موضوع مقاله: همجوشی محصورسازی لختی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # همجوشی محصورسازی لختی | مقدمه: از مراکز بزرگ پژوهشی در این زمینه می‌توان تأسیسات ملی احتراق و علوم فوتونی و دانشگاه روچستر را نام برد. | ## بخش 1: همجوشی محصورسازی لختی | همجوشی محصورسازی لختی (ICF) یک روش تولید انرژی هسته‌ای است که در آن واکنش‌های همجوشی با فشرده‌سازی و گرم کردن اهداف کوچک پرشده با سوخت آغاز می‌شوند. این اهداف معمولاً به صورت گلوله‌های میکروسکوپی هستند و اغلب شامل ایزوتوپ‌های هیدروژن یعنی دوتریم (²H) و تریتیوم (³H) می‌شوند. انرژی به‌وسیله لیزرهای پالس کوتاه یا پرتوهای یون به سطح خارجی این گلوله‌ها منتقل می‌شود و با ایجاد پلاسما و موج‌های شوک، سوخت فشرده و گرم می‌شود تا واکنش همجوشی شروع گردد. این پلاسما نیروی واکنشی به شکل موج‌های شوک تولید می‌کند که در سراسر هدف حرکت می‌کنند و آن را فشرده و گرم می‌کنند. ICF یکی از دو شاخه اصلی تحقیقات همجوشی است؛ شاخه دیگر، همجوشی با مهار مغناطیسی (MCF) است. زمانی که این روش در اوایل دهه ۱۹۷۰ پیشنهاد شد، به نظر می‌رسید یک رویکرد عملی برای تولید انرژی باشد و این حوزه به سرعت رشد کرد. در طول دهه‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰، آزمایش‌هایی برای درک تعامل نور لیزر پرانرژی و پلاسما انجام شد که منجر به طراحی دستگاه‌های بزرگ‌تر شد تا انرژی لازم برای ایجاد شعله همجوشی تولید شود. برخلاف MCF، ICF کاربردهای مستقیم دوگانه‌ای در مطالعه انفجار سلاح‌های هسته‌ای دارد. برای کشورهای دارای سلاح هسته‌ای، ICF بخشی از مدیریت ذخایر تسلیحاتی است که اجازه می‌دهد بودجه علمی و نظامی تخصیص داده شود. آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور کالیفرنیا بیشترین نقش را در تاریخ ICF داشته و بزرگ‌ترین آزمایش ICF، یعنی مرکز ملی شعله‌ور شدن (NIF) را اداره می‌کند. در سال ۲۰۲۲، یک شلیک دوتریم-تریتیوم در NIF، ۳.۱۵ مگاجول انرژی تولید کرد در حالی که انرژی ورودی ۲.۰۵ مگاجول بود؛ این اولین بار بود که هر دستگاه همجوشی ضریب انرژی بیش از یک تولید کرد. توضیح مبانی همجوشی واکنش‌های همجوشی، اتم‌های کوچک‌تر را ترکیب می‌کنند تا اتم‌های بزرگ‌تر ایجاد شود. این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که دو اتم (یا یون‌ها) به اندازه‌ای به هم نزدیک شوند که نیروی هسته‌ای بر نیروی الکترواستاتیک غلبه کند. انرژی لازم برای غلبه بر این نیروی دافعه، انرژی کافی برای عبور از مانع کولمب یا مانع همجوشی است. هسته‌های سبک‌تر انرژی کمتری برای همجوشی نیاز دارند، زیرا بار الکتریکی کمتری دارند. افزایش چگالی و طولانی‌تر شدن زمان، باعث افزایش برخورد میان اتم‌ها می‌شود و شانس همجوشی را بالا می‌برد. دستگاه‌های ترمونکلیر اولین دستگاه‌های ICF، بمب‌های هیدروژنی بودند که در اوایل دهه ۱۹۵۰ اختراع شدند. این اشعه‌ها توسط ماده خاصی جذب می‌شوند و مرحله ثانویه، که سوخت همجوشی است، بین یک فتیله سوخت شکافتی و یک پوشش قرار گرفته، گرم می‌شود و باعث فشرده و گرم شدن سوخت و آغاز واکنش‌های همجوشی می‌شود. در شرایط معمولی، ذرات آلفا می‌توانند حدود ۱۰ میلی‌متر در سوخت حرکت کنند، اما در شرایط فشرده، تنها حدود ۰.