شتاب دهنده !

[∆ MeRzaD ∆]

امروز سوخت و انرژی در دنیا به چند دسته کلی تقسیم می شوند. سوخت های فسیلی و سوخت های غیرفسیلی و انرژی های تجدید پذیر و غیرقابل تجدید.

سوخت های فسیلی

سوخت های فسیلی عبارتند از: نفت، گاز و زغال سنگ که با اکسیژن هوا ترکیب می شوند و ایجاد انرژی به شکل حرارت می کنند. این سوخت ها در مقایسه با سوخت های دیگر انرژی کمتر تولید می کنند. مثلاً یک کیلوگرم زغال سنگ حدود ۸ کیلووات ساعت انرژی تولید می کند و یک کیلوگرم نفت حدود ۱۲ کیلووات ساعت انرژی تولید می کنند. این سوخت ها آلوده کننده محیط زیست نیز هستند.

به علاوه جزء ذخایر غیرقابل تجدید بوده و دارای مشکلات زیادی در حمل و نقل ایمنی نیز هستند. مانند گازگرفتگی (خفگی) یا تولید گاز سمی منوکسید کربن. دسته دیگر از سوخت ها شامل سوخت های هسته ای هستند مانند اورانیوم یا پلوتونیوم یا ایزوتوپ های هیدروژن مانند دوتریوم یا تریتیوم یا فلز سبک لیتیوم. این سوخت ها در مقایسه با سوخت های دسته اول دارای امتیازات مثبت و منفی هستند. اول اینکه در این سوخت ها بعضی ایزوتوپ ها توانایی تولید انرژی به وسیله تکنولوژی فعلی بشر را دارد مانند ایزوتوپ های کمیاب اورانیوم ۲۳۵ یا پلوتونیوم ۲۳۹ یا اورانیوم ۲۳۳ که به این ایزوتوپ ها شکاف پذیر می گویند. امتیازات اینها عبارتند از تولید مقادیر زیاد انرژی به وسیله حجم کم ماده سوختنی. مثلاً از یک کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ یا پلوتونیوم ۲۳۹ می توان مقدار ۲۳میلیون کیلووات ساعت گرما ایجاد کرد، اما مشکلاتی نیز دارند از آن جمله این که: غنی سازی و تولید این ایزوتوپ ها مشکلات و هزینه زیادی دارند. دوم اینکه، این سوخت های هسته ای سنگین پس از تولید انرژی مقادیر زیادی ایزوتوپ های پرتوزا از خود به جای می گذارند که به زباله های هسته ای موسوم است.

این زباله ها برای محیط زیست و سلامت افراد خطرناک هستند و باید برای صدها سال در انبار های محکم نگهداری شوند تا رادیواکتیو آن از بیشامل عناصر سبک مانند دوتریوم یا تریتیوم یا لیتیوم هستند که قرار است در راکتور های گداخت یا همجوش هسته ای تولید انرژی کنند. البته تاکنون از اینها در بمب های هیدروژنی بهره برداری نظامی و تسلیحاتی می شد، اما برای تولید انرژی برای مصارف صلح آمیز تکنولوژی راکتور های گداخت باید تکمیل شود، این سوخت ها معایب و مزایای فراوانی دارند. اول تولید نوترون و تشعشعات نوترونی می کنند که باید در راکتور های همجوشی هسته ای به نحوی جذب و کنترل شوند دوماینکه تریتیوم نباید از راکتور نشت کند زیرا یک ایزوتوپ رادیواکتیو است.مزایای این سوخت ها عبارت از این که فراوان در دسترس هستند و دوم اینکه تولید انرژی زیادتری نسبت به اورانیوم یا پلوتونیوم می کنند. مثلاً انرژی حاصل از گداخت هیدروژن به هلیوم مساوی است با ۱۷۷میلیون کیلووات ساعت در صورتی که انرژی حاصل از اورانیوم برابر است با ۰۰۰/۰۰۰/۲۳ کیلووات ساعت. بنابراین یک کیلوگرم هیدروژن حدود ۸ برابر یک کیلوگرم اورانیوم تولید انرژی می کند.

