شتاب دهنده ذرات

سوخت های فسیلی عبارتند از: نفت، گاز و ذغال سنگ كه با اكسیژن هوا تركیب می شوند و ایجاد انرژی به شكل حرارت می كنند. این سوخت ها در مقایسه با سوخت های دیگر، انرژی كمتری تولید می كنند. مثلاً یك كیلوگرم زغال سنگ حدود ۸ كیلووات ساعت انرژی تولید می كند و یك كیلوگرم نفت حدود ۱۲ كیلووات ساعت انرژی تولید می كنند. این سوخت ها آلوده كننده محیط زیست نیز هستند.
به علاوه جزء ذخایر غیرقابل تجدید بوده و دارای مشكلات زیادی در حمل و نقل ایمنی نیز هستند. مانند گازگرفتگی (خفگی) یا تولید گاز سمی منوكسید كربن. 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 سبك لیتیوم. این سوخت ها در مقایسه با سوخت های دسته اول دارای امتیازات مثبت و منفی هستند. اول اینكه در این سوخت ها بعضی ایزوتوپ ها توانایی تولید انرژی به وسیله تكنولوژی فعلی بشر را دارد؛ مانند ایزوتوپ های كمیاب اورانیوم ۲۳۵ یا پلوتونیوم ۲۳۹ یا اورانیوم ۲۳۳ كه به این ایزوتوپ ها شكاف پذیر می گویند. امتیازات اینها عبارتند از تولید مقادیر زیادی انرژی به وسیله حجم كم ماده سوختنی. مثلاً از یك كیلوگرم اورانیوم ۲۳۵یا پلوتونیوم ۲۳۹ می توان مقدار ۲۳میلیون كیلووات ساعت گرما ایجاد كرد، اما مشكلاتی نیز دارند؛ از آن جمله این كه: غنی سازی و تولید این ایزوتوپ ها مشكلات و هزینه زیادی دارند. دوم اینكه، این سوخت های هسته ای سنگین پس از تولید انرژی مقادیر زیادی ایزوتوپ های پرتوزا از خود به جای می گذارند كه به زباله های هسته ای موسوم است.این زباله ها برای محیط زیست و سلامت افراد خطرناك هستند و باید برای صدها سال در انبار های محكم نگهداری شوند تا رادیواكتیو آن از بین برود. دسته دیگر از سوخت های هسته ای شامل عناصر سبك مانند دوتریوم یا تریتیوم یا لیتیوم هستند كه قرار است در راكتور های گداخت یا همجوش هسته ای، تولید انرژی كنند. البته تاكنون از اینها در بمب های هیدروژنی بهره برداری نظامی و تسلیحاتی می شد، اما برای تولید انرژی برای مصارف صلح آمیز تكنولوژی راكتور های گداخت باید تكمیل شود، این سوخت ها معایب و مزایای فراوانی دارند. اول تولید نوترون و تشعشعات نوترونی می كنند كه باید در راكتور های همجوشی هسته ای به نحوی جذب و كنترل شوند دوم اینكه تریتیوم نباید از راكتور نشت كند زیرا یك ایزوتوپ رادیواكتیو است. مزایای این سوخت ها عبارت از این است كه فراوان در دسترس هستند و دوم اینكه تولید انرژی زیادتری نسبت به اورانیوم یا پلوتونیوم می كنند. مثلاً انرژی حاصل از گداخت هیدروژن به هلیوم مساوی است با ۱۷۷میلیون كیلووات ساعت در صورتی كه انرژی حاصل از اورانیوم برابر است با ۰۰۰/۰۰۰/۲۳ كیلووات ساعت. بنابراین یك كیلوگرم هیدروژن حدود ۸ برابر یك كیلوگرم اورانیوم تولید انرژی می كند.
