آزمایش فراموش شده سال ۱۹۳۸ می‌تواند دری به سوی رونق همجوشی هسته‌ای بگشاید

ایالات متحده و چین تلاش‌های جهانی را برای تجاری‌سازی همجوشی هسته‌ای هدایت می‌کنند و پروژه‌های میلیارد دلاری با هدف دستیابی به انرژی خالص مثبت را در دست اجرا دارند.

دانشمندان لس آلاموس با موفقیت آزمایش سال ۱۹۳۸ را بازسازی کردند و به همجوشی دوتریوم-تریتیوم در سطوح انرژی بسیار پایین‌تر از آزمایش‌های مدرن در مقیاس بزرگ دست یافتند، این پیشرفت می‌تواند موانع تحقیقات همجوشی را کاهش دهد و آزمایشگاه‌های کوچک‌تر و شرکت‌های خصوصی را قادر سازد تا وارد این حوزه شوند.

فیزیکدانان بینش‌های همجوشی DT از یک آزمایش در سال ۱۹۳۸ را تأیید می‌کنند و این یافته‌ها نظریه گذشته را با تلاش‌های همجوشی فعلی مرتبط می‌کند.

همجوشی هسته‌ای می‌تواند یک گلوله نقره‌ای برای انرژی پاک تقریباً بی‌نهایت باشد، اگر دانشمندان بتوانند بفهمند که چگونه آن را از نظر تجاری قابل اجرا کنند... با کپی کردن فرآیندی که خورشید ما را در اینجا روی زمین تغذیه می‌کند، می‌توانیم تولید انرژی فوق‌العاده قدرتمندی را بدون هیچ یک از خطرات زباله‌های رادیواکتیو مرتبط با شکافت هسته‌ای آزاد کنیم.

با توجه به پتانسیل عظیم آن، یک مسابقه جهانی پرمخاطره برای گشودن علمی وجود دارد که به ما امکان می‌دهد این فناوری نوپا و آزمایشگاهی را به واقعیت تجاری تبدیل کنیم.

در حال حاضر، چین و ایالات متحده در حال پیشروی به سمت دستیابی به همجوشی هسته‌ای تجاری هستند و این دو ابرقدرت در سال‌های اخیر بر سر رشته‌ای از پیشرفت‌های سریع و شتابنده با یکدیگر معامله کرده‌اند.

در سال ۲۰۲۲، دانشمندان در مرکز ملی احتراق (NIF) در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در کالیفرنیا از لیزرها برای غلبه نهایی بر مهم‌ترین مانع همجوشی هسته‌ای استفاده کردند: ایجاد انرژی مثبت خالص و در اوایل سال جاری، دانشمندان اعلام کردند که توکامک ابررسانای پیشرفته تجربی چین (EAST) به دمای پایدار ۱۰۰ میلیون درجه سانتیگراد دست یافت و رکوردهای قبلی را شکست.

اما در حالی که فناوری همجوشی در حال پیشرفت است، ما هنوز راه درازی تا توسعه فناوری همجوشی با هر نوع پتانسیل در دنیای واقعی داریم و روند پیشرفت بسیار کند و بسیار پرهزینه بوده است.

آزمایش با همجوشی هسته‌ای یک تلاش بسیار گران و از نظر فناوری پیچیده است... برای دستیابی به همجوشی بالقوه تجاری در مرحله فعلی توسعه تحقیقات، راکتورها باید عظیم باشند و به مقادیر زیادی مواد پرهزینه نیاز دارند.

به علاوه، آنها به تعداد زیادی نفر-ساعت از برخی از نخبه‌ترین دانشمندان جهان نیاز دارند و. به دلیل این موانع قابل توجه برای ورود، اکثر آزمایش‌های همجوشی هسته‌ای، پروژه‌های عظیم دولتی هستند.

ITER، یک پروژه همجوشی بین دولتی که در جنوب فرانسه مستقر است، انتظار دارد تا سال ۲۰۳۶، پس از سرمایه‌گذاری که مقامات تخمین می‌زنند ۲۲ میلیارد دلار باشد، به انرژی خالص مثبت در راکتور توکامک عظیم خود برسد.