انواع دیگر انرژی

انواع دیگر انرژی عبارتند از: انرژی خورشیدی، انرژی باد، انرژی زمینگرمایی و انرژی بیوگاز که مشکل بزرگ این انرژی تجدیدپذیر اینکه بازده انرژی اینها پایین است و دوم اینکه دائمی نیستند و سوم اینکه تکنولوژی بشر برای استفاده مقیاس زیاد از اینها تکمیل نیافته است. ما در این مقاله سعی می کنیم جدیدترین طرح تولید انرژی که شاید یکی از منابع انرژی قرن ۲۱ باشد را معرفی کنیم. این طرح تولید انرژی عبارت از شتاب دهنده ذرات اتمی برای تولید انرژی زیاد، عملکرد این سیستم و دستگاه براساس استفاده از میدان های الکتریکی و مغناطیسی برای شتاب دادن و کنترل ذرات باردار الکتریکی تا مرز سرعت نور است. این سیستم ها قادر هستند سرعت الکترون ها و پروتون ها را تا مرز سرعت نور شتاب دهند. وقتی ذرات تا این حد شتاب یافتند سطح انرژی آنها چند میلیون برابر می شود و دارای انرژی عظیم و فراوانی می شود. یک مثال نشان دهنده این مطلب است، به عنوان مثال شتاب دهنده پروتون در آزمایشگاه فرمی آمریکا قادر است ذرات پروتون را تا یک تریلیون الکترون ولت (Tev) شتاب دهد.

اگر ما به وسیله این شتاب دهنده پروتون های یک گرم هیدورژن معمولی که در آب زیاد است را تزریق کنیم و شتاب دهیم انرژی پروتون ها برابر خواهد بود با انرژی ۲۶ میلیارد کیلووات ساعت انرژی، که مساوی است با انرژی تولید شده به وسیله شکافت حدود ۱۲۰۰ کیلوگرم اورانیوم یا ۱۵ میلیون بشکه نفت. همه این انرژی عظیم و غیرقابل باور فقط به وسیله شتاب دادن پروتون های یک گرم هیدروژن تا سطح انرژی یک تریلیون الکترون ولت است. پس با این محاسبات دانستیم که شتاب دهنده ها دارای چه قدرت عظیمی هستند.

انواع شتاب دهنده

شتاب دهنده ها به چند دسته کلی تقسیم بندی می شوند:

۱٫ شتاب دهنده های خطی

۲٫ شتاب دهنده های مداری

۳٫ شتاب دهنده سیلکووترون

علاوه بر آن ساخت و نگهداری شتاب دهنده آسان و کم هزینه است. در ضمن می توان این سیستم های مولد را در ابعاد و مقیاس های مختلف ساخت به عنوان مثال یک شتاب دهنده خطی که طول آن ۱۰۰ متر و ولتاژ آن ۱۰ میلیون ولت است که قادر است انرژی معادل یک گیگا (Gev) الکترون ولت تولید کند. این انرژی معادل است با انرژی ۲۶ میلیون کیلووات ساعت در هر ثانیه. اگر تنها موفق شویم ۵۰ درصد انرژی این شتاب دهنده را استفاده کنیم این شتاب دهنده قادر است معادل ۲۰ هزار نیروگاه اتمی در مقیاس نیروگاه اتمی هزار مگاواتی نیروگاه بوشهر تولید انرژی کند. یعنی قادر خواهد بود ۲۰ میلیون مگاوات انرژی الکتریکی تولید کند.

علاوه بر آن از حرارت و گرمای تولیدی این دستگاه می توان برای بخار کردن آب دریا و تولید آب شیرین استفاده کرد. محاسبات نشان می دهد که این سیستم قادر خواهد بود در سال معادل بارندگی سالیانه کشور آب شیرین تولید کند، بدون اینکه هوا را آلوده کند یا مشکلاتی از قبیل زباله های هسته ای یا پس مانده و آلودگی ایجاد کند، در واقع یکی از بهترین منابع انرژی خواهد بودن برود. دسته دیگر از سوخت های هسته ای سوخت مصرفی این دستگاه تنها چند گرم هیدروژن معمولی است انرژی تولیدی از یک دستگاه شتاب دهنده یک گیگا الکترون ولت (Gev) برابر است با انرژی حاصل از سوختن ۰۰۰/۵۰۰/۲ لیتر بنزین خواهد بود. بنابراین اگر به مدت یک سال کار کند معادل انرژی ۵۰۰ میلیارد بشکه نفت انرژی تولید می کند.