انواع دیگر انرژی عبارتند از: انرژی خورشیدی، انرژی باد، انرژی زمین گرمایی و انرژی بیوگاز، كه مشكل بزرگ این انرژی تجدیدپذیر این است كه بازده انرژی پایینی دارد و دوم اینكه دائمی نیستند و سوم اینكه تكنولوژی بشر برای استفاده مقیاس زیادی از اینها تكمیل نیافته است. ما در این مقاله سعی می كنیم جدیدترین طرح تولید انرژی كه شاید یكی از منابع انرژی قرن ۲۱ باشد را معرفی كنیم. این طرح تولید انرژی عبارت از شتاب دهنده ذرات اتمی برای تولید انرژی زیاد، عملكرد این سیستم و دستگاه براساس استفاده از میدان های الكتریكی و مغناطیسی برای شتاب دادن و كنترل ذرات باردار الكتریكی تا مرز سرعت نور است. این سیستم ها قادر هستند سرعت الكترون 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. یك مثال نشان دهنده این مطلب است، به عنوان مثال شتاب دهنده پروتون در آزمایشگاه فرمی آمریكا قادر است ذرات پروتون را تا یك تریلیون الكترون ولت (Tev) شتاب دهد.
اگر ما به وسیله این شتاب دهنده پروتون های یك گرم هیدورژن معمولی كه در آب زیاد است را تزریق كنیم و شتاب دهیم انرژی پروتون ها برابر خواهد بود با انرژی ۲۶ میلیارد كیلووات ساعت انرژی، كه مساوی است با انرژی تولید شده به وسیله شكافت حدود ۱۲۰۰ كیلوگرم اورانیوم یا ۱۵ میلیون بشكه نفت. همه این انرژی عظیم و غیرقابل باور فقط به وسیله شتاب دادن پروتون های یك گرم هیدروژن تا سطح انرژی یك تریلیون الكترون ولت است. پس با این محاسبات دانستیم كه شتاب دهنده ها دارای چه قدرت عظیمی هستند.
شتاب دهنده ها به چند دسته كلی تقسیم بندی می شوند: ۱_ شتاب دهنده های خطی، ۲ _ شتاب دهنده های مداری، ۳ _ شتاب دهنده سیلكووترون. علاوه بر آن ساخت و نگهداری شتاب دهنده آسان و كم هزینه است. در ضمن می توان این سیستم های مولد را در ابعاد و مقیاس های مختلف ساخت. به عنوان مثال یك شتاب دهنده خطی كه طول آن ۱۰۰ متر و ولتاژ آن ۱۰ میلیون ولت است كه قادر است انرژی معادل یك گیگا (Gev) الكترون ولت تولید كند. این انرژی معادل است با انرژی ۲۶ میلیون كیلووات ساعت در هر ثانیه. اگر تنها موفق شویم ۵۰ درصد انرژی این شتاب دهنده را استفاده كنیم این شتاب دهنده قادر است معادل ۲۰ هزار نیروگاه اتمی در مقیاس نیروگاه اتمی هزار مگاواتی نیروگاه بوشهر تولید انرژی كند. یعنی قادر خواهد بود ۲۰ میلیون مگاوات انرژی الكتریكی تولید كند.علاوه بر آن از حرارت و گرمای تولیدی این دستگاه می توان برای بخار كردن آب دریا و تولید آب شیرین استفاده كرد. محاسبات نشان می دهد كه این سیستم قادر خواهد بود در سال معادل بارندگی سالیانه كشور آب شیرین تولید كند، بدون اینكه هوا را آلوده كند یا مشكلاتی از قبیل زباله های هسته ای یا پس مانده و آلودگی ایجاد كند، در واقع یكی از بهترین منابع انرژی خواهد بود. سوخت مصرفی این دستگاه تنها چند گرم هیدروژن معمولی است انرژی تولیدی از یك دستگاه شتاب دهنده یك گیگا الكترون ولت (Gev) برابر است با انرژی حاصل از سوختن ۰۰۰/۵۰۰/۲ لیتر بنزین خواهد بود. بنابراین اگر به مدت یك سال كار كند معادل انرژی ۵۰۰ میلیارد بشكه نفت انرژی تولید می كند.
ارزش اقتصادی این مقدار انرژی كه ۲ برابر انرژی ذخایر نفت عربستان سعودی است با احتساب قیمت هر بشكه نفت بر مبنای ۲۰ دلار برابر است با ۱۰تریلیون دلار. در صورتی كه ما از این سیستم شتاب دهنده استفاده كنیم 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 كم بوده است. ۳_ هیچ گونه زباله یا آلودگی محیطی تولید نمی كند. 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.
