همجوشی محصورسازی لختی

هَمجوشی مَحصورسازی لَختی  نوعی روش محصورسازی در همجوشی هسته‌ای است.Inertial Confinement Fusion

در این روش، از لیزرهای ترا-وات پرتوان مخصوصی استفاده می‌شود که سعی در متراکم نمودن درون یک ساچمه دارای پلاسما را دارند. این ساچمه را درون یک هولورام قرار می‌دهند.

از مراکز بزرگ پژوهشی در این زمینه می‌توان تأسیسات ملی احتراق و علوم فوتونی و دانشگاه روچستر را نام برد.

 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. 

 به طور معمول، لیزرهای پالس کوتاه انرژی خود را روی یک هولرام (hohlraum) می‌ریزند. سطح داخلی آن تبخیر شده و اشعه ایکس آزاد می‌کند. این اشعه‌ها بر سطح خارجی گلوله متمرکز می‌شوند و آن را به پلاسما تبدیل می‌کنند. این پلاسما نیروی واکنشی به شکل موج‌های شوک تولید می‌کند که در سراسر هدف حرکت می‌کنند و آن را فشرده و گرم می‌کنند. موج‌های شوک با قدرت کافی، معیار لاوسون برای همجوشی سوخت را محقق 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. آزمایش‌ها نشان دادند که بازده دستگاه‌ها بسیار کمتر از انتظار است. 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. با این حال، امروزه MCF رویکرد غالب در تولید انرژی است. 

 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. بنابراین مانع برای هیدروژن کمترین مقدار است. ترکیب دوتریم و تریتیوم (D-T) آسان‌ترین سوخت برای همجوشی است. 

 احتمال وقوع همجوشی تابعی از چگالی و دمای سوخت و مدت زمان حفظ این شرایط است. حتی در شرایط ایده‌آل، احتمال ترکیب D و T بسیار کم است. 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. یک بمب هیدروژنی شامل دو مرحله در یک محفظه است. مرحله اولیه، یک دستگاه شکافت هسته‌ای معمولاً با استفاده از پلوتونیوم است. انفجار آن، موجی از اشعه ایکس حرارتی آزاد می‌کند که داخل محفظه بمب پر می‌کند. 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 سوخت D-T، بیشتر انرژی به صورت ذرات آلفا و نوترون‌ها آزاد 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. این فرآیند، سوخت همجوشی را از مرکز به بیرون می‌سوزاند. 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. 

 در مقایسه، در رویکرد همجوشی مغناطیسی، زمان‌های مهار حدود یک ثانیه است. چگالی مورد نیاز برای رسیدن به معیار لاوسون در این مدت حدود ۱۰¹⁴ ذره در هر سانتی‌متر مکعب است. 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. 

 فشرده‌سازی سوخت باعث افزایش چگالی و نرخ همجوشی می‌شود. 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. 

 مفهوم کلیدی دیگر این است که لازم نیست کل جرم سوخت به ۱۰۰ میلیون کلوین گرم شود. ذرات آلفا تولید شده در مرکز، سوخت اطراف را گرم می‌کنند و باعث سوختن تدریجی از مرکز به بیرون می‌شوند. این فرآیند انرژی کمتری نیاز دارد و تنها مرکز سوخت نیازمند گرمایش است. 

 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. این باعث افزایش چگالی مرکز تا بیش از ۸۰۰ g/cm³ می‌شود. 

 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. این روش نیاز به دقت کمتری دارد، اما بازده انرژی کمتر است. 

 در رانش مستقیم، دو رویکرد وجود دارد: **شوک ایگنیشن (Shock Ignition) و ایگنیشن سریع (Fast Ignition) که در هر دو، فشرده‌سازی و گرمایش جداگانه انجام می‌شود. 

 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. این روش بازدهی بیشتری دارد و انرژی به شکل متمرکزتر به مرکز سوخت وارد می‌شود. 

 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. مشکلاتی مانند ناپایداری ریلهی-تیلر و ریخت‌مایر-میشکوف نیز باید مدیریت شوند. 

 تاریخچه 

 ICF در اواخر دهه ۱۹۵۰ و با همکاری آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور آغاز شد. 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. 

 پروژه‌ها و توسعه‌های جهانی 

 فرانسه: Laser Mégajoule 

 دستگاه‌های z-pinch 

 ژاپن: KOYO-F و LIFT 

 استرالیا: HB11 برای همجوشی با pB11 غیرحرارتی 

 آلمان: Marvel Fusion 

 کاربردها 

 تولید برق: 

 انرژی حاصل از ICF می‌تواند توربین بخار سنتی را به حرکت درآورد، اما راندمان پایین لیزر و بازده سیستم توربین، چالش‌های اقتصادی بزرگی ایجاد می‌کند. 

 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. 

 توضیحات فرمول‌ها و انرژی در همجوشی لیزری 

 شرط لاوسون (Lawson Criterion) 

شرط لاوسون معیاری است برای سنجش این که یک واکنش همجوشی بتواند به‌طور خودپایدار انرژی تولید کند. 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. این نیاز به انرژی کافی دارد که به دمای پلاسمای سوخت وابسته است. 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. در این محاسبات، ظرفیت حرارتی سوخت و میزان افزایش دما در نظر گرفته می‌شوند. 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.

 نرخ همجوشی 
تعداد واکنش‌های همجوشی به چگالی ذرات و انرژی آن‌ها وابسته است. 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.

 بازده انرژی (Energy Gain) 
بازده انرژی (Q) معیاری برای سنجش نسبت انرژی آزاد شده توسط واکنش همجوشی به انرژی مصرف‌شده برای آغاز آن است. 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. این نقطه مرکزی با انتشار ذرات آلفا، سوخت اطراف خود را گرم می‌کند و فرآیند «سوختن خودپراکننده» (propagating burn) رخ می‌دهد. به این ترتیب، لازم نیست کل سوخت به دمای همجوشی برسد و انرژی کمتری مصرف می‌شود، که در نتیجه بازده انرژی افزایش می‌یابد.

 نگارخانه 

 منابع 

 27 years have passed since 1996, i.e. 2.25 half-lives, which reduce the 75kg of 1996 to 75/2^(2.25) ≈15.8 kg
 Radioactive tritium leaks found at 48 US nuke sites. NBC News (21 June 2011). Retrieved on 16 October 2014.
 NRC: Frequently Asked Questions About Liquid Radioactive Releases "What are normal amounts of tritium released from nuclear power plants?" 
 Wunsch, Carl. (2015). Modern observational physical oceanography : understanding the global ocean. Princeton : Princeton University Press. p. 44 Figure 2.29. ISBN 978-0-691-15882-2. 

رده:آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور
رده:قدرت هم‌جوشی
رده:محصورسازی به روش لختی
رده:منبع‌های نوترون