همجوشی بدون آلودگی، یک مسیر جایگزین؟
آزمایش فوکوس (FOCUS)
نتایج به دست آمده تاکنون، همتراز با قابلیت اطمینان دستگاه Z در آزمایشگاه سندیا نیست، اما ما بر آن شدیم که به این آزمایشها اشاره کنیم تا طیف بسیار گستردهای را که هیدرودینامیک مغناطیسی (MHD) برای افزایش چگالی و دمای پلاسما فراهم میکند، نشان دهیم. از این منظر، آزمایش فوکوس بسیار بدیع است. این پرسش باقی است که آیا دماهای بالای اندازهگیریشده توسط شار پرتوهای ایکس، واقعاً دمای پلاسما را نشان میدهند یا اثر برخورد بر آند. اریک لرنر، که فاقد امکانات آزمایشگاه قدرتمند نیومکزیکو است، متقاعد شده است که این امر نشاندهنده دستیابی به دمای بیش از یک میلیارد درجه (۱۰۰ کیلو الکترونولت) میباشد. مسئولیت این نتیجهگیری را به عهده او میگذاریم.
اصل عملکرد
۱ ژوئن ۲۰۰۶
فوکوس آزمایشی است که از اوایل دهه ۲۰۰۰ مورد بحث بسیاری از افراد قرار گرفته است. اطلاعاتی در دانشنامه ویکیپدیا در آدرس زیر یافت میشود:
http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_focus
برای عموم مردم، واژه همجوشی بلافاصله دو مسیر منحصربهفرد را تداعی میکند:
- همجوشی در توکامکها، که معادل آزمایش پرهزینه ITER است و قرار است در کاداراش، در شمال اکس-آن-پروانس احداث شود.
- همجوشی به کمک لیزر، که همان «کلیسای مهندسان» دیگر، یعنی پروژه مگاجول، واقع در بارپ، نزدیک بوردو است.
منظور از همجوشی نیز به طور انحصاری همجوشی دوتریوم و تریتیوم است که در پایینترین دما رخ میدهد. دوتریوم ایزوتوپ اول هیدروژن است که هسته آن از یک پروتون و یک نوترون تشکیل شده است. هسته تریتیوم شامل یک پروتون و دو نوترون است.

همجوشی آنها که زمانی رخ میدهد که دما به صد میلیون درجه برسد (با سرعت بالا)، یک هسته هلیوم و یک نوترون (سریع) با انرژی ۱۴ مگا الکترونولت (۱۴ میلیون الکترونولت) تولید میکند. در مرکز خورشید، دمای «دیگ» تنها ۱۵ تا ۲۰ میلیون درجه است و همجوشی با سرعتی بسیار کندتر در آن جریان دارد (در غیر این صورت خورشید منفجر میشد).
مولکولهای هیدروژن سنگین شباهت زیادی به مولکولهای هیدروژن سبک دارند. آنها دارای همان خواص شیمیایی هستند:

در سمت چپ یک مولکول D-D و در سمت راست یک مولکول T-T دیده میشود. پیوند توسط الکترونها برقرار میشود که در اینجا به صورت زنبور عسل نمایش داده شدهاند. «هستهها» (نوکئونها) به صورت شیاطین کوچک ترسیم شدهاند. پروتونها که بار الکتریکی دارند به رنگ بنفش و نوترونها که از نظر الکتریکی خنثی هستند به رنگ قرمز نشان داده شدهاند.
از دمای ۳۰۰۰ درجه به بالا، هیدروژن «کاملاً یونیزه میشود»، الکترونها هستهها را ترک میکنند و هیدروژن (سبک یا سنگین) به پلاسما تبدیل میشود؛ مخلوطی از «گاز الکترونی» و هستههای دارای بار الکتریکی. اما در حدود ۱۰۰ تا ۱۵۰ میلیون درجه، این هستهها تمایل به واکنش نشان دادن پیدا میکنند:

این نمودار همجوشی هیدروژن سنگین است:

خواننده میتواند با مطالعه کمیکاستریپ رایگان و قابل دانلود من، با تمام این مفاهیم مرتبط با انرژی هستهای آشنا شود:
«انرژیبخش شما» (Energétiquement Vôtre)
موجود در وبسایت:
http://www.savoir-sans-frontieres.com
در آدرس:
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
انتشار این نوترون همجوشی با انرژی ۱۴ مگا الکترونولت مشکلساز است، زیرا این ذرات باعث ایجاد
رادیواکتیویته القایی
در تمام ساختارهای تشکیلدهنده راکتور میشوند. این نوترونها در مواد ساختاری راکتور ادغام شده و تعداد زیادی ماده ناپایدار تولید میکنند که به طور خودبهخود رادیواکتیو شده و تبدیل به زباله میشوند. این شار نوترونی همچنین ساختارهای راکتور را تخریب میکند، میتواند در بلندمدت استحکام اجزای آن را به خطر بیندازد و عملکرد صحیح سولنوئیدهایی که وظیفه محصورسازی پلاسما را بر عهده دارند، مختل کند.

تصویر بالا بازتولید تریتیوم را نشان میدهد. در عمل، نوترونهای همجوشی نه تنها تریتیوم را بازتولید میکنند، بلکه تعداد زیادی ایزوتوپ رادیواکتیو نیز از طریق اثر رادیواکتیویته مصنوعی (در مقابل «رادیواکتیویته طبیعی» مرتبط با ایزوتوپهای رادیواکتیو موجود در طبیعت که در ابتدا در انفجارهای ابرنواختری ایجاد شده و هنگام شکلگیری زمین در توده آن ادغام شدند) تولید میکنند. یک پوشش لیتیمی مانند یک «ماده بارور» عمل میکند که قرار است به طور مداوم تریتیوم تولید کند؛ تریتیومی که رادیواکتیو است (نیمهعمر: ۱۲ سال) و در طبیعت وجود ندارد.
مردم عادی معمولاً نمیدانند که همجوشی مانند «شیمیِ هستهها» است؛ جایی که از یک «مخلوط همجوشی» شروع میشود، یک «واکنش» رخ میدهد و «محصولات واکنش» به دست میآید. همجوشی دوتریوم-تریتیوم تنها یکی از واکنشهای ممکن است. اما از آنجا که این واکنش در پایینترین دما رخ میدهد،

واکنشهای همجوشی بدون آلودگی، عاری از رادیواکتیویته و زبالههای رادیواکتیو!
ما در پروندهای که به دستگاه Z اختصاص داشتیم دیدیم که در سال ۲۰۰۵ در آزمایشگاههای سندیا در نیومکزیکو، دمای دو میلیارد درجه به دست آمده بود. لازم به ذکر است که هدف آزمایش، دستیابی به چنین دماهای بالایی نبود، بلکه ایجاد یک منبع ساده پرتو ایکس در دمای چند میلیون درجه بود. با این حال، به طور غیرمنتظرهای این فشردهساز پلاسما... دو میلیارد درجه تولید کرد؛ نتیجهای کاملاً غیرقابل انکار. این نتیجه «خارجی» (Outsider) بلافاصله نوعی نگرانی را در میان تیمهایی ایجاد کرد که دهههاست پروژههای پرهزینه زیر را مدیریت میکنند:
- همجوشی به کمک لیزر (در فرانسه: مگاجول)
- همجوشی در ماشینهای توکامک (در فرانسه: ITER)
اما خواهیم دید که این
دستگاه Z
ممکن است
تنها دستگاهی نباشد که بتواند پلاسمای به این گرمی تولید کند (در حالی که دستگاه ITER که به صورت پیوسته کار میکند، نمیتواند دمای خود را افزایش دهد). با یک تشبیه میتوان گفت تفاوت بین این دسته جدید از ماشینهای همجوشی با دمای بالا و توکامک، به اندازه تفاوت بین موتورهای احتراقی و ماشینهای بخار است.
بنابراین، به طور مقایسهای، ITER ماشین بخار دوران مدرن است.
برای درک بهتر این نوع ماشینها، لازم است با نیروهای الکترومغناطیسی که در رساناهای الکتریکی و سپس در تخلیههای الکتریکی عمل میکنند، آشنا شویم.
یک سولنوئید «نرم» را در نظر بگیرید؛ یک حلقه ساده که جریان الکتریکی از آن عبور میکند. این حلقه میدان مغناطیسی تولید میکند که از طریق نیروی لاپلاس I

