کنار بمب من» ....
آمریکایی‌ها تصمیم گرفتند ابتدا بمب «هیدروژنی» را که در دمای ۱۰۰ میلیون درجه کار می‌کرد و از مخلوط دوتریوم-تریتیوم استفاده می‌کرد، آزمایش کنند. اما برخلاف انتظار همگانی، شوروی‌ها به لطف محاسبات انجام شده توسط آندری ساخاروف، از این مرحله گذشتند و نخستین «بمب خشک» را به کار گرفتند که بار آن به شکل جامد بود: هیدرید لیتیم. بمبی که بنابراین بلافاصله عملیاتی بود. این پیشرفت ناگهانی نیروهای «بلوک شرق»، آغازگر مسابقه تسلیحاتی بی‌پیشینه‌ای شد.
در این مرحله، خواننده باید این «مخلوط معجزه‌آسا» لیتیم-۶ + هیدروژن-۱ را در ذهن داشته باشد که دو هسته هلیوم-۴ تولید می‌کند و .. هیچ نوترونی ندارد. این «بمب H» بنابراین «آلوده‌کننده نیست». متأسفانه، اگر روزی ساکنان زمین تحت تأثیر آن قرار گیرند، احتمالاً فرصت چندانی برای بهره‌مندی از این ویژگی نخواهند داشت. اگر «بمب‌های H» تا این حد «آلوده‌کننده» هستند، عمدتاً به دلیل بار شکافتی است که به عنوان جرقه‌زن عمل می‌کند و «فعال‌سازی» بازتابنده ساخته شده از «اورانیوم ضعیف‌شده» (اورانیوم ۲۳۸). این اورانیوم با جذب یک نوترون ساطع شده از واکنش همجوشی، به پلوتونیوم ۲۳۹ تبدیل می‌شود که خود نیز دچار شکافت می‌گردد. در نتیجه، وحشتناک‌ترین ابزاری که هرگز از تخیل انسان‌ها بیرون آمده است، یعنی بمب «FFF» (شکافت-همجوشی-شکافت) که بیشترین میزان بارش‌های رادیواکتیو را دارد، به دست می‌آید.
در حالی که نظامیان مشغول توسعه بمب‌های خود بودند، غیرنظامیان از سوی دیگر تلاش کردند مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم را در محفظه‌هایی با شکل دوناتی (توروئیدی) که «توکامک» نامیده می‌شوند و توسط روسی آرتسیموویچ اختراع شده‌اند (این روس‌ها واقعاً خلاقیت عجیبی دارند...) روشن کنند.
بیشتر خوانندگان اکنون طرح چنین ماشین‌هایی را می‌شناسند که در آن مخلوط گازی، که به دمای بسیار بالا رسیده است، «به صورت مغناطیسی محبوس» می‌شود، یعنی در مرکز یک سیم‌پیچ که شکل یک دونات (یا دقیق‌تر امروزه شکل حرف «D» چرخان حول یک محور) را دارد. این ایده در قلب این کلیسای مهندسان که نام آن ITER است، قرار دارد.
ماشین ITER
در تصویر بالا، این محفظه بسته و مدور را در برش عرضی مشاهده می‌کنید که با تمام تجهیزات محیطی خود احاطه شده است. این ماشین در سایت فرانسوی کاداراچه جایگزین ماشین مشابهی به نام «توره-سوپرا» (Tore-Supra) خواهد شد که یک چهارم قرن پیش ساخت آن آغاز شده بود:
توره سوپرا
داخل توره-سوپرا
این نخستین ماشین فرانسوی که ساخت آن یک چهارم قرن پیش آغاز شد، به وعده‌های خود عمل نکرد. با این حال، در طرح بالا می‌توان ابزارهای زیادی را تشخیص داد که تلاش می‌کنند پلاسما را به دمای بالا برسانند و روش‌های مختلف تزریق انرژی به این اتاق توروئیدی (میکروویو، «پرتوهای خنثی» و غیره) را تشکیل می‌دهند. نخستین نتیجه ملموس سرانجام روی یک ماشین انگلیسی نصب شده در کولهام به نام «JET» (توروی مشترک اروپایی) به دست آمد.
ماشین انگلیسی JET با ارتفاع ۱۲ متر
حجم پلاسمای محبوس‌شده در آن زمان بین ۸۰ تا ۱۰۰ متر مکعب بود. در سال ۱۹۹۷، توکامک کولهام برای ... یک ثانیه کار کرد.
داخل JET
همین نتیجه که «بسیار امیدوارکننده» تلقی شد، پژوهشگران و مهندسان را بر آن داشت تا پیشنهاد «عبور به مرحله بالاتر» را با ارائه پروژه ITER با ابعاد حتی عظیم‌تر مطرح کنند.
چرا این مسابقه به سمت غول‌پیکری؟
چنین پلاسمایی به صورت تابشی سرد می‌شود. سطح بیرونی تابنده است و اتلاف گرما در آنجا رخ می‌دهد. بنابراین، این اتلاف گرما متناسب با سطح پلاسما، یعنی مجذور بُعد مشخصه ماشین (مثلاً قطر آن) افزایش می‌یابد، در حالی که مقدار انرژی محتوای همان پلاسما متناسب با حجم آن، یعنی مکعب قطر تغییر می‌کند. اگر چنین ماشینی تمایل به سرد شدن تابشی دارد، افزایش ابعاد آن این اثر را به حداقل می‌رساند.