ارزش اقتصادی این مقدار انرژی که ۲ برابر انرژی ذخایر نفت عربستان سعودی است با احتساب قیمت هر بشکه نفت بر مبنای ۲۰ دلار برابر است با ۱۰ تریلیون دلار. در صورتی که ما از این سیستم شتاب دهنده استفاده کنیم نیازی به سوزاندن این حجم عظیم نفت و گاز برای تولید انرژی نداریم. مزایای این سیستم عبارتند از:

۱٫ می توان در ابعاد و اندازه های مختلف ساخت.

۲٫ هزینه ساخت و نگهداری آن کم بوده است.

۳٫ هیچ گونه زباله یا آلودگی محیطی تولید نمی کند. محصول نهایی آن آب خالص یا بخار آب است.

۴٫ با استفاده از این دستگاه عملاً عمر منابع انرژی نامحدود می شود و منبع عظیمی از انرژی در دسترس خواهد بود.

شتاب دهنده خطی

در آزمایشگاههای کوانتمی از ذرات باردار پرتوزایی یا ذرات بنیادی مانندآلفا ، بتا ، پوزیترون ، موئونها و … برای بررسی خواصشان استفاده می‌شود. همچنین از ذرات آلفا ، پروتون و دوتریم که دارای بار مثبت هستند، برای شکافت هسته‌ای استفاده می‌شوند. اما هنگامی که این ذرات را بسوی هسته می‌فرستیم، بر اثر نیروی دافعه الکتروستاتیکی بین هسته و ذرات نامبرده ، این ذرات دفع می‌شوند و در نتیجه شکافتی صورت نمی‌گیرد. برای ایجاد شکافت هسته از طریق بمباران کردن ذرات نامبرده ، بایستی سرعت و انرژی این ذرات را افزایش دهیم. برای این کار از دستگاه شتاب دهنده خطی یا سیکلوترون خطی استفاده می‌کنیم.
جرم الکترون ۱۸۳۶ بار کوچکتر از جرم پروتون است. بطوری که می‌دانیم ‏این امر سبب می‌شود ‏که الکترونها در انرژیهای پایین هم شروع به نسبیتی ‏شدن بکنند، به عبارت دیگر سرعت آنها نزدیک به ‏‏سرعت نور می‌شود. یک ‏الکترون MeV‏۲ دارای انرژی کل‏MeV‏ ‏‎ ۰٫۵۱۲‎است (۰٫۵۱۲ + ۲ = ‏E‏).‏ یعنی حدود ۵ برابر انرژی در حال سکون آن می‌شود و سرعت آن معادل ‏سرعت پروتون ‏GeV‏۴۶۷ خواهد ‏بود یعنی ‏C‏۹۸/۰ =‏V‏ می‌گردد.

ساختمان دستگاه

این دستگاه از مجموعه‌ای از چند استوانه فلزی با اندازه‌های متفاوت تشکیل شده است بطوری که اگر از اولین استوانه کوچک شروع کنیم با پیشروی طول این استوانه‌ها افزایش می‌یابد. این استوانه‌ها به جریان الکتریکی متناوب متصل هستند. نوع بار الکتریکی استوانه‌ها بطور یک در میان یکسان تغییر می‌کند. هنگامی که یک ذره مثبت به اولین استوانه می‌رسد، استوانه بار منفی می‌گیرد و در نتیجه بار مثبت به سمت صفحه استوانه تمایل پیدا می‌کند، اما همین که ذره به صفحه نزدیک شد، نوع بار صفحه از منفی به مثبت تبدیل می‌شود (چون جریان متناوب است)، پس ذره دفع می‌شود.

از طرف استوانه بعدی بار منفی دارد و در نتیجه ذره به سمت استوانه بعدی جذب می‌شود، اما همین که به صفحه استوانه بعدی رسید، نوع بار استوانه تغییر می‌کند و با این تغییر ، ذره به استوانه بعدش منتقل می‌شود. این فرآیند در طی عبور ذره باردار از استوانه تکرار می‌شود تا اینکه سرعت آن به حد مورد نیاز برسد.