اما وزارت انرژی ایالات متحده، یکی از تأمین‌کنندگان مالی ITER، تخمین می‌زند که قیمت واقعی ممکن است به ۶۵ میلیارد دلار نزدیک‌تر باشد و منتقدان این سوال را مطرح کرده‌اند که آیا ITER ممکن است گران‌ترین قمار علمی جهان باشد یا خیر.

اما یک پیشرفت جدید (و همزمان بسیار قدیمی) در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس می‌تواند آزمایش‌های همجوشی را در مقیاسی بسیار کوچک‌تر و قابل دسترس‌تر و عملی کند.

تیم محققان آزمایشگاه نیومکزیکو با موفقیت آزمایشی را که در سال ۱۹۳۸ انجام شده را بازسازی کردند که اولین مشاهده ثبت شده از همجوشی دوتریوم-تریتیوم (DT) را با سطوح انرژی بسیار پایین‌تر از آنچه در آزمایش‌های امروزی استفاده می‌شود، به دست آورد.

محققان از پایین‌ترین تنظیمات روی شتاب‌دهنده‌ی Tandem آزمایشگاه برای هدایت یک پرتو دوترون ۳.۵ میلی‌متری به سمت هدفی از اسید فسفریک دوتره استفاده کردند.

برخلاف آزمایش‌های همجوشی مانند تلاش‌های همجوشی محصورسازی اینرسی در تأسیسات ملی احتراق، ما توانستیم برای اولین بار در یک تأسیسات فیزیک هسته‌ای کم‌انرژی، یک آزمایش همجوشی DT را به عنوان یک واکنش ثانویه پس از برهمکنش اولیه‌ی دوتریوم-دوتریوم که تریتیوم را فراهم می‌کند، انجام دهیم.

ورنر تورنو، فیزیکدانی از دانشگاه دوک، گفت: این کار به پاسخ برخی از سوالات جذاب در مورد تاریخ فیزیک کمک می‌کند، اما همچنین در گسترش توانایی ما برای کار با همجوشی DT در یک محیط به مراتب چالش‌برانگیزتر نیز تأثیرگذار است.

این کشف مجدد و تأیید نظریه علمی بنیادی همجوشی هسته‌ای می‌تواند نه تنها برای درک تاریخی همجوشی هسته‌ای، بلکه برای آزمایش‌های مدرن نیز پیامدهایی داشته باشد.

به گزارش یاهو! نیوز: برخلاف آزمایش‌های همجوشی پیچیده‌تر و پرانرژی‌تر مانند آزمایش‌های مرکز ملی احتراق، این آزمایش در سطح انرژی بسیار پایین‌تری انجام شد و این امر آن را به یک تغییر دهنده بازی برای آزمایشگاه‌های کوچک‌تر تبدیل می‌کند و دری را به روی آزمایش‌های همجوشی قابل دسترس‌تر می‌گشاید.

چنین پیشرفتی می‌تواند با کاهش موانع ورود و ایجاد یک میدان رقابت رقابتی‌تر، آزمایش‌های همجوشی را متحول کند، در حالی که شرکت‌های خصوصی از قبل به تحقیق و توسعه همجوشی علاقه‌مندتر شده و سرمایه‌گذاری کرده‌اند، توانایی آزمایش در مقیاس کوچک‌تر می‌تواند بازیگران بخش خصوصی بیشتری را به میدان بیاورد.

تیمی در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس با موفقیت یک آزمایش فیزیکی مهم اما تا حد زیادی نادیده گرفته شده را بازسازی کرده‌اند: اولین مشاهده ثبت شده از همجوشی دوتریوم-تریتیوم (DT). نسخه به‌روز شده آنها از آزمایش سال ۱۹۳۸، که اخیراً در Physical Review C به تفصیل شرح داده شده است، نقش محوری آرتور روهلیگ، فیزیکدان دانشگاه میشیگان را مجدداً تأیید می‌کند.

کار اولیه روهلیگ احتمالاً پایه و اساس یک فرآیند همجوشی را بنا نهاد که همچنان بر توسعه انرژی هسته‌ای و برنامه‌های امنیت ملی آمریکا تأثیر می‌گذارد.

مارک چادویک، مدیر آزمایشگاه علوم، محاسبات و نظریه در لوس آلاموس، توضیح داد: بینش کلیدی روهلیگ این بود که همجوشی DT با احتمال بسیار بالا زمانی رخ می‌دهد که دوتریوم و تریتیوم در مجاورت هم قرار گیرند.