در حوزه ذرات
۱) الكترون ولت: واحد انرژی است و برابر انرژی یك الكترون یا پروتون است. وقتی از اختلاف پتانسیل یك ولت عبور كند برابر است با
۱۰- ۱۹ × ۱/۶ ژول
۲) یك گرم هیدروژن ۱۰۲۳ × ۶/۰۲ اتم بوده كه به آن یك اتم گرم یا یك مول هیدروژن گویند.
اگر این مقدار هیدروژن از شتاب دهنده یك (Gev) عبور كند معادل انرژی آن برابر خواهد بود:
ژول ۱۰۱۳ × ۹/۶ = ۱۰۹ × ۱ × ۱۰۲۳ × ۶/۰۲ × ۱۰- ۱۹× ۱/۶
یك كیلووات ساعت برابر است با ۰۰۰/۶۰۰/۳ ژول. بنابراین انرژی آن برابر است با۲۶ کیلو وات ساعت.
۱۰۱۳ × ۹/۶ ژول تقسیم بر ۰۰۰/۶۰۰/۳ مساوی ۱۰۵ × ۲۶
«قانون بقای انرژی» سابقه ای چند صد ساله در علم دارد و حتی صورت مدرن آن یعنی «قانون اول ترمودینامیك» نیز به زودی دویست ساله خواهد شد. این قانون به قدری منطقی و پایه ای است كه در سال های اول دبیرستان نیز تدریس می شود. قانون بقای انرژی (یا جرم و انرژی) بر این نكته تأكید دارد كه انرژی به وجود نمی آید، از بین نمی رود و تنها از صورتی به صورت دیگر تبدیل می شود. از مثالهای مقاله یاد شده برای درك این مفهوم كمك می گیرم. انرژی ناشی از سوزاندن سوخت های فسیلی، میلیون ها سال پیش به صورت پیوند های شیمیایی در آنها ذخیره شده است و فرآیند سوختن باعث آزاد شدن این انرژی می شود. سوخت های اتمی شكافتی (مانند اورانیوم) نیز انرژی خود را میلیارد ها سال پیش در فرآیند های درونی یك ستاره به دست آورده اند. سوخت های اتمی جوشی (مانند جوش هیدروژن) نیز از این ایده استفاده می كنند كه با تركیب چند هسته، هسته ای با سطح انرژی پایین تر بسازند. مانند آجری كه از یك بلندی به زمین می افتد و انرژی خود را آزاد می كند. بازار ساخت «ماشین های كار دایم نوع اول» در قرن های ۱۸و ۱۹ بسیار داغ بود. این ماشین ها، ماشین هایی هستند كه با نقض قانون اول ترمودینامیك (ماشین های كار دایم نوع دوم، قانون دوم را نقض می كنند) انرژی را از هیچ تولید می كنند. اما متاسفانه این ماشین ها یا كار نمی كردند یا به صورت پنهان، انرژی را از منبع دیگری دریافت می كردند. توجه كنید كه تولید انرژی از هیچ اشكال دارد وگرنه تولید انرژی از منابع ذخیره شده، مخالف قانون اول نیست. لازم به ذكر است كه قانون بقای انرژی عمیقاً در تاروپود نظریه های مختلف فیزیك در شاخه های متفاوت جای گرفته است و بار ها درستی خود را نشان داده است. هر چند اگر دلایل بسیار قوی برای غلط بودن آن یافت شود، فیزیكدان ها آمادگی بازنگری اصولی در نظریه ها را دارند همان گونه كه قبلاً نیز چنین انقلاب هایی رخ داده است.شتاب دهنده ذرات، وسایلی هستند كه فیزیكدان ها با كمك آنها و با استفاده از جدیدترین تكنولوژی ها در یكی از مرز های علم مشغول به كار و تحقیق هستند. این وسیله ها به طور كلی وسایلی هستند كه با استفاده از میدان های الكتریكی و مغناطیسی (الكترو مغناطیسی) به ذرات بنیادی شتاب می دهند تا سرعت قابل توجهی پیدا كنند. در شتاب دهنده های بزرگ (تحقیقاتی) این ذرات سریع با هم برخورد داده می شوند تا راجع به ساختار آنها و نیرو های درگیر در این فرآیند و حتی ذرات بنیادی جدید اطلاعاتی به دست آید. در شتاب دهنده های كوچك (بیمارستانی) هم از آنها برای عكسبرداری دقیق استفاده می شود. در درس فیزیك عمومی (كه همه دانشجویان رشته های مهندسی و علوم موظف به گذراندن آن هستند) توضیحات پایه ای و نسبتاً كاملی در مورد شتاب دهنده ها (و منبع انرژی آنها) آمده است.