مشکلات سر راه شتابش الکترون

شتابش ثانویه الکترون تغییر قابل ملاحظه‌ای روی سرعتش دارد، ولی جرم ‏آن را افزایش می‌دهد. اگر یک ساختار ‏لوله جریان برای یک ماشین الکترونی انتخاب می‌کردند، طول الکترود می‌بایست برای تمام انرژیهای بالای ‏‏MeV‏۱ (‏T‏۱ = ‏B‏) تقریبا یکسان می‌باشد و این طول موج برابر طول موج ‏میدان الکتریکی رادیو ‏فرکانسی در فضای آزاد است. ‏چنین لوله‌های جریان دیگر آنقدر کوچک نبودند که در درون کاواک تشدید ‏اختلال بوجود نیاورند (طول آنها ‏بزرگتر از قطر کاواکها می‌باشد). به کار ‏اندازی یک چنین دستگاه          فوق‌العاده غیر اقتصادی است.

مکانیزمهای نوین شتابش الکترونها

راه مناسبی برای شتابش الکترون بر اساس تقریب بین سرعت الکترون و ‏سرعت انتشار امواج ‏الکترومغناطیسی وجود دارد. طوری که بجای تولید ‏یک موج ایستاده که در درون یک کاواک جلو و عقب ‏بازتاب کننده یک ذره ‏موج رونده‌ای ایجاد و وادار کرد که در طول محور یک استوانه فلزی پراکنش ‏کند. یک ‏چنین استوانه‌ای را ‏‎(wave guide)‎‏ می‌نامند.‏ الکترونها به درون یک موجبر تزریق می‌شوند و پس از آن تحت تأثیر مؤلفه ‏طولی میدان الکتریکی این  موج رونده قرار می‌گیرند و همراه آن به حرکت ‏در می‌آیند. آنها در نتیجه متحمل شتابش پیوسته می‌شوند و ‏شبیه کف ‏که روی امواج دریا منتقل می‌شوند آنها نیز با موج رانده می‌شوند.

پایداری فاز شتاب‌ دهنده‌ الکترونی

پایداری فاز در شتاب‌ دهنده‌های الکترونی نیز بکار می‌رود. هر چند که آنها همان روال شتاب دهنده‌های ‏پروتونی را دقیقا دنبال نمی‌کنند، در مورد ‏اخیر ذره همگام که باید همراه موج یعنی با سرعت نور حرکت کند، ‏یک ذره ‏همگام خیالی است. ‏سرعت نور حد نهایی سرعتی است که الکترونها نمی‌توانند به آن برسند. ‏نوسانات فاز و سرعتهای نوسانی ‏وابسته به بالا و پایین مقدار ترازمندی ‏که در شتاب دهنده خطی پروتونی ظاهر می‌شود، در اینجا ممکن نیست ‏‏بجای آن یک حرکت فاز ایستا‌وار درون ماشین شتاب دهنده صورت می‌گیرد.‏

کاربردهای شتاب دهنده الکترونی

• تولید الکترونهای سریع جهت استفاده در واکنشهای هسته‌ای ، راکتورهای هسته‌ای ، ‏کاربردهای ‏پزشکی و …‏ .

• مطالعه ساختارها و مدلهای ‌هسته‌ای و خواص هسته‌ها‏.

• بررسی پدیده‌های ریز اتمی و تأیید نظریات کوانتومی با استفاده از الکترونهای ‏شتابدار.

• تونل زنی الکترون و کاربردهای متعدد آن در پیوندهای فلزات و نیم رساناها‏

شتابدهنده های هسته ای

ماشینهای شتابدهنده درفیزیک هسته ای

شتاب دهنده های ذرات Particle Accelerators:

در تحقیقات اولیه اتم و هسته اش ، دانشمندان به انرژی ذرات آلفا حاصل از تجزیه طبیعی مواد رادیو اکتیو قانع بودند.اما بعد ها معلوم شد که این انرژی چندان کافی نمی باشد بنابر این دستگاه بسیار پیچیده و مخصوص جهت شتاب مصنوعی ذرات اتمی ساخته می شد .