با تکرار آزمایش او، ما توانستیم نتیجه‌گیری‌های اولیه او را دوباره بررسی کنیم و از میزان دقت آنها قدردانی کنیم... شهود او تأثیر ماندگاری بر جهت‌گیری تحقیقات سوخت هسته‌ای داشت.

واکنش همجوشی DT همچنان برای پیشرفت فناوری‌های مبتنی بر همجوشی، از جمله نقش حیاتی آن در کاربردهای دفاعی و راه‌حل‌های انرژی پاک آینده، اساسی است و این واکنش اساس پروژه‌هایی مانند پروژه‌های مرکز ملی احتراق را تشکیل می‌دهد، جایی که محققان برای دستیابی به همجوشی کنترل‌شده تلاش می‌کنند.

دانشمندان لوس آلاموس با انگیزه این فرضیه که ممکن است روهلیگ منشأ این مفهوم باشد، آزمایشی را برای آزمایش دقیق و اعتبارسنجی اهمیت کار اولیه او طراحی کردند.

ردیابی منشأ همجوشی DT

در سال 2023، مارک چادویک و همکارانش، از جمله مارک پاریس، فیزیکدان نظری، در حال تدوین تاریخچه مفصلی از تحقیقات اولیه همجوشی بودند و نکته قابل توجه در این جدول زمانی، پیشنهادی است که توسط فیزیکدان امیل کونوپینسکی در کنفرانس فیزیک ژوئیه 1942 در برکلی، به رهبری جی. رابرت اوپنهایمر، که بعداً پروژه منهتن را هدایت کرد، ارائه شد.

در آن جلسه، کونوپینسکی پیشنهاد کرد که در میان چندین واکنش همجوشی ممکن، همجوشی دوتریوم-تریتیوم (DT) نوید خاصی برای استفاده در رابطه با سلاح‌های مبتنی بر شکافت هسته‌ای دارد.

چادویک و تیم لس آلاموس او که کنجکاو بودند بدانند کونوپینسکی چگونه در اوایل پروژه - تنها چند ماه پس از آغاز رسمی پروژه منهتن - به این نتیجه رسیده است، شروع به تحقیق کردند و انتخاب همجوشی DT به عنوان مناسب‌ترین گزینه در میان بسیاری از واکنش‌های بالقوه، تصمیمی محوری و هوشمندانه بود.

یک شب، هنگام جستجو در بایگانی‌های مرکز تحقیقات امنیت ملی، چادویک یک فایل صوتی مربوط به سال ۱۹۸۶ از کونوپینسکی را کشف کرد که در آن در مورد منطق خود برای دنبال کردن همجوشی DT صحبت می‌کرد، (این فایل صوتی از آن زمان در یوتیوب به اشتراک گذاشته شده است) در این فایل صوتی، کونوپینسکی به روزهای اولیه تحقیقات هسته‌ای می‌پردازد و بارها علاقه خود به همجوشی DT را به آنچه که او مطالعات پیش از جنگ می‌نامید، نسبت می‌دهد.

تریتیوم، یکی از اجزای کلیدی در همجوشی هسته‌ای، اولین بار در سال ۱۹۳۴ توسط یک تیم تحقیقاتی به رهبری فیزیکدان تجربی ارنست رادرفورد کشف شد، رادرفورد یکی از چهره‌های اصلی در نظریه اتمی اولیه بود که با نیلز بور همکاری داشت و در کشف نوترون، جیمز چادویک را سرپرستی می‌کرد.

از سالی که تریتیوم کشف شد، پاریس نشریات فیزیک را بررسی کرد و سرانجام نامه‌ای در سال ۱۹۳۸ به سردبیر مجله فیزیکال ریویو پیدا کرد که صرفاً توسط آرتور روهلیگ نوشته شده بود، این نامه یک آزمایش پرتو گاما را شرح می‌داد و به چیز دیگری اشاره می‌کرد.