۰۱ میلی‌متر حرکت می‌کنند و انرژی خود را در سوخت آزاد می‌کنند. نوترون‌های خنثی طول بیشتری در سوخت حرکت می‌کنند و در گرمایش خودکار سوخت نقش ندارند، اما در بمب برای تولید تریتیوم یا شکافت سوخت اضافی استفاده می‌شوند. این که واکنش باید توسط بمب شکافتی آغاز شود، باعث می‌شود این روش برای تولید انرژی غیرعملی باشد، زیرا تولید و ساخت چنین بمب‌هایی بسیار پرهزینه است و حداقل اندازه آنها بزرگ است. مکانیزم عمل انرژی لازم برای غلبه بر مانع کولمب، معادل انرژی ذرات گازی است که تا ۱۰۰ میلیون کلوین گرم شده باشد. برای یک گلوله سوخت ۱ میلی‌گرمی، انرژی لازم برای رسیدن به این دما حدود ۱.۴ مگاجول است. چگالی مورد نیاز برای رسیدن به معیار لاوسون در این مدت حدود ۱۰¹⁴ ذره در هر سانتی‌متر مکعب است. | ## بخش 2: همجوشی محصورسازی لختی | در حالی که چگالی سوخت D-T مایع حدود ۴×۱۰²⁰ذره/cc است و زمان مهار لازم حدود ۲×۱۰⁻⁷ ثانیه است، بنابراین تنها ۰.۱٪ سوخت قبل از انبساط می‌سوزد. اگر قطر قطره از ۱ میلی‌متر به ۰.۱ میلی‌متر کاهش یابد، چگالی ۱۰۰۰ برابر و نرخ همجوشی ۱۰۰ برابر افزایش می‌یابد. این باعث می‌شود حدود ۱۰٪ سوخت با همجوشی واکنش دهد و انرژی حدود ۳۰ مگاجول تولید کند که ۳۰ برابر انرژی مورد نیاز برای فشرده‌سازی است. ذرات آلفا تولید شده در مرکز، سوخت اطراف را گرم می‌کنند و باعث سوختن تدریجی از مرکز به بیرون می‌شوند. مفاهیم گرمایش راه‌حل اولیه شامل "شکل‌دهی" انرژی بود: ابتدا پالس کم انرژی برای تبخیر کپسول و فشرده‌سازی، سپس پالس کوتاه و قدرتمند برای ایجاد موج‌های شوک به مرکز. روش‌های رانش مستقیم و غیرمستقیم: در رانش مستقیم، لیزرها مستقیماً به کپسول سوخت تابیده می‌شوند و باید کاملاً یکنواخت باشد. در رانش غیرمستقیم، انرژی لیزر ابتدا هولرام را گرم می‌کند تا اشعه ایکس تولید شود و سپس کپسول را گرم کند. شوک ایگنیشن: پس از فشرده‌سازی اولیه، موج شوک قدرتمندی تولید می‌شود که باعث ایگنیشن می‌شود و انرژی لازم را کاهش می‌دهد. ایگنیشن سریع: پس از فشرده‌سازی، یک پرتوی ذرات قوی انرژی را مستقیماً به هسته سوخت منتقل می‌کند. تولید کپسول‌های پلیمر سوخت برای کپسول‌های ساخته‌شده با پلیمر از طریق پلیمریزاسیون پلاسما، قطر خارجی معمولاً ۹۰۰ میکرومتر تا ۲ میلی‌متر است. این کپسول‌ها سطحی یکنواخت و کم‌عیب دارند و امکان نفوذ دوتریم و تریتیوم را فراهم می‌کنند. چالش‌ها چالش‌های اصلی در بهبود عملکرد ICF عبارتند از: افزایش انرژی منتقل‌شده به هدف کنترل تقارن فشرده‌سازی سوخت جلوگیری از گرمایش زودهنگام سوخت