همجوشی محصورسازی لختی

هَمجوشی مَحصورسازی لَختی (به انگلیسی: Inertial confinement fusion) نوعی روش محصورسازی در همجوشی هسته‌ای است.^[۱]

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 (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.

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.

• 
  یک کپسول ساچمه‌ای محتوای سوخت هسته‌ای برای قیاس اینجا نشان داده شده.
• 
  فرایند چگونگی تولید انرژی هسته‌ای از این طریق
• 
  لیزر نوا در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور

2. 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
3. Radioactive tritium leaks found at 48 US nuke sites. NBC News (21 June 2011). Retrieved on 16 October 2014.
4. NRC: Frequently Asked Questions About Liquid Radioactive Releases "What are normal amounts of tritium released from nuclear power plants?"
5. 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.

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ همجوشی محصورسازی لختی موجود است.