در این آزمایش، روهلیگ با شلیک پرتویی از دوترون‌ها به دوتریوم و تجزیه و تحلیل انتشار پرتو گامای حاصل، واکنش‌های دوتریوم روی دوتریوم را بررسی کرد. (دوترون هسته اتم دوتریوم است که از یک پروتون و یک نوترون تشکیل شده است)

روهلیگ در توضیحی کوتاه اما جذاب در پاراگراف پایانی نامه، از شناسایی پروتون‌های پرانرژی خبر داد که به اعتقاد او از برهمکنش‌های ثانویه سرچشمه گرفته‌اند، او نتیجه گرفت که این موارد ناشی از نوترون‌های حاصل از همجوشی تریتیوم-دوتریوم است که پروتون‌ها را از یک فیلم نازک سلفون که درون یک محفظه ابر قرار داده شده است، پراکنده می‌کنند.

روهلیگ به عنوان بخشی از استدلال خود به یک بحث خصوصی با فیزیکدان هانس بته اشاره کرد، او نتیجه گرفت که همجوشی DT باید بسیار محتمل باشد و تخمین زد که از هر 1000 پروتون پرانرژی، حدود یک پروتون از چنین واکنش‌هایی حاصل می‌شود.

و در اینجا موضوع به پایان رسید؛ مقاله روهلیگ به ندرت مورد استناد قرار می‌گرفت و معدود استنادها عمدتاً مربوط به مسائل پرتو گاما بود، اما به نظر می‌رسد کونوپینسکی این کار را به خاطر داشته است.

پاریس و چادویک قطعات پازل را کنار هم گذاشتند: اتفاقاً، روهلیگ و کونوپینسکی هر دو دانشجوی دانشگاه میشیگان بودند و در دهه 1930 در مطالعات دکترای خود با هم همپوشانی داشتند.

ریچارد کرین، استاد راهنمای پایان‌نامه‌ی روهلیگ، همکار بته بود و کونوپینسکی در یک بورسیه‌ی تحقیقاتی تحت نظارت بته خدمت می‌کرد، آنها همچنین استاد راهنمای مشترکی در دانشگاه میشیگان، جورج اولنبک، فیزیکدان و کاشف اسپین الکترون، داشتند و اگرچه مقاله‌ی روهلیگ اغلب مورد استناد قرار نمی‌گرفت، اما این لزوماً به معنای ناشناخته بودن آن نیست - این مجله بخشی از مطالعه‌ی منظم بسیاری از فیزیکدانان بوده است.

پاریس گفت: شواهدی که کونوپینسکی پیشنهاد روهلیگ در مورد احتمال همجوشی DT را تفسیر و به طور ضمنی پذیرفته است، اما با این وجود ما باید بپرسیم که روهلیگ واقعاً چه چیزی را مشاهده کرد؟ آیا نتیجه‌گیری‌های او با آنچه که ما با یک رویکرد محاسباتی و درک مقاطع عرضی مدرن به آن می‌رسیم، سازگار است؟ در نهایت، راه پاسخ به این سؤالات باقی‌مانده، تکرار آزمایش است.

چادویک مقاله روهلیگ و نظریه‌های آنها در مورد نقش آزمایش سال ۱۹۳۸ در توسعه همجوشی هسته‌ای را به مدیر آزمایشگاه، تام میسون، ارجاع داد و میسون اصرار داشت که تیم برای اعتبارسنجی نتایج خود، یک آزمایش - نه فقط یک شبیه‌سازی - انجام دهد.

تکرار آزمایش

این تیم با فیزیکدانان تجربی دانشگاه دوک، مستقر در آزمایشگاه هسته‌ای دانشگاه‌های تری‌انگل در کارولینای شمالی، همکاری کرد تا کار روهلیگ را با یک کپی مدرن و دقیق از آزمایش اصلی تکرار کند، این بازتولید با تجزیه و تحلیل نظری و محاسباتی همراه خواهد بود.

این تیم از شتاب‌دهنده Tandem آزمایشگاه با کمترین توان عملیاتی خود استفاده کرد و یک پرتو دوترون ۳.۵ میلی‌متری تولید کرد، آنها آن پرتو را با یک فویل نازک از آلیاژ کبالت بین خلاء شتاب‌دهنده و هدف جفت کردند که به طور مؤثر پرتو ۵۰۰ کیلوالکترون‌ولتی روهلیگ را به بهترین شکل ممکن کپی می‌کرد.

همانند سال ۱۹۳۸، پرتو به سمت هدفی از اسید فسفریک دوتره هدایت شد و یک آشکارساز نوترونی جرقه‌زن مایع، نوترون‌های مورد نظر را برای سنجش واکنش‌های ثانویه ردیابی می‌کرد.