جلوگیری از اختلاط زودرس سوخت داغ و سرد توسط ناپایداری‌های هیدرودینامیکی تحقق همگرایی موج شوک در مرکز سوخت برای دستیابی به این دقت، هدف باید با دقت میکرومتری ساخته شود و لیزرها با دقت پیکوثانیه‌ای زمان‌بندی شوند. نخستین شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که با یک میلی‌گرم سوخت D-T می‌توان با ورودی انرژی ۵ مگاجول، خروجی ۵۰ مگاجول تولید کرد. در دهه ۱۹۷۰، لیزرهایNd:glass برای رانش مستقیم مورد استفاده قرار گرفتند و آزمایش‌های موفقیت‌آمیز بر روی سیستم‌های کوچک انجام شد. از جمله آزمایش‌های بزرگ‌تر: لیزر شیوا (Shiva) در سال ۱۹۷۸ که فشرده‌سازی تا ۱۰۰ برابر چگالی مایع دوتریم را نشان داد، اما مشکلات گرمایش زودهنگام پلاسما مانع بازده بالا شد. لیزر نووا (Nova) با انرژی ۱۰ برابر شیوا طراحی شد، اما ناپایداری‌ها در شدت پرتوها بازده را کاهش داد. مرکز ملی شعله‌ور شدن NIF در ۱۹۹۷ شروع شد و در دسامبر ۲۰۲۲، برای اولین بار بازده انرژی بیش از ورودی انرژی را ثبت کرد. اسلحه‌های هسته‌ای: شرایط دما و چگالی در ICF مشابه بمب‌های هیدروژنی است و می‌تواند برای مطالعه عملکرد سلاح‌ها و آموزش نگهداری ذخایر تسلیحاتی استفاده شود. منبع نوترون: ICF قادر است نوترون‌هایی با شدت بسیار بالا تولید کند که برای تحقیقات علمی و تولید برق در طرح‌های هیبرید همجوشی-شکافت مفید هستند. اگر بخواهی، می‌توانم همین ترجمه را در یک نسخهٔ ورد آماده برای ارائه یا مقاله هم مرتب و قالب‌بندی کنم تا آماده استفاده باشد. به زبان ساده، این شرط می‌گوید که برای وقوع واکنش‌های همجوشی، سوخت باید به اندازه کافی متراکم و داغ باشد و انرژی آن باید برای مدت زمان کافی در پلاسمای سوخت حفظ شود. هرچه تراکم ذرات، دمای پلاسمای سوخت و زمان نگهداری انرژی بیشتر باشد، احتمال انجام موفق واکنش‌های همجوشی افزایش می‌یابد. برای هر نوع سوخت، حداقل شرایط لازم برای این سه عامل مشخص است تا ذرات بتوانند به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک شده و بر نیروهای دافعه الکتریکی خود غلبه کنند و واکنش آغاز شود. انرژی لازم برای غلبه بر مانع کولمب (Coulomb Barrier) برای اینکه دو هسته سبک بتوانند با هم ترکیب شوند و واکنش همجوشی رخ دهد، آن‌ها باید بر دافعه الکتریکی بین پروتون‌های خود غلبه کنند. | ## بخش 3: همجوشی محصورسازی لختی | به طور مثال، برای سوخت دوتریوم-تریتیوم (D-T)، این دما حدود صد میلیون درجه کلوین است. به زبان ساده، این دما نشان‌دهنده انرژی متوسط هر ذره در پلاسمای بسیار داغ است که باید برای آغاز واکنش همجوشی تأمین شود. انرژی لازم برای گرم کردن یک گلولهٔ سوخت این فرمول بیان می‌کند که چه مقدار انرژی لازم است تا تمام جرم سوخت به دمای مورد نیاز برای همجوشی برسد. به عنوان مثال، یک گلوله سوخت دوتریوم-تریتیوم (D-T) با جرم حدود ۱ میلی‌گرم نیاز دارد تقریباً ۱.