چگونه ذرات شتابدار می شوند ؟

• اگر ذره بارداری در میدان الکتریکی قرارگیرد حرکتش به تدریج شتابدار «حرکت شتابدار) می شود و با قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی ذره شروع به پیچ خوردن در اطراف خطوط فرضی نیروی این میدان می کند. این پدیده دانشمندان را واداشت که از میدانها ی مغناطیسی برای ساختن یک توپخانه اتمی سنگین ، شتاب دهنده ذرات باردار استفاده نمایند در یک میدان الکتریکی ذرات در خطی مستقیم دارای شتاب می شوند. این نوع شتاب دهنده ها ، شتاب دهنده های خطی خوانده می شود .

• اگر ذرات باردار یک میدان مغناطیسی حرکت کنند البته حرکت ذرات در میدان مغناطیسی بصورت مار پیچی است. این نوع دستگاه ها را شتاب دهنده های مداری ( Circular_ Arbit) گویند.

انواع شتاب دهنده های هسته ای:

• شتاب دهنده های خطی: در این شتاب دهنده ها ذرات باردار توسط میدان الکتریکی در امتداد یک خط مستقیم حرکت می کنند. در این شتاب دهنده ها ذرات را تا انرژی های ۱ مگا الکترون ولت شتاب می دهند. دو نوع از ماشین های شتاب دهنده ای خطی که در آنها ذرات باردار در طول یک خط مستقیم چندین مرتبه شتاب می گیرند عبارتند از :

o شتاب دهنده لوله ـ سوقی:در ماشین لوله سوقی ذرات بوسیله میدان الکتریکی رساناهایی که با عایق از هم جدا شده اند به کرات شتاب می گیرند.

o شتاب دهنده موجبر:در ماشین موجبر ذرات باردار توسط یک میدان الکتریکی که در یک رسانای توخالی برقرار می شود شتاب می گیرد .

• شتاب دهنده های چرخه ای:در این ماشینها ذرات بارداری توسط میدان مغناطیسی به حرکت در قوس های دایره ای مقید شده اند.شتاب دهنده هایی که به شتاب دهنده های چرخه ای معروف اند عبارتند از :

o سیکلوترون

o سنکروسیکلوترون

oسنکروترون

سیکلوترون:

سیکلوترون در سال ۱۹۳۲ توسط لارنس و لیوینگتون اختراع شد در این شتاب دهنده ها ، ذرات باردار تحت تاثیر میدای B مغناطیسی ثابت قرارمی گیرند. و در حالی که در هر نیم چرخه توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرند. میدان مغناطیسی مسیر آن را به صورت دایره ای خم می کند.

ذره ای به جرم نسبتی mوبارq که عمود بر B میدان مغناطیسی و در قوس دایره ای به شعاع r حرکت کند بصورت زیر است: p=m v=qBr و v=rw و f=w/6.28 بنابراین f=(q/6.28 m) B که در روابط اخیر w سرعت زاوی های، p اندازه حرکت خطی و f فرکانس حرکت می باشد.در این شتاب دهنده ها فرکانس به فرکانس سیکلوترونی معروف است .

سنکروسیکلوترون Synchrocyclotron:

این نوع شتاب دهنده که ذرات باردار که اصل معروف حالت پایداری مدار دران بکار می رود. این اصل بوسیله دانشمند روسی وکسلر (V.Veksler) پیشنهاد شد. عقیده اساسی او این است که تحت شرایط معین و با انتخاب مناسب شتاب الکتریکی و کنترل میدانهای مغناطیسی می توان هر ذره بارداری را در آن چنان شتاب داد که علی رغم احتمال وجود انحرافات مخصوص ، انرژی ماکزیمم از قبل پیش بینی شده ای را در پایان مسیرش بدست آورد.

برای مثال انجام عمل به کمک کاهش تدریجی فرکانس ولتاژ بکار رفته در عرض شتاب دهنده ممکن می شود.دانستیم که اثر نسبیت جرمی ( افزایش در جرم برای سرعت های نزدیک به سرعت نور) علت اساسی تخلف همزمانی در سیکلوترون است بهمین دلیل فرکانس ولتاژ بکار رفته به تدریج کاهش می یابد تا انرژی نسبیتی (E=mc2) را جبران نماید.

