تعریف همجوشی هسته ای :

گداخت هسته‌ای،[۱]همجوشی هسته‌ای، فوزیون یا فیوژن فرآیندی عکس عمل شکافت هسته‌ای است. در فرایند همجوشی هسته‌ای هسته‌های سبک مانند هیدروژن، دوتریوم وتریتیوم با یکدیگر همجوشی داده شده و هسته‌های سنگین‌تر و مقداری انرژی تولید می‌شود.

برای اینکه همجوشی امکان‌پذیر باشد هسته‌هایی که در واکنش وارد می‌شوند باید دارای انرژی جنبشی کافی باشند تا بر میدان الکترواستاتیکی پیرامونشان فائق آیند. بنابراین دماهایوابسته به واکنش‌های همجوشی فوق‌العاده بالاست.

در سال ۱۹۵۲ اولین انفجار آزمایشی گرماهسته‌ای باعث آزاد شدن مقدار زیادی انرژی کنترل‌نشده شد. این آزمایش نشان داد که اگر دمای یک گاز متشکل از ذرات باردار – پلاسما – باچگالی بالا تا حد ۵۰ میلیون درجه کلوین افزایش یابد، باعث ایجاد واکنش همجوشی هسته‌ای در گاز یونیده می‌شود. پس از انفجار موفقیت آمیز بمب هیدروژنی جستجو برای آزاد کردن کنترل شده انرژی همجوشی شروع شد.

گرمای همجوشی به مفهوم گرمای حاصله از همجوشی هسته‌ای است.[۲][۳][۴][۵]

همجوشی هسته‌ای، واکنشی کاملاً برعکس شکافت هسته‌ای است. به جای شکافتن اتم‌های بزرگ به اتم‌های کوچک، اتم‌های کوچک به یکدیگر جوش داده می‌شوند تا اتم‌های بزرگ بوجود آیند. این واکنش انرژی خیلی زیادی آزاد می‌کند، چرا که طبق نظریهٔ نسبیت خاص انشتین، قسمتی از مادهٔ این واکنش به انرژی تبدیل می‌شود. واقعیت این است که خارج از نیروگاه‌های همجوشی و در طبیعت، ما هر روز اثر این واکنش را احساس می‌کنیم. همجوشی هسته‌ای همان چیزی است که در مرکز خورشید رخ می‌دهد. خورشید یک رآکتور عظیم همجوشی هسته‌ای است؛ این ستاره هیدروژن را به عناصر سنگین تبدیل می‌کند و نور و گرمای حاصل از واکنش را برای ما که روی زمین هستیم، ارسال می‌کند

مزیت‌ها

مزیت همجوشی هسته‌ای نسبت به شکافت هسته‌ای مقایسه می‌شود:

  • منابع سوخت آن بسیار فراوان است. به عنوان مثال دوتریوم حدود ۱۵۳ ۰/۰ درصد اتمی ازهیدروژنهای آب اقیانوسها را تشکیل می‌دهد. تریتیوم نیز در فرایند جذب نوترون توسط لیتیومقابل تولید است.

  • به ازاء هر نوکلئون از ماده سوخت، انرژی تولیدی نسبت به روش شکافت بیشتر است.

  • معضل پسماندهای هسته‌ای را ندارد.

  • اینکه در هنگام وقوع حوادث احتمالی، راکتور همجوشی از کنترل خارج نمی‌شود.

به عنوان مثالی از انرژی تولیدی در یک راکتور همجوشی می‌توان گفت اگر یک گالن از آب دریا را که دارای مقدارکافی دوترون است در واکنش همجوشی استفاده کنیم معادل ۳۰۰ گالن گازوئیل انرژی بدون آلودگی تولید می‌کند.