ورنر تورنو، فیزیکدان دانشگاه دوک برای آزمایشگاه هسته‌ای دانشگاه‌های تری‌انگل، گفت: برخلاف آزمایش‌های همجوشی مانند تلاش‌های همجوشی محصورسازی اینرسی در تأسیسات ملی احتراق، ما توانستیم برای اولین بار در یک تأسیسات فیزیک هسته‌ای کم‌انرژی، یک آزمایش همجوشی DT را به عنوان یک واکنش ثانویه پس از برهمکنش اولیه دوتریوم-دوتریوم که تریتیوم را فراهم می‌کند، انجام دهیم.

این کار به پاسخ به برخی از سوالات جذاب در مورد تاریخ فیزیک کمک می‌کند، اما همچنین در گسترش توانایی ما برای کار با همجوشی DT در یک محیط به طور قابل توجهی چالش برانگیزتر نیز تأثیرگذار است.

تأیید مشاهدات اساسی روهلیگ

آزمایش مدرن در تجزیه و تحلیل نتایج خود، واکنش‌های DT ثانویه را مشاهده کرد، اگرچه همچنین نشان می‌دهد که روهلیگ نسبتی را که در آن تولید نوترون اضافی، محصولات همجوشی، را مشاهده می‌کرد، بیش از حد تخمین زده است؛ محققان نسبت بسیار کمتری را شناسایی کردند.

با این حال، از آنجایی که نامه روهلیگ در سال ۱۹۳۸ که آزمایش را شرح می‌دهد، تنها جزئیات پراکنده‌ای در مورد چگونگی رسیدن او به این تصمیم ارائه می‌دهد، در نهایت سنجش قطعی دقت فیزیکدان میشیگان در برابر نتایج مدرن دشوار است.

مقدار محاسبه شده تیم با استفاده از روش‌های مدرن با مقدار اندازه‌گیری شده از آزمایش تکرار شده مطابقت داشت.

نکته مهم این است که اندازه‌گیری‌های حاصل از تکنیک‌های تجربی به کار رفته توسط روهلیگ و آزمایش مجدد توسط محققان آزمایشگاه هسته‌ای دانشگاه‌های لس‌آلاموس و تری‌انگل، می‌توانند در تلاش‌های همجوشی فعال مانند NIF اعمال شوند.

چادویک گفت: صرف نظر از تناقض نرخ همجوشی روهلیگ با درک مدرن ما، تکرار ما شکی باقی نمی‌گذارد که او حداقل از نظر کیفی درست می‌گفت وقتی که گفت همجوشی DT بسیار محتمل است.

مشاهده تصادفی روهلیگ از همجوشی DT، همراه با اندازه‌گیری‌های بعدی سطح مقطع پروژه منهتن، به کاربرد صلح‌آمیز همجوشی DT در توکامک‌های متمرکز بر پروژه‌های انرژی و در آزمایش‌های همجوشی محصورسازی اینرسی مانند NIF کمک کرد.

فکر می‌کنم همه ما مفتخریم که آرتور روهلیگ را دوباره به عنوان یک مشارکت‌کننده مهم در تحقیقات حیاتی و در حال انجام، از تاریخ بلند کنیم.

منابع:

• نسخه مدرن آزمایش بدون استناد سال ۱۹۳۸ که برای اولین بار همجوشی DT را مشاهده کرد» نوشته دبلیو. تورنو، اس. دبلیو. فینچ، جی. بی. ویلهلمی، ام. بی. چادویک، جی. ام. هیل، جی. پی. لستون و ام. دبلیو. پاریس، ۲۰ ژوئن ۲۰۲۵، Physical Review C.

• جزئیات گمشده در تاریخ همجوشی D-T» نوشته مارک دبلیو. پاریس و مارک بی. چادویک، ۱ اکتبر ۲۰۲۳، Physics Today.

• پیشرفت‌های اولیه‌ی سطح مقطع همجوشی هسته‌ای ۱۹۳۴-۱۹۵۲ و مقایسه با داده‌های ENDF امروزی نوشته‌ی ام. بی. چادویک، ام. دبلیو. پاریس، جی. ام. هیل، جی. پی. لستون، اس. الحمیدی، جی. بی. ویلهلمی و ان. ای. گیبسون، ۱۷ آوریل ۲۰۲۴، علوم و فناوری همجوشی.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.