x B
بر روی سیم حامل جریان الکتریکی اثر میگذارد.
انبساط یک حلقه تحت تأثیر میدان مغناطیسی خود
این دقیقاً همان آزمایشی است که احتمالاً در دبیرستان یا کاشف (Palais de la Découverte) دیدهاید.
اگر جریان به اندازه کافی شدید باشد، این میتواند منجر به ترکیدن رسانای الکتریکی شود. در آزمایشگاه من در دهه شصت، با استفاده از جریانهای ۵۰,۰۰۰ آمپری که توسط یک باتری خازنی تأمین میشد، میدانهای مغناطیسی ۲ تسلا (۲۰,۰۰۰ گاوس) ایجاد میکردیم. سیمپیچها از نوار مسی ساخته شده بودند. اگر این سیمپیچها محکم مهار نشده بودند (با یک پوشش الیاف شیشه چسبانده شده با رزین آرادیت)، این سولنوئیدها فوراً منفجر شده و آزمایشگاه را پر از خردهریز میکردند.
حال یک تخلیه الکتریکی را در نظر بگیرید. همه شما آزمایشی را دیدهاید که در آن یک تخلیه الکتریکی بین دو میله فلزی ایجاد میشود. این تخلیه «بالا میرود» و در نهایت میشکند.

ما همان طرح حلقه قبلی را داریم، با این تفاوت که جریان در رساناهای فلزی و در نوعی گاز یونیزه شده، یعنی پلاسما، جریان دارد. اما اصل کار یکسان است. این «حلقه» تمایل به انبساط دارد.
فراتر از یک وسیله سرگرمکننده، به مفهوم توپ پلاسما (Plasma Rail Gun) میرسیم. اگر شدتهای تزریقشده به اندازه کافی زیاد باشند، میتوان پلاسمایی ایجاد کرد که تحت تأثیر نیروی لاپلاس قوی، حرکت گازی عظیمی را به وجود میآورد. این توده گاز یونیزه شده میتواند به یک پرتابه تبدیل شود. سرعت حاصل میتواند مافوق صوت باشد و پرتاب این قوس پلاسما با یک موج شوک همراه است.

توپ پلاسما (Rail Gun)
فیزیک پلاسما میتواند هر هندسه ممکن و تصوری را بپذیرد و در چنین دستگاههایی پدیدههای زیادی میتوانند رخ دهند که برخی از آنها به خوبی شناخته و کنترل شدهاند و برخی نه. پیشتر یک حلقه منفرد را بررسی کردیم. اما میتوانیم مجموعهای از حلقهها را نیز تصور کنیم که به صورت یک تروئید (حلقوی) چیده شدهاند: یک آرایش به سبک توکامک. به راحتی میتوان تصور کرد که اگر حلقههایی از سیم الکتریکی روی یک پوشش نرم، مشابه یک تیوپ لاستیکی، که از پارچه عایق ساخته شده است، قرار گیرند، عبور جریان آن را «باد میکند». باز هم، عبور جریان بیش از حد شدید میتواند منجر به ترکیدن شود. سیستمهای مغناطیسیساز توکامکها نیز تحت تنشهای مکانیکی قرار دارند و باید به شدت مهار شوند.