در نهایت... همه چیز نسبی است. JET تنها برای یک ثانیه بسیار کوتاه کار کرد و سپس مانند یک دیگ کهنه خفه شد، صرفاً به دلیل همین سرد شدن تابشی. اما چرا این پدیده این‌قدر سریع بر انرژی آزاد شده توسط خود همجوشی غلبه می‌کند؟ زیرا محبوس‌سازی دیواره‌ای که به میدان مغناطیسی سپرده شده، تنها ناقص است. ذرات سریع موفق می‌شوند «از سوراخ‌های این تور عبور کنند» و به دیواره‌های جامد ماشین برخورد کنند. با این کار، هسته‌هایی متعلق به این پوسته جامد، از جمله هسته‌های فلزی را کنده و بلافاصله با حل شدن در پلاسمای همجوشی یونیزه می‌شوند. در آنجا، این هسته‌ها از طریق برامسترالونگ (Bremsstrahlung) یا «تابش ترمزی» با الکترون‌های آزاد برهم‌کنش می‌کنند. آن‌ها مسیر الکترون‌های سبک را منحرف کرده و باعث ساطع شدن تابش می‌شوند. «گاز الکترونی» سرد می‌شود. با این کار، مخلوط همجوشی دوتریوم-تریتیوم نیز سرد می‌شود. به محض افت دما به زیر صد میلیون درجه سرنوشت‌ساز، ماشین خفه شده و خاموش می‌شود، به سادگی. این پدیده آن‌قدر آزاردهنده است که این سرد شدن تابشی متناسب با مجذور بار الکتریکی حمل شده توسط یون‌های سنگین کنده شده از دیواره تغییر می‌کند.
JET به این روش خاموش شد، پس از یک ثانیه کارکرد. ITER نیز همین کار را خواهد کرد. این ماشین برای کارکرد پنج دقیقه‌ای طراحی شده، اما همه شواهد حاکی از آن است که این مدت از حدود ده ثانیه بیشتر نخواهد بود. در حال حاضر هیچ سیستم عملیاتی وجود ندارد که بتواند از این پدیده آلودگی پلاسمای همجوشی و سرد شدن تابشی «دیگ» جلوگیری کند. راه‌حل‌های مطرح شده در رسانه‌ها تنها به صورت شرطی بیان می‌شوند. این طرح‌های فنی به هر حال در دسترس خواننده معمولی نیست. گفتمان را می‌توان این‌گونه خلاصه کرد:
- انسان‌ها به انرژی نیاز دارند. انرژی هسته‌ای این نیاز را تأمین می‌کند، البته با تولید زباله‌های رادیواکتیو که بسیار آزاردهنده هستند، این را می‌پذیریم. همجوشی راه آینده است. اما راه طولانی خواهد بود. ITER تنها پس از بیست سال به قدرت کامل خواهد رسید و آن موقع ....
و آن موقع چه؟ رایگان خواهد بود؟ تا آن زمان راه درمان نقص‌های مادرزادی این هیولا را پیدا کرده‌ایم؟ آیا دمای آن حاضر است در بازه زمانی مورد نظر حفظ شود یا به ما خواهند گفت که «برای کار کردن باید ماشینی بزرگ‌تر پیش‌بینی می‌شد»، با یک درخواست جدید برای جیب مالیات‌دهنده. و تکلیف سازه‌های جانبی فعال شده توسط بمباران شدید نوترون‌هایی با انرژی ۱۴ مگا الکترون‌ولت چیست؟ چگونه می‌توان پیش‌بینی کرد که مقاومت مکانیکی آهن‌ربای ابررسانای عظیم، که گیلز دو ژن، برنده جایزه نوبل، شکنندگی آن را نسبت به این بمباران غیرقابل تحمل ذکر کرده بود، چگونه خواهد بود؟ اگر این مقاومت مکانیکی ناگهان تغییر کند و شیء را به یک ماده منفجره فوق‌العاده تبدیل کند که قادر است مقدار قابل توجهی تریتیوم رادیواکتیو را در طبیعت پخش کند، چه اتفاقی خواهد افتاد؟
شما این سؤالات را هیچ‌جا مطرح شده نخواهید دید، صرفاً به این دلیل که ITER برای کارکرد ... طولانی‌مدت طراحی نشده است، به اندازه‌ای طولانی که سیستم مغناطیس‌دهی ابررسانای آن تخریب نشود. وقتی نوبت به «سوپر-ITER» در ۲۵ سال آینده برسد، هنوز وقت برای نگرانی در مورد این ... مشکل جدید باقی خواهد بود.
همان‌طور که دکتر پانگلوس می‌گفت، دلیل کافی برای چنین پروژه‌های فرعون‌مآبانه‌ای چیست؟ ما به آن‌ها چسبیده‌ایم زیرا نیازهای انرژی سیاره به نظر سیری‌ناپذیر می‌رسد. رشد آن سرگیجه‌آور و نمایی است. نفت در حال اتمام است. برخی کشورها مانند ایالات متحده ذخایر بسیار بزرگ ... زغال‌سنگ دارند، اما این زغال‌سنگ نشان آبی آلودگی را دارد. پس از کریب، سیلا.