۴ مگاجول انرژی دریافت کند تا دمای آن به حدود صد میلیون درجه کلوین برسد. به بیان ساده، این انرژی نشان‌دهنده مقدار حرارت لازم برای تحریک واکنش‌های همجوشی قبل از شروع فشرده‌سازی است. زمان مهار و چگالی برای D-T بدون فشرده‌سازی، ذرات سوخت به سرعت از هم جدا می‌شوند و زمان نگهداری انرژی در پلاسمای سوخت بسیار کوتاه است. چگالی پایین سوخت باعث می‌شود انرژی حاصل از برخوردهای هسته‌ای سریعاً پراکنده شود و فرصت کافی برای وقوع واکنش‌های همجوشی فراهم نشود. به بیان ساده، زمان مهار نشان می‌دهد که انرژی چقدر می‌تواند در سوخت حفظ شود تا همجوشی اتفاق بیفتد؛ بدون افزایش چگالی و فشرده‌سازی، سوخت قبل از رسیدن به بازده مناسب منبسط شده و واکنش‌ها متوقف می‌شوند. اثر فشرده‌سازی بر نرخ همجوشی وقتی قطر گلولهٔ سوخت از ۱ میلی‌متر به ۰.۱ میلی‌متر کاهش پیدا می‌کند، دو اتفاق مهم رخ می‌دهد. نخست اینکه زمان مهار کمتر می‌شود، چون ذرات راه بسیار کوتاه‌تری برای فرار از ناحیه داغِ مرکزی دارند و سوخت سریع‌تر منبسط می‌شود. دوم اینکه چگالی سوخت به شدت افزایش می‌یابد، زیرا حجم کوچک‌تر باعث می‌شود ذرات بسیار نزدیک‌تر شوند. این افزایش بزرگ در چگالی، احتمال برخورد و انجام واکنش‌های همجوشی را به‌طور چشمگیری بالا می‌برد. حاصل ترکیب این دو اثر، این است که حتی با وجود کاهش زمان مهار، تعداد برخوردهای همجوشی بسیار بیشتر می‌شود و نرخ کلی واکنش بیش از صد برابر افزایش می‌یابد. در چنین شرایطی، حدود ده درصد از کل سوخت می‌تواند واکنش دهد و انرژی قابل‌توجهی آزاد کند. هرچه ذرات سوخت متراکم‌تر باشند و با سرعت بیشتری حرکت کنند، احتمال برخورد مؤثر بین یون‌ها بیشتر می‌شود و بنابراین تولید انرژی افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر، افزایش چگالی و دما باعث می‌شود برخوردهای هسته‌ای بیشتر و واکنش‌های همجوشی پرتوان‌تر شوند. انرژی آزادشده توسط ذرات آلفا ذرات آلفا تولید شده در واکنش همجوشی D-T انرژی خود را به سوخت منتقل می‌کنند و باعث گرم‌تر شدن آن می‌شوند. این گرمایش داخلی به سوخت کمک می‌کند تا دمای لازم برای ادامه واکنش‌ها حفظ شود و سوخت به‌صورت خودپراکننده بسوزد. در گلوله سوخت فشرده‌شده با قطر حدود ۰.۱ میلی‌متر، ذرات آلفا تقریباً تمام انرژی خود را در همان سوخت جذب می‌کنند و آن را کاملاً گرم می‌کنند. به‌عنوان مثال، در آزمایشگاه NIF، انرژی ورودی حدود ۲.۰۵ مگاجول بود و انرژی خروجی حاصل از همجوشی ۳.۱۵ مگاجول اندازه‌گیری شد. این به بازدهی تقریبی ۱.۵ منجر شد و اولین بار بود که یک دستگاه همجوشی بیش از انرژی ورودی تولید انرژی کرد. دمای داغی مرکزی (Hot Spot) در همجوشی با مهار اینرسی (ICF)، ایجاد یک نقطه مرکزی بسیار داغ در سوخت، شروع واکنش‌های همجوشی را در مرکز آن ممکن می‌سازد. | ## جمع‌بندی | به این ترتیب، لازم نیست کل سوخت به دمای همجوشی برسد و انرژی کمتری مصرف می‌شود، که در نتیجه بازده انرژی افزایش می‌یابد.