سختی‌های فرایند همجوشی هسته‌ای

چیزی که باعث می‌شود رسیدن به فناوری همجوشی مشکل باشد، عدم علاقهٔ هستهٔ اتم‌ها به جوش خوردن با یکدیگر است. هستهٔ اتم هیدروژن دارای یک پروتون است و بنابراین بار الکتریکی مثبت دارد. وقتی می‌خواهیم یک هستهٔ اتم هیدروژن دیگر را به آن جوش بدهیم، به دلیل اینکه هر دو دارای بار مثبت هستند، در برابر جوش خوردن مقاومت می‌کنند. تنها راه این است که به زور این کار را انجام دهیم و آن‌قدر دمای اتم‌ها را بالا ببریم که به پلاسماتبدیل شوند. اگر پلاسمایی با دمای بسیار بالا داشته باشیم، بعضی از هسته‌ها چنان محکم به یکدیگر برخورد می‌کنند که به یکدیگر جوش می‌خورند. برای انجام این فرایند، به دما و فشار خیلی زیادی احتیاج است. مشکل این‌جاست که ما بر روی زمین باید شرایط قسمت مرکزی خورشید را بازسازی کنیم. خورشیدی که جرم‌اش ۳۳۰ هزار برابر زمین است و دمای مرکز آن به ۱۷ میلیون درجهٔ سانتیگراد می‌رسد. مشکل نخست این است که بر روی زمین به اندازهٔ خورشید سوخت هیدروژن در اختیار نداریم، باید دما را به ۱۰۰ میلیون درجهٔ سانتیگراد برسانیم. مشکل دوم که ماده در شکل پلاسما رفتارهای عجیبی از خود نشان می‌دهد. پلاسما شکل چهارم ماده است نه مایع، نه جامد و نه گاز. وقتی پلاسما را در دما و فشار خیلی زیاد قرار می‌دهیم، به شدت ناپایدار می‌شود. برای کنترل شرایط ناپایدار آن نیز از تجهیزات معمولی نمی‌توان استفاده کرد. به نوعی باید بر روی زمین یک ستاره ساخت. این کار به قدری چالش‌برانگیز است که بشر برای رسیدن به آن، باید پیچیده‌ترین فناوری تاریخ را بسازد.[۶]

روش‌های همجوشی

لیزر نوا در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در تحقیقات همجوشی

محصورسازی به روشهای متفاوتی انجام پذیر است. مهمترین این روشها عبارتند از:

محصور سازی مغناطیسی

در این روش از میدان‌های پرقدرت برای حفظ یک پلاسما استفاده می‌گردد. دو نوع رآکتور توکوماک و اسفرومک بر اساس این روش طراحی شده‌است.

همجوشی هسته‌ای کنترل شده توسط لیزرهای پر توان

در این روش از لیزرهای پرتوانی جهت محصورساختن ساچمه‌های کوچکی استفاده می‌شود که در آنها سوخت هسته‌ای فشرده سازی شده باشد.

همجوشی هسته‌ای توسط کاتالیزور میونی

همجوشی هسته‌ای توسط کاتالیزور میونی (Muon-catalyzed fusion (μCF

تعریف شکاف هسته ای :

فرایند شکافت هسته‌ای

شکافت هسته‌ای یا فیژن (به انگلیسیNuclear fission) فرایندی است که در آن یک اتم سنگین مانند اورانیوم به دو اتم سبکتر تبدیل می‌شود. وقتی هسته‌ای با عدد اتمیزیاد شکافته شود، بر پایه فرمول انیشتین، مقداری از جرم آن به انرژی تبدیل می‌شود. از این انرژی در تولید برق (در نیروگاه هسته‌ای) یا تخریب (سلاح‌های هسته‌ای) استفاده می‌شود.

برای ایجاد شکافت هسته‌ای نیاز به بمب باران نوترونی است. یعنی نوترونی را که سرعت آن با سرعت نور برابری می‌کند توسط آبهای سنگین کاهش سرعت پیدا کنند تا بعد از ناپایدار شدن هسته اتم، اتم تجزیه شود. (در اورانیوم پس از تجزیه عناصر باریم و کریپتون و ۲/۵ عدد نوترون پس داده می‌شود)

اوتوهان زمانی که قصد داشت از بمباران اورانیوم با نوترون آن را به رادیم تبدیل کند دریافت که به اتم بسیار کوچک‌تری دست یافته‌است. در تمام واکنش هسته‌ای که تا ان زمان شناخته شده بود تنها ذرات کوچک از هسته جدا می‌شدند اما این بار یک تقسیم بزرگ رخ داده بود. لیزه مایتنر و اوتو رابرت فریش دریافتند که فراوردهٔ این بمباران نوترونی باریم است و جرم هر اتم اورانیم هنگام تبدیل شدن به ذرات کوچک‌تر به اندازهٔ یک پنجم جرم یک پروتون کاهش می‌یابد و این جرم مطابق رابطهٔ اینشتین E=mc² به انرژی تبدیل شده‌است. به خاطر شباهت این پدیدهٔ تقسیم هسته با تقسیم سلولی مایتنر و فریش آن را شکافت نامیدند. مقالهٔ این یافته در یازدهم فوریهٔ ۱۹۳۹ در نشریهٔ نیچر با عنوان «واکنش هسته‌ای نوع جدید» منتشر شد.

در تصویر اتم اورانیم-۲۳۵ دیده می‌شود که پس از برخورد یک نوترون به ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۶ تبدیل شده و به سرعت متلاشی شده و پرتوهای رادیو اکتیو از خود صادر می‌کند. سپس به دو عنصر باریم-۱۴۱ و کریپتون-۹۲ تقسیم شده و به پایداری می‌رسد و در ضمن ۲/۵ عدد نوترون دیگر آزاد می‌کند که هر یک موجب شکافت یک هستهٔ اورانیوم دیگر می‌شوند و این واکنش زنجیره‌ای مرتب ادامه پیدا می‌کند.