«راه‌حل‌های جایگزین» مانند انرژی بادی، خورشیدی، جزر و مدی و زمین‌گرمایی کافی به نظر نمی‌رسند. «بازگشت سرمایه» در مقایسه با نیازهای انسان‌ها کافی به نظر نمی‌رسد. بنابراین انرژی هسته‌ای «کمترین بد» به نظر می‌رسد. این موضع کلود آلگر، وزیر سابق ما، پانگلوس مدرن فناوری است که ادعا می‌کند «در بهترین هسته‌ای ممکن، همه چیز برای بهترین است».
«کاهش مصرف» راه‌حلی برای کشورهای ثروتمند است. با حرکت با روغن کلزا، روشن کردن با لامپ‌های ۲۵ واتی، دوچرخه‌سواری، گرم کردن آب حمام با پنل‌های خورشیدی و مجهز کردن توالت‌هایمان به مخازن دو سرعته، نمی‌توانیم به سطح نیازهای جهانی برسیم. این کار از نیت نیک سرچشمه می‌گیرد، اما از هر طرف که مسئله را در نظر بگیرید، ناکافی است، رویایی برای بچه‌های پولدار است.
وضعیت به قدر بحرانی شده است که بسیاری از کشورها در حال برنامه‌ریزی برای گذار به انرژی هسته‌ای هستند (وضعیتی که باعث افتخار بسیاری از مسئولان فرانسوی است). مسابقه به سمت همجوشی از طریق ماشین‌هایی به همان اندازه مشکل‌ساز مانند ITER، عمق بحران را آشکار می‌کند. این بحران آن‌قدر عمیق است که مسیرهایی را در نظر می‌گیرند که نمی‌دانند کی سودآور خواهند شد و آیا اصلاً روزی سودآور خواهند شد یا خیر. اما تا بهار ۲۰۰۵ پاسخ همیشگی این بود:
*- آیا چیز دیگری برای پیشنهاد دارید؟ *
انرژی هسته‌ای، به شیوه‌ای دیگر. همجوشی بدون آلودگی، عاری از رادیواکتیویته.
همه هسته‌ای بودن چشم‌اندازی وحشتناک است. این مستلزم دفن هزاران تن مواد رادیواکتیو خطرناک با عمر نیمه ... بی‌نهایت در مقیاس وجود کوتاه انسانی ماست. از زمان حوادث تری‌مایل آیلند و چرنوبیل می‌دانیم که راکتورهای هسته‌ای خطرناک هستند، می‌توانند سرزمین‌های وسیعی را آلوده کنند که در آن کودکان بدشکل متولد می‌شوند و توده‌هایی از مردان و زنان دچار سرطان می‌شوند. کجا می‌توان این منبع انرژی جادویی را یافت که طبیعت به وفور در اختیارمان می‌گذارد و محیط زیست ما را آلوده نمی‌کند و جان ما را به خطر نمی‌اندازد؟
نکته کاملاً شگفت‌انگیز این است که این راه‌حل‌ها از نیم قرن پیش وجود دارند. نخستین آن‌ها دقیقاً همان چیزی است که نقطه شروع آنچه «بمب هیدروژنی» نامیده شد را تشکیل می‌دهد: مسیر لیتیم-هیدروژن. واکنش همجوشی را یادآوری کنیم:
لیتیوم-۷ + هیدروژن-۱ ----> دو هسته هلیوم-۴ و .. بدون نوترون
تنها عیب: نیاز به دمایی ۵۰۰ میلیون درجه‌ای است، پنج برابر بالاتر از آنچه موفق شده‌ایم برای یک ثانیه در توکامک کولهام ایجاد کنیم. راه‌حل دیگری نیز وجود دارد:
بور-۱۱ + هیدروژن-۱ ----> سه هسته هلیوم-۴ و .. بدون نوترون
این بار باید مخلوط را به دمای سرسام‌آور یک میلیارد درجه کلوین، یک میلیارد درجه! رساند. دو برابر دمای حاکم در مرکز یک بمب H که تازه منفجر شده، پنجاه برابر دمای حاکم ... در مرکز خورشید.
بله، بسیاری از خوانندگان نمی‌دانند که ستارگان رکورد دما را ندارند. چرا؟ صرفاً به این دلیل که اگر دمای خورشید به صد میلیون درجه یا بیشتر می‌رسید، دیگر یک دیگ آرام، یک قابلمه در حال قل‌قل کردن نبود، بلکه یک ... بمب بود. دماهای بسیار بالا را در کیهان در «ابرنواخترها» (Supernovae) می‌یابیم که ستاره‌هایی هستند که منفجر می‌شوند. پس از عملکردی نسبتاً آرام با دماهای نزدیک به آنچه در بالا ذکر شد، ناگهان به شدت (در عرض چند روز!) دچار کمبود سوخت می‌شوند. سپس مانند سافله‌هایی با تقارن کروی، بر خود فرو می‌ریزند. دقیق‌تر بگویم، بر «خاکستر» خود، یعنی هسته‌ای از آهن که اتم‌هایش از طریق واکنش‌های همجوشی تشکیل شده‌اند، صرفاً به دلیل جاذبه به ته ستاره رسیده‌اند.