كلید فهم این كه چرا شتاب دهنده ها منبع انرژی نیستند، در این نكته نهفته است كه اختلاف پتانسیل موجود در آنها توسط مدار های الكتریكی عظیم و بسیار گران قیمت تولید می شود. هزینه و مصرف انرژی هر بار شتاب دادن ذرات، به قدری بالاست كه از ساكنین شهر های اطراف شتاب دهنده های تحقیقاتی در هنگام كار آنها (شتاب دهنده ها تنها كسر كوچكی از روز را روشن هستند) درخواست می شود كه در مصرف برق صرفه جویی كنند یا حتی برای مدتی خاموشی برق داشته باشند، به عبارت دیگر میدان الكتریكی (یا اختلاف پتانسیل) درون شتاب دهنده خود به خود وجود ندارد، بلكه تولید می شود و انرژی لازم برای تولید آن بسیار بسیار بیشتر از انرژی ای است كه توسط ذرات داخل آن جذب می شود. پس طبیعی است كه انرژی ای كه از ذراتی كه داخل شتاب دهنده ها شتاب داده می شوند، استخراج می شود نمی تواند یك منبع انرژی باشد زیرا قبلاً خودمان به آن مقادیر قابل توجهی انرژی تزریق كرده ایم. حتی برای ذخیره انرژی نیز مناسب نیست، زیرا تنها كسر كوچكی از انژری توسط ذرات جذب می شود.ذكر چند نكته دیگر نیز ضروری است. نخست آنكه هزینه ساخت شتاب دهنده برخلاف تصور اصلاً كم نیست. «سرن» شتاب دهنده معروف اروپایی (كه چند فیزیكدان معتبر ایرانی در آن مشغول به كار هستند یا بوده اند) كه در حال حاضر، مرحله تبدیل و ارتقا (نه ساخت) را طی می كند، بودجه ای چند میلیارد یورویی از كمیسیون اروپا دریافت كرده است و دولت آمریكا برای پر كردن گودالی كه برای ساخت یك شتاب دهنده، كنده بودند ولی بعد از ساخت آن منصرف شدند، چند صد میلیون دلار هزینه كرد.دیگر آن كه شتاب دهنده ها معمولاً با تعداد كمی ذره سر و كار دارند. زیرا علاوه بر هزینه بالا، پیگیری مسیر ذرات كه هدف اصلی فیزیكدان هاست با تعداد زیادی ذره غیرممكن می شود. بنابراین تصور ورود یك گرم (۱۰۲۳ ×۰۲/۶) هیدروژن به شتاب دهنده بسیار دور از واقعیت است. سوم اینكه واحد ev و ضرایب آن مانند Mev (هزار) و Gev (میلیون) به معنی انرژی آزاد شده توسط الكترون (یا هر ذره ای با همان بار الكتریكی) در یك جابه جایی یك ولتی است كه ربطی به مسیر و طول مسیر این جابه جایی ندارد. مثلاً اگر یك الكترون از قطب منفی یك باتری ۵/۱ ولتی معمولی به قطب مثبت آن برود (از هر مسیر دلبخواه) به اندازه ev برابر با ۵/۱ برابر با ۲/۴ × ۱۰-۱۹ ژول انرژی آزاد خواهد شد. (مثلاً در یك لامپ) و همان طور كه می دانیم طول سیم ها در روشنایی لامپ تأثیری نخواهد داشت (به شرط اینكه مقاومت سیم ها كم باشد كه در غیر این صورت بخشی از انرژی در سیم ها اتلاف می شود). بنابراین اگر یك الكترون در یك شتاب دهنده با اختلاف پتانسیل (ولتاژ) ۱۰ میلیون ولت حرکت كند انرژی آن به اندازه ۱۰میلیون الكترون ولت تغییر خواهد كرد نه آن گونه كه در مقاله ذكر شده یك میلیارد الكترون ولت.

منبع : واحد مرکزی خبر