فرکانس طوری تغییر می یابد تا بعد از هر گردش ضربه های ولتاژی که به شکاف شتاب وارد می شود با افزایش تاخیر صورت گرفته و این افزایش تاخیر در توافق دقیق با افزایش جرم نسبیتی و کاهش تدریجی در میزان شتاب ذره می شود. با این وسیله ذراتی مثل پروتون را تا ۷۰۰ مگا الکترون ولت شتاب می دهند .

سنکروترون :

برای افزایش انرژی جنبشی نهایی یک ذره در یک ماشین شتاب دهنده چرخه ای باید اندازه حرکت نسبیتی نهایی P= qBr ذره را زیاد کرد. برای بزرگی میدان مغناطیسی B که در نواحی نسبتاً بزرگی از فضا بدست می آید.محدودیتی وجود دارد زیرا بدلیل خواص مغناطیسی مواد ، B نمی تواند از حدود ۲ وبر بر متر مربع (تسلا) تجاوز کند از این رو تنها افزایش قابل ملاحظه در اندازه حرکت خطی وبنابراین در انرژی جنبشی آن در یک ماشین چرخه ای، بزرگ ترین شعاع مدار نهایی را دارد.

این ذرات در سنکروترونها از مرکز آهنربای الکتریکی شروع به حرکت می کنند و تا شعاع نهایی بسوی خارج حرکت مار پیچی می کنند آهن ربای الکتریکی در تمام این ناحیه میدان مغناطیسی تولید می کند بنابر این هر گاه بخواهیم انرژی نهایی یک ذره در سنکروترون افزایش یابد باید شعاع مدارنهایی و در نتیجه شعاع آهن ربا الکتریکی را متناظراً افزایش دهیم. طرح وساختمان سنکروترون هایی که قادرند به پروتون ها تاانرژی دههاو سرانجام صدها مگاالکترون ولت شتاب دهند

شتاب‌دهنده‌های معمولی در برگیرنده فرآیندهای زرین هستند:

علاوه بر آن ساخت و نگهداری شتاب دهنده آسان و کم هزینه است. در ضمن می توان این سیستم های مولد را در ابعاد و مقیاس های مختلف ساخت به عنوان مثال یک شتاب دهنده خطی که طول آن ۱۰۰ متر و ولتاژ آن ۱۰ میلیون ولت است که قادر است انرژی معادل یک گیگا (Gev) الکترون ولت تولید کند. این انرژی معادل است با انرژی ۲۶ میلیون کیلووات ساعت در هر ثانیه. اگر تنها موفق شویم ۵۰ درصد انرژی این شتاب دهنده را استفاده کنیم این شتاب دهنده قادر است معادل ۲۰ هزار نیروگاه اتمی در مقیاس نیروگاه اتمی هزار مگاواتی نیروگاه بوشهر تولید انرژی کند. یعنی قادر خواهد بود ۲۰ میلیون مگاوات انرژی الکتریکی تولید کند.

علاوه بر آن از حرارت و گرمای تولیدی این دستگاه می توان برای بخار کردن آب دریا و تولید آب شیرین استفاده کرد. محاسبات نشان می دهد که این سیستم قادر خواهد بود در سال معادل بارندگی سالیانه کشور آب شیرین تولید کند، بدون اینکه هوا را آلوده کند یا مشکلاتی از قبیل زباله های هسته ای یا پس مانده و آلودگی ایجاد کند، در واقع یکی از بهترین منابع انرژی خواهد بود. سوخت مصرفی این دستگاه تنها چند گرم هیدروژن معمولی است انرژی تولیدی از یک دستگاه شتاب دهنده یک گیگا الکترون ولت (Gev) برابر است با انرژی حاصل از سوختن ۰۰۰/۵۰۰/۲ لیتر بنزین خواهد بود. بنابراین اگر به مدت یک سال کار کند معادل انرژی ۵۰۰ میلیارد بشکه نفت انرژی تولید می کند.