ستاره با سرعتی که به صدها هزار کیلومتر بر ثانیه می‌رسد بر خود فرو می‌ریزد. این انرژی جنبشی به شدت به دما تبدیل می‌شود و همین انرژی عظیم است که عناصر سنگین جدول مندلیف، اتم‌هایی که ما از آن‌ها ساخته شده‌ایم، شما، من، سرب نوک مداد من، اورانیوم راکتوری که در حال حاضر برق رایانه من را تأمین می‌کند، را تولید می‌کند.
کیهان منابع بسیار پرانرژی دیگری نیز دارد: کوازارها. در این حالت، توده‌ای از هیدروژن که ناپایدار شده است، در مرکز کهکشانی جمع می‌شود. انرژی جنبشی که این اتم‌ها کسب کرده‌اند به گرما تبدیل می‌شود و این توده به یک بمب هیدروژنی فوق‌العاده بزرگ‌تر از منظومه شمسی تبدیل می‌شود که برای لحظه‌ای کوتاه به اندازه کل کهکشانش انرژی ساطع می‌کند. با جمع شدن خطوط میدان مغناطیسی کهکشانی، این سیستم به یک شتاب‌دهنده ذرات عظیم تبدیل می‌شود که هسته‌ها را با سرعت‌های نسبیتی در دو جت متقابل که با این «دوقطبی مغناطیسی تشکیل شده» همراه هستند، ساطع می‌کند.
اگر پدیده‌های پاروکسیسمال (شدید و ناگهانی) را کنار بگذاریم، دمای به دست آمده در مرکز بمب‌های هیدروژنی ما (۵۰۰ میلیون درجه) بالاترین دمای حاکم در کل ... منظومه شمسی و حتی در فاصله‌ای چندین سال نوری به اطراف است. ما می‌توانیم از این بابت افتخار مشروعی داشته باشیم.
در مه ۲۰۰۵ این رکورد ناگهان و به طور کاملاً غیرمنتظره و شگفت‌انگزی شکسته شد. باید این مسیر را که به کشفی منجر می‌شود که من آن را به اندازه ... کشف آتش مهم می‌دانم، با توجه به پیامدهایی که اجتناب‌ناپذیر خواهد داشت، بازگو کنیم.
خلاصه کنیم. توکامک چیست، ماشین کولهام چیست، ITER چیست؟
اینها دیگ‌هایی هستند که در حالت پیوسته کار می‌کنند، با تمام معایبی که این موضوع می‌تواند داشته باشد.
ITER، ماشین بخار هزاره سوم است.
ماشین بخار چگونه کار می‌کند؟
مثال یک لوکوموتیو را در نظر بگیرید. در ابتدا یک منبع گرما وجود دارد، در اینجا زغال‌سنگ. این زغال‌سنگ با ترکیب با اکسیژن هوا می‌سوزد. سپس یک مبدل در دسترس داریم که از شبکه‌ای بزرگ از لوله‌ها تشکیل شده که بخار در آن به صورت مدار بسته جریان دارد. گازهای احتراق این بخار را گرم می‌کنند و «منبع گرم» این سیستم را تشکیل می‌دهند. هر جا دما باشد، فشار هم هست. این بخار به سمت سیلندرها فرستاده می‌شود که در آنجا «کار» می‌کند، انرژی تولید می‌کند، در اینجا انرژی مکانیکی. اگر این ماشین بخار به یک ژنراتور متصل باشد، برق تولید خواهد کرد.
در نیروگاه‌های حرارتی مدرن‌تر، نفت یا زغال‌سنگ می‌سوزانند (هر دو هیدروکربن هستند، حاصل پس‌اندازهایی که جهان گیاهی طی صدها هزار سال برای ما انباشته است). از سیستم پیستون‌ها دست کشیده و به توربین گازی با بازده بهتر روی آورده‌اند. توجه کنید که دقیقاً همان مسیر را در هوانوردی طی کرده‌ایم، جایی که «موتورهای جت» مدرن ما بر اساس مدل توربین طراحی شده‌اند. از سیستم قدیمی موتورهای پیستونی که ملخ‌ها را به حرکت درمی‌آوردند، دست کشیده‌ایم. اما این توربین‌های ایرباس‌های ما چه چیزی را به حرکت درمی‌آورند؟ ملخ‌های پوشیده با بازده بهتر که «فن» نامیده می‌شوند. دفعه بعد که سوار هواپیما شدید، نگاهی به این پیشرانه‌های پیشرفته‌تر بیندازید.
ITER چیزی جز یک نیروگاه حرارتی از نوعی دیگر نخواهد بود. منبع انرژی: همجوشی، با معایب، زباله‌ها، فعال‌سازی سازه‌ها، خطرات، مشکلات از هر نوع، هزینه‌های بهره‌برداری. باز هم یک مبدل که ... بخار تولید می‌کند و توربین گازی را به حرکت درمی‌آورد که خود به یک ژنراتور متصل است. اگر منبع انرژی را کنار بگذاریم، این تکنوساینس مربوط به اواخر انقلاب صنعتی است.
چرا خودروهای ما مستقیماً از لوکوموتیوهای بخار طراحی نشده‌اند؟ توجه کنید که نخستین وسیله نقلیه خودمتحرک موجود، فاردیه کوگنو، یک ماشین بخار خودمتحرک بود.