سیستم سولنوئیدهای یک توکامک (شماتیک). نیروی ترکیدگی.
همه چیز طوری به نظر میرسد که انگار این مجموعه رسانا تحت یک «فشار مغناطیسی» قرار دارد که مقدار آن برابر است با:
B² / 2 μ₀
و در سیستم واحد MKSA:
μ₀ = 4π × 10⁻⁷ C
همانطور که در «توپ پلاسما» میتوان تصور کرد که در این هندسه حلقویِ صفحه جریان، بخشی «آزاد باشد تا منبسط شود». برای مثال، میتوان طرح یونیزاتور دیوارهای (به شکل تله گرگ) را به دست آورد:

یونیزاتور دیوارهای
این دستگاه نوعی «چتر پلاسما» ایجاد میکند که تمایل دارد به دور از دیواره پرتاب شود.
اکنون به طرح دستگاه «فوکوس» میرسیم که مفهوم پایه آن به دهه پنجاه میلادی بازمیگردد (همانطور که تقریباً تمام مفاهیم پایه MHD نیز به آن دوره تعلق دارند. این چیزی جز MHD نیست؛ همان رشتهای که در فرانسه در اواخر دهه پنجاه به دلیل «کار نکردن» رها شد و امروزه در مقایسه با آمریکاییها و روسها، حدود سی سال عقبتر هستیم).
فوکوس
شبیه نوعی توپ پلاسما «پیچیدهشده حول یک محور» خواهد بود. یک آند مرکزی وجود دارد که توسط یک کاتد احاطه شده است. این تصویری است که در ویکیپدیا ظاهر میشود.

دستگاه فوکوس V
این دستگاه است که از دید پرسپکتیو، همراه با پرتاب «چتر جریان» دیده میشود:

دستگاه فوکوس، همراه با پرتاب «چتر» پلاسما
وقتی این چتر پلاسما از استوانه خارج میشود، یک رشته پلاسما تشکیل میشود که برای لحظهای کوتاه آن را به آند نگه میدارد:

فوکوس: تشکیل رشته پلاسما
اینجاست که باید اثر دوم را وارد کرد: فشردگی (Pinch) یک رشته پلاسما، همواره تحت تأثیر میدان مغناطیسی خودش. نمودار زیر خودش گویاست.

اثر فشردگی در یک رشته پلاسما
دستگاه فوکوس بنابراین هر دو اثر را ترکیب میکند. تحت تأثیر میدان مغناطیسی خودش، «چتر پلاسما» دمیده میشود. سپس، در لحظهای که تمایل دارد از الکترودها جدا شود (که در نهایت رخ میدهد)، یک رشته پلاسما تشکیل میشود که در آن اثر فشردگی شدیدی حاکم است. دقیقاً نمیدانیم در داخل آن چه اتفاقی میافتد. با این حال، این فشردگی دماهای بالایی ایجاد میکند. برخی معتقدند که در این رشته، ناپایداریهایی با هندسه پیچیده متولد میشوند، جایی که جریان تمایل دارد به نوعی فیبرها یا جریانهای پیچیدهخورده منجر شود که در داخل آنها اثرات فشردگی جدیدی رخ داده و افزایش دما را تشدید میکنند. در نهایت، «نقاط داغ» در این ستون پلاسما ظاهر میشوند.

هندسه (فرضی) جریان
ناپایداریهای MHD «شهرت بدی» دارند. آنها برای دههها توسعه توکامکها را کند کردند. آنها در اواخر دهه شصت تلاش MHD صنعتی در «دماهای دوگانه» را به دلیل ناپایداری ولیخوف (Vélikhov) فرو ریختند (به نظر میرسد من به دلیل کارهایم در این زمینه، و به ویژه به دلیل دو آزمایشی که در آنها با استفاده از دو روش مختلف در سالهای ۱۹۶۵ و ۱۹۸۲ موفق شدم این ناپایداری را خنثی کنم، تقریباً توسط تمام متخصصان MHD روس شناخته شدهام). این ناپایداریها پدیدههایی بسیار غیرخطی و بیثبات هستند. یک ناپایداری «نه خوب است و نه بد». در مورد دستگاه فوکوس، از این ناپایداریها به طور مفید استفاده میشود تا به طور موضعی، افزایشهای بسیار شدیدی در دما ایجاد شود.
نتایج چیست؟
این دستگاههای نوع فوکوس به طرز باورنکردنی ساده و خام هستند. اما چه نتیجهای دارند؟ ابتدا تصاویری از این تخلیه، گرفتهشده با یک دوربین فوق سریع، که اثر پرتاب گلبرگ پلاسما را همراه با فشردگی نشان میدهد:

فیلم رویدادها باید از پایین به بالا خوانده شود.
در زیر دستگاه فوکوس ساختهشده توسط فیلیپوف (که اکنون درگذشته است) در دهه شصت در مؤسسه کورتچاتوف دماهای بالا در مسکو آورده شده است:

فیلیپوف در مقابل دستگاه فوکوس خود، در مؤسسه کورتچاتوف دماهای بالا در مسکو
میتوان دستگاههای فوکوس را در اندازههای مختلف در نظر گرفت، زیرا پارامترهای شباهت نسبتاً به خوبی کنترل میشوند (مقاله ویکیپدیا را ببینید). دستگاه بالا متناظر با حدود صد کیلوآمپر با زمان صعود سه میکروثانیه است. آند ۱۶ سانتیمتر طول و یک سانتیمتر قطر دارد. چنین دستگاههایی در حال حاضر در ۸ کشور مورد مطالعه قرار دارند. برخی تیمها ادعا میکنند نتایجی به دست آوردهاند که امکانپذیری استخراج انرژی از یک واکنش همجوشی بدون آلودگی بور-۱۱ (Bore 11) و هیدروژن-۱ (Hydrogen 1) را که منجر به تولید ۴ هسته هلیوم و ۸.۷ مگا الکترونولت انرژی میشود، فراهم میکند. واکنش لیتیم-۶ (Li 6) به علاوه دوتریوم (D 2) نیز به نوبه خود ۲۲.۴ مگا الکترونولت انرژی تولید میکند.
این موارد را میتوان در آدرس زیر یافت:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
دستگاه فوکوس آمریکایی دارای یک آند توخالی است که یک تغییر در آرایش کلی محسوب میشود.

دستگاه فوکوس آمریکایی، با آند توخالی
این آرایش به آند اجازه میدهد تا به عنوان یک صفحه نمایش در برابر پرتوهای ایکسی که هنگام برخورد الکترونهای تخلیه به آن ساطع میکند، عمل کند. محققان نمیخواهند این پرتوهای ایکس را اندازهگیری کنند، بلکه آنهایی را که مستقیماً توسط پلاسما ساطع میشوند و میتوانند دمای آن را مشخص کنند، هدف قرار دادهاند.
برای درک مقیاس، طول کل آرایش یک فوت است.
اگرچه مفهوم در سال ۱۹۵۸ متولد شد، اما تاریخ تولد رسمی دستگاههای فوکوس سال ۱۹۶۴ در نظر گرفته میشود، زمانی که آنها همزمان توسط مثر (Mather) در آمریکا و فیلیپوف (Fillipov) در روسیه تصور شدند. در اواخر دهه شصت و اوایل دهه هفتاد، وینستون بوستیک و ویکتوریو ناردی، از مؤسسه فناوری استیونز، هوبوکن، نیوجرسی، یک مدل نظری توسعه دادند که بر اساس آن، افزایشهای دما در «نقاط داغ» یا «پلاسموئیدها» رخ میدهد که به مقادیر عظیم محلی میدان مغناطیسی مرتبط هستند. این نظریه مخالفانی دارد. برخی بر این باورند که انرژی در سراسر پلاسما پراکندهتر است. در سال ۱۹۸۶، اریک لرنر یک نظریه کمّی برای فوکوس پلاسمای متراکم (Dense Plasma Focus) ارائه کرد که همچنان بر این مفهوم «نقاط داغ» استوار بود. این تحقیقات به دلیل کمبود بودجه تا اوایل دهه نود متوقف شد.
در سال ۱۹۹۴، تحقیقات تجربی روی آرایشهای کوچک در دانشگاه ایلینوی از سر گرفته شد. در سال ۲۰۰۱، آزمایشهایی که توسط لرنر در دانشگاه A&M تگزاس انجام شد، صورت گرفت. او در مقاله زیر به این موضوع میپردازد:
http://arxiv.org/ftp/physics/papers/0205/0205026.pdf
این کارها همچنین در آدرس زیر ذکر شدهاند:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
لرنر اندازهگیریهای خود را اینگونه تفسیر میکند که شار پرتوهای ایکس که اندازهگیری میکند از پلاسمای تخلیه سرچشمه میگیرد، نه از برخورد الکترونها با الکترود. او توضیح میدهد که چگونه تلاش کرده است تا این انتشار ثانویه را با یک صفحه سربی به ضخامت ۵ سانتیمتر مسدود کند. شاید. در این صورت، دمای به دست آمده واقعاً بیش از یک میلیارد درجه خواهد بود. موضوعی که باید پیگیری شود. به طور کلی، تیمهای کار روی آزمایشهای نوع فوکوس همچنان از کمبود بودجه و در نتیجه کمبود ابزارهای تشخیصی معتبر و دقیق رنج میبرند.
این نتیجه احتمالاً به قابلیت اطمینان نتیجه سندیا (دستگاه Z) نیست، اما ما بر آن شدیم که به این رویکرد دیگر اشاره کنیم.
۱۷ فوریه ۲۰۰۸
: یک توضیح درباره واکنشهای جانبی مرتبط با فرمول
B¹¹ + H¹
بور دارای ۵ بار الکتریکی، هیدروژن دارای ۱ بار است. کربن ۶ و نیتروژن ۷ بار دارند.
سرمایش تابشی پلاسما از طریق تابش ترمز (Bremsstrahlung) انجام میشود. توان ساطعشده با مجذور بار الکتریکی تغییر میکند. بنابراین، توان ساطعشده به صورت پرتو ایکس توسط یک الکترون که حول یک اتم بور میچرخد، ۲۵ برابر بیشتر از توان از دست رفته هنگام چرخش حول یک اتم هیدروژن (سبک یا سنگین، آنچه مهم است بار است) است.
B¹¹ + H¹
منجر به C¹¹ + n + 2.8 Mev میشود
عمر کربن C¹¹: ۲۰ دقیقه. میتوان ۱۰ ساعت پس از توقف عملکرد، بدون خطر محفظه را باز کرد.
B¹¹ + He⁴
منجر به N¹¹ + n + 157 keV میشود
محافظت: ۲۰ سانتیمتر B¹⁰
یا ۱ متر آب.
رادیواکتیویته القایی در الکترود بریلیوم: ۵ میکروکوری در سال (دادهها: سخنرانی لرنر)
به گفته لرنر، در این همجوشی پالسی
از ناپایداریهای MHD استفاده میشود. توصیف او از مکانیزمها به شرح زیر است. تخلیه الکتریکی «چتری» ابتدا تمایل دارد به ایجاد چگالشهای پلاسما مشابه «ریسههای همان چتر». سپس این فیلامنتها حول محور پیچیده شده و یک رشته پلاسما تشکیل میدهند. این رشته، به دلیل ناپایداری کینک (Kink)، خود را «مانند یک سیم تلفن مارپیچ» تنظیم میکند. سپس در همین ساختار، «پلاسموئیدهای خودمحصور» به صورت نقاط داغی با حجم ناچیز، کمتر از یک میکرومتر مکعب، تشکیل میشوند. در این پلاسموئیدها، میدان مغناطیسی توپولوژی حلقوی دارد. فشردگی جدیدی حول محور این پلاسموئید-قطره رخ میدهد. و آنگاه، به گفته لرنر، واکنشهای همجوشی رخ میدهند.
سخنرانی لرنر درباره دستگاه فوکوس:
http://video.google.com/videoplay?docid=-1518007279479871760&q=Google+tech+talks+lerner&pr=goog-sl
همچنین صفحه زیر را ببینید:
http://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion
در ویکیپدیای انگلیسی، که باید به فرانسوی ترجمه شود. این موضوع میتواند بسیاری را روشن کند.