فاردیه کوگنو (۲ کیلومتر بر ساعت در سال ۱۷۷۱)
فاردیه وسیله نقلیه‌ای با چرخ‌های کوتاه است که برای حمل بارهای بسیار سنگین طراحی شده است. هدف از همان ابتدا نظامی بود (باز هم!)، ایده کوگنو حمل توپ‌ها بود. اگر سرنوشت این کشف را بخوانید، بدون هیچ نیت بدی، آینده ITER را از طریق ساده‌ترین انتقال مفاهیم خواهید شناخت.
نخستین هوانوردی جهان به طور اصولی بر اساس دستگاهی است که توسط فرانسوی کلمنت آدر اختراع شده، «اُئول» (Eole)، که اکنون در موزه هنرها و پیشه‌های پاریس قابل مشاهده است.
اُئول کلمنت آدر (۱۸۹۰)
آدر از بال‌های خفاش الهام گرفته است. در وسط بدنه، جایی که خلبان نشسته بود و دستگاه بخار را که دو ملخ را به حرکت درمی‌آورد، هدایت می‌کرد، مشخص است؛ ملخ‌هایی که مخترع آن‌ها را از همان ابتدا «آویون» (avion) نامید (این کلمه از همین‌جا می‌آید). یکی از دستگاه‌های ساخته شده توسط آدر ظاهراً به ارتفاع ۲۰ سانتی‌متری در مسافتی حدود پنجاه متر بلند شد. این تحقیقات توسط نظامیان تأمین مالی شد (باز هم!). واقعیت اینکه این نتایج که «محرمانه دفاعی» طبقه‌بندی شده بودند و تنها در سال ۱۹۹۰، یک قرن بعد (هنگامی که آرشیوهای ساتوری وارد حوزه عمومی شدند) علنی شدند، باعث شد فرانسوی‌ها نتوانند اولویت خود را در قبال کار برادران رایت در مورد نخستین پرواز یک جسم سنگین‌تر از هوا ادعا کنند.
بدیهی است که خودروهای ما با بخار کار نمی‌کنند. باید دلیل کافی برای چنین تحولی وجود داشته باشد. چه اتفاقی افتاد؟
موتور انفجاری صرفاً موتور «سیستم تولید حرارتی آن به صورت پیوسته کار می‌کرد» را از تخت پایین کشید. واژه «انفجار» نیز نادرست است، مگر اینکه احتراق بسیار سریع را انفجار بنامیم. در «موتورهای انفجاری» برعکس، تلاش می‌شود از ایجاد «موج‌های دتوناسیون» جلوگیری شود، با مخلوط کردن مواد «ضددتوناسیون» با بنزین.
در این موتورهای با احتراق بسیار سریع، سوخت مخلوط با هوا، انرژی خود را تا حد ممکن سریع و در دمای نسبتاً بالایی آزاد می‌کند که تنها در انتهای تراکم به دست می‌آید. یک پوشش و خنک‌کاری با آب به کل مجموعه اجازه می‌دهد دمای به اندازه کافی پایین را حفظ کند تا مقاومت مکانیکی خوبی داشته باشد. در موتورهای بنزینی، احتراق توسط جرقه شمع آغاز می‌شود. در موتورهای دیزل، دمای به دست آمده در انتهای تراکم به اندازه کافی بالاست که مخلوط سوخت-هوا خودبه‌خود واکنش دهد، خودبه‌خود شعله‌ور شود.
مخلوط می‌سوزد. دما و فشار آن افزایش می‌یابد. این کار پیستونی را به عقب می‌راند، فلایویل را به حرکت درمی‌آورد، انرژی آزاد می‌کند، چه برای حرکت یک وسیله نقلیه باشد و چه تولید برق (ژنراتور). بخشی از انرژی در یک فلایویل اینرسی ذخیره می‌شود و برای تضمین تراکم بعدی به کار خواهد رفت. طرح به صورت زیر است:
*- ورود مخلوط سوخت (گازوئیل) و اکسیدکننده (هوا)، یعنی «مخلوط واکنش‌دهنده» - تراکم - انبساط و تولید انرژی - به صورت جانبی یک زمان اضافی برای تخلیه محصولات احتراق، همیشه با انرژی ذخیره شده در فلایویل اینرسی. *
دانشمندانی که به همجوشی «ضربه‌ای» (در مقابل همجوشی پیوسته هدف گرفته شده در ماشین‌هایی مانند ITER) علاقه‌مندند، بر روی چه چیزی کار می‌کنند؟
بر روی «دو زمانه (یا چهار زمانه) همجوشی».
اصل:
۱ - ورود مخلوط واکنش‌دهنده ۲ - تراکم (الکترومغناطیسی، انرژی توسط سیستمی تأمین می‌شود که قادر به ذخیره انرژی الکتریکی است) ۳ - همجوشی، همراه با آزادسازی انرژی ۴ - انبساط محصولات واکنش، صرفاً از طریق افزایش دما و فشار ۵ - بهره‌برداری از این انرژی با استفاده از یک ژنراتور MHD القایی ۶ - در نهایت بازنشانی سیستم، که مستلزم ذخیره بخشی از انرژی الکتریکی تولید شده، تخلیه محصولات واکنش و بازگرداندن مخلوط برون‌گرما است.
در این طرح، بسیاری از عناصر از مدت‌ها پیش، دقیقاً از دهه ۱۹۵۰، تحت کنترل بودند. برای مثال مرحله ۵. «ژنراتور MHD القایی» چیست؟ یک سیم‌پیچ ساده است که در داخل آن میدان مغناطیسی B حاکم است. همجوشی پلاسمایی با دمای بسیار بالا تولید می‌کند. ۱۰۰ میلیون درجه اگر ماشین با مخلوط دوتریوم-تریتیوم (ایزوتوپ‌های هیدروژن که یکی از آن‌ها رادیواکتیو است، با نیمه عمر ۱۲ سال و عیب تولید نوترون‌های ۱۴ مگا الکترون‌ولتی که منجر به فعال‌سازی سازه‌ها می‌شود) کار کند. ۵۰۰ میلیون درجه اگر با مخلوط لیتیم-هیدروژن (سبک) کار کنیم. یک میلیارد درجه اگر با مخلوط بور-هیدروژن (سبک) کار کنیم.
تا بهار ۲۰۰۵ این دو دمای آخر تخیلی به نظر می‌رسیدند، یا به بیان مورد علاقه یک روزنامه‌نگار هوانوردی با دانش فیزیک بسیار نامطمئن، «هذیان فناوری».
در هر سه حالت، پلاسمایی از هلیوم ایجاد می‌کنیم که هسته‌های آن بار الکتریکی دارند. این پلاسما کاملاً یونیزه است. با استفاده از یک «واژه علمی» خواهیم گفت که این پلاسما با «عدد رینولدز مغناطیسی بسیار بالا» کار می‌کند.
در توکامک‌ها نیز همین‌طور است. در این حالت میدان مغناطیسی به گونه‌ای طراحی و اندازه‌گیری شده بود که بتواند موفقانه در برابر انبساط و پخش پلاسما به دلیل فشار خود مقاومت کند. در اینجا میدان مغناطیسی «بازی را می‌بازد» و «زمین می‌دهد». پلاسمای همجوشی می‌تواند منبسط و سرد شود، تا حدی که در پایان این انبساط، هلیوم یونیزه‌زدایی می‌شود. «تراکم میدان مغناطیسی» در سولنوئید مترادف با جریان القایی است و انرژی الکتریکی تولید شده توسط ماشین به این شکل ظاهر خواهد شد. می‌توان گرمای باقی‌مانده، که سهم ناچیزی دارد، را با کمک یک «ماشین حرارتی» بهره‌برداری کرد. در نهایت می‌توان از محصولات واکنش برای باد کردن بالن‌های هوایی استفاده کرد که مزیت آن‌ها غیرقابل اشتعال بودن است. هلیوم، که قبل از توسعه چنین فناوری‌ای یک محصول بسیار گران‌قیمت باقی می‌ماند (تقریباً منحصراً در ایالات متحده از سنگ‌ها تولید می‌شود)، در آن زمان کاربردهای فناوری زیادی خواهد یافت. این گاز سبک است. فشرده شده، می‌تواند به عنوان یک مخزن انرژی غیرقابل انفجار برای پیشرانه عمل کند. به دلیل رسانایی حرارتی بالا، کاربردهای فناوری و حتی خانگی زیادی خواهد یافت. هلیوم مزایای هیدروژن را دارد، بدون خطرناک بودن آن.
در یک توکامک، میدان مغناطیسی مانند «یک محفظه نامرئی عمل می‌کند که محبوس‌سازی پلاسما را تضمین می‌کند». در یک ژنراتور القایی، همان میدان مغناطیسی نقش یک «پیستون نامرئی» را ایفا می‌کند، کل مجموعه یک ژنراتور الکتریکی است که جریان متناوب تولید می‌کند، بدون قطعات متحرک، با بازده عالی (۹۰٪).
این تنها یک مقاله آگاهی‌بخشی است و من وارد جزئیات فنی نخواهم شد، زیرا مجبور می‌شوم به یک آموزش منظم در فیزیک پلاسما و MHD (رشته‌ای که همان‌طور که همه می‌دانند، از ۳۰ سال پیش در فرانسه رها شده است، تا حدی که هنگامی که کسانی که مسئولیت تلاش برای بازگرداندن آن به مسیر اصلی را بر عهده دارند به روسیه، یکی از مراکز اصلی MHD در سطح بین‌المللی، سفر می‌کنند، «نمی‌دانند چه سؤالاتی بپرسند»).
در یک تأسیسات صنعتی، بلافاصله به خازن‌ها به عنوان سیستم ذخیره‌سازی انرژی فکر می‌کنیم. این سیستمی است که مبنای ماشین Z سانیا را تشکیل می‌دهد.
ماشین Z سانیا، نیومکزیکو
قطر: ۳۳ متر. مانند یک «کمپرسور الکترومغناطیسی» کار می‌کند. جزئیات: این ماشین به هیچ وجه در ابتدا به عنوان یک تولیدکننده انرژی طراحی نشده بود، حتی نه به عنوان ماشینی که دماهای بسیار بالا مورد جستجو باشد که منجر به همجوشی «اینرسی» با مدت کوتاه در انتهای تراکم شود. این ماشین هدفی صرفاً نظامی داشت. به عنوان یک تولیدکننده پرتو ایکس با قدرت بسیار بالا طراحی شده بود.
چرا؟ زیرا سلاح‌های ضد موشک عمدتاً بمب‌های اتمی هستند که در جو بالایی، بر روی مسیر (بالستیک) کلاهک‌های هسته‌ای «تهاجم‌کننده» منفجر می‌شوند. هنگام انفجار، این بمب‌ها ۸۰٪ انرژی خود را به صورت پرتو ایکس پرتاب می‌کنند. امید است که این پرتوها به اندازه کافی قوی باشند تا سیستم‌های هدایت و جرقه‌زنی کلاهک‌ها را خراب کنند. در مقابل، تلاش می‌شود کلاهک‌های «مقاوم‌شده» با زرهی ساخته شوند که به آن‌ها اجازه دهد در برابر این شار شدید پرتو ایکس مقاومت کنند. مشخصات فنی مورد نظر افراد سانیا به شرح زیر بود:
- برای ما منبع پرتو ایکسی بسازید که تا حد ممکن قدرتمند باشد، در حجمی به اندازه کافی بزرگ تابش کند تا بتوانیم تجهیزات، از جمله کلاهک‌های هسته‌ای کامل، را در نزدیکی آن قرار دهیم تا توانایی آن‌ها در مقاومت در برابر سلاح‌های ضد موشک ارزیابی شود.
چگونه پرتو ایکس تولید می‌کنیم؟ به طور تاریخی، یک کاتد را وادار به ساطع کردن الکترون‌هایی می‌کردیم که با سرعت کافی شتاب می‌گرفتند تا هنگام برخورد با آند، اتم‌های آن برانگیخته شده و این نوع تابش را ساطع کنند. اما چنین سیستم‌هایی قدرتی کاملاً ناکافی تولید می‌کردند که این تابش بتواند برای آزمایش کلاهک‌های هسته‌ای استفاده شود. بنابراین افراد سانیا تصمیم گرفتند عناصر فلزی را به گونه‌ای فشرده کنند که دمای به دست آمده باعث شود آن‌ها مانند یک ساطع‌کننده پرتو ایکس رفتار کنند.
آزمایش‌های اولیه رضایت‌بخش هستند. ماشین رگبارهایی تولید می‌کند که نظامیان را راضی می‌کند. سپس در سال ۱۹۹۸ دمای به دست آمده به ۱.۶ میلیون درجه می‌رسد. برای مشاهده لینک زیر کلیک کنید:
http://www.sandia.gov/media/z290.htm
منتشر شده توسط خدمات اطلاع‌رسانی آزمایشگاه‌های سانیا، ۱۹۹۸: ۱.۶ میلیون درجه!
اگر مقاله را بخوانید، خواهید دید که نویسندگان آن بر قدرت تابشی بالا در طیف ایکس تأکید می‌کنند. به صورت جانبی، دمای هدف به ۲.۲ میلیون درجه رسیده است، اما «به طور متوسط» حدود ۱.۶ میلیون کلوین است. کمی درباره همجوشی صحبت می‌شود، اما بدون باور زیاد. در واقع این نخستین بار نیست که پژوهشگران تلاش می‌کنند دماهای بالا را با تلاش برای فروپاشی داخلی یک هدف دایره‌ای به دست آورند. به طور کلاسیک، بخشی از یک استوانه که «لینر» نامیده می‌شود. امروزه وقت کافی برای اشاره به کل این روند که روس‌ها نقش پیشگامی در آن داشتند، به همراه تیم فاولر در لس‌آلاموس، ندارم. اما تا آن زمان این افراد از یک «لینر» پیوسته استفاده کرده بودند. هدف این بود که جریان بسیار شدیدی، ابتدا به میلیون‌ها آمپر و سپس ده‌ها میلیون آمپر (۲۰ میلیون آمپر در ماشین Z) از این استوانه نازک عبور داده شود. این صفحه جریان میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که بر خود ماده از طریق سیستمی از نیروهای شعاعی، مرکزگرا، واکنش نشان می‌دهد و آن را به سمت محور خود می‌کشاند. اما این صفحه جریان تمایل به ناپایدار بودن دارد. نتیجه: استوانه بر روی محور خود فرو نمی‌ریزد، بلکه ... به هر شکلی. اغلب در نقطه‌ای واقع در ۱ سانتی‌متر از آن! (ابعاد لینرهای روسی: ۶ سانتی‌متر قطر، ۱ سانتی‌متر ارتفاع).
در سانیا، پژوهشگران استوانه را با صفحه‌ای از سیم‌های بسیار نازک جایگزین کردند که به وضوح در طول عملیات تبخیر شده و در نهایت به یک «پرده پلاسما» تبدیل می‌شوند. اما ساختار اولیه، محوریت بهتر و بنابراین تمرکز بهتر فرآیند را تضمین می‌کند. دینی، مدیر پروژه، اجازه می‌دهد رؤیا ببیند که روزی ماشینش دماهایی مشابه دماهای به دست آمده در توکامک‌ها، نزدیک به صد میلیون درجه، را به دست آورد.
و آنجاست که تعجب همگانی و غیرمنتظره رخ می‌دهد. در مه ۲۰۰۵، فروپاشی «لینر سیمی» آن‌قدر خوب انجام می‌شود که دمای به دست آمده در انتهای تراکم از ... دو میلیارد درجه فراتر می‌رود! دمایی که هرگز، حتی در قدرتمندترین ابزارهای ترمونوکلئاری، به دست نیامده بود. چه چیزی تغییر کرده است؟ دینی قطر لینر را کمی افزایش داده است: ۸ سانتی‌متر به جای پنج. علاوه بر این، چند صد سیم نازک تنگستن با استیل ضد زنگ جایگزین شده‌اند.
این صفحه اعلامیه، مورخ ۸ مارس ۲۰۰۶، صادر شده توسط خود آزمایشگاه سانیا است که این شاهکار را اعلام می‌کند:
بررسی می‌کنند، آزمایش را n بار تکرار می‌کنند، اندازه‌گیری‌ها را انجام می‌دهند. نتیجه قطعی است: این واقعی است. نه یک مصنوع (artifact) است و نه خطای اندازه‌گیری. حسگرها متعدد و دقیق هستند. علاوه بر این، کل انرژی ساطع شده به صورت پرتو ایکس چهار برابر انرژی جنبشی منتقل شده به میله‌ها در طول صد نانوثانیه‌ای که فروپاشی طول می‌کشد، کشف می‌شود. مالکوم هینز، مدیر آزمایشگاه فیزیک پلاسمای کمبریج انگلستان، این نتیجه را بدون هیچ سانسوری دریافت می‌کند. افزایش تدریجی دمای ماشین Z باعث شده بود کسی به فکر نصب فیلتر «محرمانه دفاعی» برای نتایج به دست آمده نباشد. در پایان، این تنها یک ماشین ساده برای ایجاد پرتو ایکس برای آزمایش مقاومت کلاهک‌هاست، نه؟
هینز، دانشمند دوست‌داشتنی و ساده‌دل تیم که من از مدت‌ها پیش (۱۹۷۶) او را می‌شناسم، مقاله‌ای تنظیم می‌کند و آن را به مجله Physical Review Letters می‌فرستد که در ۲۴ فوریه ۲۰۰۶ منتشر می‌شود.
مجله مقاله را بدون هیچ پرسشی منتشر می‌کند. راستش را بخواهید، در انگلیسی «million» همان‌طور نوشته می‌شود که در فرانسوی، و «milliard» با تغییر m به b به دست می‌آید، که می‌شود: billion.
چند وب‌سایت اینترنتی این خبر عجیب را ذکر می‌کنند:
بالاترین دمای ایجاد شده در آزمایشگاه تا به امروز ساخته شد
مجله‌های Science et Vie و Science et Avenir این خبر را در پنج خط بدون هیچ توضیحی بازتاب می‌دهند. از سه ماه پیش هیچ خبری در دنیای علوم، هیچ خبری در Pour la Science (که تنها بازتاب فرانسوی‌سازی شده Scientific American است و به نظر می‌رسد آن‌ها هم از چنین پیشرفتی هیجان‌زده نیستند). هیچ خبری در مجله La Recherche. این «سکوت رادیویی همگانی» است.
می‌توان چند دلیل برای این عدم واکنش دید.
- بسیاری از افراد دامنه این نتیجه فوق‌العاده را درک نمی‌کنند - پیامدهای آن «هسته‌سالاران» (پروژه‌های مگاجول و ITER) را بسیار آزار می‌دهد. زیرا این نتایج کاملاً پروژه‌های «غالب» را زیر سؤال می‌برند. در حالی که همین هسته‌سالاران رسانه‌های علمی را در دست دارند. - پیامدهای نظامی تنها پس از آن توسط مسئولان پروژه درک می‌شود. کسی واکنش نشان نداد که درب «محرمانه دفاعی» را بر روی این نتیجه ببندد. اما دیر شده است، «گربه از کیسه بیرون آمده است»، همان‌طور که انگلیسی‌زبانان می‌گویند.
برای من، و همچنین برای متخصصان فرانسوی یا خارجی که با آن‌ها تماس داشته‌ام، بدیهی است که همجوشی در انتهای راه است. کافی است برای مثال یک سوزن هیدرید لیتیم را در مرکز «قفس گنجشک» یا یک چوب نازک از دوتریوم-تریتیوم جامد (که از مدت‌ها پیش ساخت آن را بلدند) قرار دهیم تا به آزمایش‌هایی با پیامدهای سنگین، به ساطع شدن هسته‌های هلیوم، که شناسایی آن‌ها آسان است، منجر شویم.
برای بشریت، این منبع انرژی نامحدود، غیرآلوده‌کننده و غیررادیواکتیو است، ماشینی که می‌تواند کل سازمان‌دهی و سیاست سیاره ما را در عرض چند سال تغییر دهد (...)
برای نظامیان، این بمب H و بمب نوترونی در دسترس فقیرترین کشورها، گسترش غیرقابل کنترل سلاح ترمونوکلئاری است (...). ماشینی مانند سانیا تقریباً یک صدم هزینه یک توکامک مانند ITER را دارد.
بازگشت به راهنما بازگشت به صفحه اصلی
تعداد بازدیدهای این صفحه از ۱۵ ژوئن ۲۰۰۶: