کاربرد تازه بمب افکن آمریکا که به درد جنگیدن نمی خورد! - وبلاگ دوست

به گزارش وبلاگ دوست، مهندسان در تلاشند تا فناوری بمب افکن شکست خورده هسته ای را که در دهه 1960 کنار گذاشته شد، احیا کنند.

به گزارش خبرآنلاین، طبق برآورد های اجرا شده، جمعیت کره زمین در سال 2040، احتمالا از مرز 9 میلیارد نفر عبور خواهد کرد و این در حالی است که جمعیت کره ما در سال 2016، حدود 7.36 میلیارد نفر برآورد شده بود. در این میان محققان بر این باورند که این رشد جمعیت، به منزله رشد 48 درصدی در مصرف انرژی خواهد بود.

البته سوخت های فسیلی عطش جهان برای تامین انرژی را از بین می برند، ولی مشکل اینجاست که سوزاندن این سوخت ها، باعث تشدید تغییرات اقلیمی و تهدید جان میلیون ها نفر خواهد شد. همین سوخت ها نیز راه چارهی موقتی هستند؛ چرا که طبق برآورد ها ذخایر موجود سوخت های فصلی تا یک الی دو قرن آینده به اتمام خواهند رسید. در همین حال، انرژی های تنوپذیر مثل باد و انرژی خورشیدی، گرچه به نوعی راه چارهی برای حل این مشکل هستند، ولی گزینه های ایده آلی به شمار نمی آیند، مخصوصا اگر جهان بخواهد به ضرب الاجل تعیین شده در توافق نامه پاریس برای سال 2050 متعهد بماند.

کرک سورنسن، مدیر ارشد فناوری استارت آپ انرژی هسته ای Flibe Energy دراین باره گفته: شما باید قادر باشید تا به شیوه قابل اعتمادی انرژی تولید کنید و باید بتوانید طبق نیاز ها این کار را انجام دهید. این کار از عهده باد و خورشید بر نمی آید و هرگز قادر به انجام این کار نخواهید بود.

راکتور های هسته ای با این شرایط مطابقت دارند؛ آن ها در حجمی بالا انرژی تولید کرده و قابل اعتماد هستند و برخلاف تصورات موجود، کربن منتشر نمی کنند و در بین امن ترین منابع انرژی کره زمین قرار دارند. در حال حاضر راکتور های هسته ای، 20% از انرژی آمریکا را تامین می کنند، ولی طبق گزارش آزمایشگاه ملی آیداهو که در سال 2016 منتشر شد، این آمار ممکن است تا سال 2040 با کاهش حدودا پنجاه درصدی روبرو شود؛ چرا که کمپانی ها تدریجا راکتور های قدیمی شان را از رده خارج می کنند.

خوشبختانه حالا یک راه چاره قدرتمند و تقریبا ناشناخته ممکن است به کمک حل این مشکل بیاید: استفاده از هواپیما های دوران جنگ سرد: بمب افکن جت NB-36 H که درحالی که یک راکتور هسته ای را در داخل خود حمل می کردند، بر فراز آسمان دو استان از ایالات متحده آمریکا پرواز کرده بودند. این تلاش، بخشی از برنامه پیشرانه هسته ای هواپیما (ANP) بود که اگرچه در نهایت لغو شد، ولی ANP توانست نوع نوی از نیروگاه به نام راکتور نمک مذاب را تولید کند.

در حال حاضر مهندسانی مثل سورنسن در تلاشند تا راکتور نمک مذاب را که آمریکا در دهه 1970 از استفاده از آن دست کشید، احیا کرده و آن را با توریم مورد بهره برداری قرار دهند.

پرواز با انرژی هسته ای

دولت آمریکا در سال 1946، ANP را به عنوان تلاشی برای توسعه جت بمب افکن هسته ای آغاز کرد. این ابزاری برای دستیابی به یک هدف مرگبار و البته کاربردی بود؛ قابلیت پرواز به مسافت دست کم 25 هزار کیلومتر بدون نیاز به سوختگیری، این جت را تبدیل به گزینه ای ایده آل برای حملات نظامی می کرد. فیزیکدانی به نام آلوین واینبرگ که معروف ترین راکتور هسته ای آب سبک (LWR) را در سال 1945 اختراع کرد، به عنوان مدیر آزمایشگاه ملی ORNL در تنسی مسئولیت این پروژه را برعهده گرفت. البته او قصد نداشت تا LWR را در داخل یک هواپیما به کار بگیرد

راکتور های LWR که امروزه 100% انرژی هسته ای آمریکا را تامین می کنند، برپایه سوخت هسته ای جامد که معمولا حاوی اورانیوم 235 است کار می کنند. اگر این ایزوتوپ شکافت پذیر اورانیوم، مورد اصابت یک نوترون قرار بگیرد، شکافته شده و مقدار زیادی انرژی آزاد کرده و نوترون های بیشتری را به بیرون پرتاب خواهد کرد. این فرآیند شکافت نام دارد. اگر در مکانی سوخت کافی وجود داشته باشد، نوترون های کافی در اطراف به پرواز در می آیند تا یک واکنش زنجیره ای شکافت ادامه پیدا کند.

مشکل اینجاست که سوخت هسته ای جامد بسیار ناکارآمد است. در عمل، LWR تنها درصد کمی از سوخت را قبل از آنکه نیاز به تعویض داشته باشد، مورداستفاده قرار می دهد؛ به همین خاطر هم مواد زاید به آرامی در سوخت انباشت شده، نوترون های بیشتر و بیشتری را جذب کرده و همین فرآیند شکاف را مسموم کرده و با مشکل روبرو می کند.

از همین رو واینبرگ، به فکر توسعه ایده ای افتاد که در زمان کار کردن در پروژه منهتن با آن آشنا شده بود: راکتوری که سوخت خود را از مایعی از نمک مذاب تامین می کند.

راکتور های نمک مذاب، شبیه به هیچ یک از نیروگاه های هسته ای تجاری امروزی نیستند. آن ها به جای استفاده از سوخت هسته ای جامد، سوخت هسته ای را در یک سیال پایدار و شعله ور، حل می کنند. استفاده از سیال، کارآیی فرایند شکافت هسته ای را بالا خواهد برد؛ چرا که محصولات شکافت را به سادگی از جریان فرآیند حذف کرده و در عین حال تقریبا تمام سوخت هسته ای را سوزانده و تولید انرژی را افزایش می دهد.

چنین راکتور هایی اساسا ضدذوب هستند؛ به این دلیل که سوخت آن ها از قبل مذاب شده است. در عین حال نمک برای ذوب شدن به حرارت بیرونی نیاز دارد و سرد کردن آن، باعث جامد شدن و انبساط مواد شده و اتم های شکافت پذیر را از هم دور کرده و در نتیجه روند شکاف را کند می کند.

واینبرگ و همکارانش دریافتند که این بازدهی به مهندسان کمک خواهد کرد تا راکتور کوچکی ساخته و بتوانند آن را در داخل هواپیما مورد استفاده قرار دهند. در نتیجه او و تیمش در ORNL راکتور نمک مذاب کوچکی را به عنوان بخشی از یک برنامه فرعی ساختند که ARE (آزمایش راکتور هواپیما) نام گرفت.

تولید راکتور نمک مذاب

درسال 1954، واینبرگ و تیمش، نمونه اولیه این راکتور را ساختند: یک نیروگاه 2.5 مگاواتی که از مقدار کمی اورانیوم 235 حل شده در نمک مذاب ساخته شده از فلوئور، سدیم و زیرکونیوم استفاده می کرد و این اولین راکتور نمک مذابی بود که تا آن زمان ساخته شده بود.

در داخل سوخت نمک مذاب ARE، اورانیوم، به یک واکنش زنجیره ای شکافت، نیرو می دهد. گرمای اتمی، یک حلقه خنک کننده 300 درجه ای را از سدیم مذاب تشکیل می دهد. هوای ورودی، سدیم را سرد کرده و پمپ ها آن را برای گرم شدن مجدد به هسته راکتور دارای سوخت مایع بر می گردانند.

واینبرگ در سال 1994 در زندگینامه اش که به نام اولین دوره هسته ای منتشر شد نوشت: نیروی هوایی از آزمایش راکتور هواپیما به شدت هیجان زده شد؛ دما تا حدی بالا بود که می توانست موتور های جت را به حرکت دربیاورد.

نیروی هوایی آمریکا بلافاصله جت بمب افکن B-36 (Crusader) را به یک راکتور هسته ای مجهز کرد و بودجه بعدی راکتور نمک مذاب ORNL نیز تامین شد. البته نیروی هوایی در سال 1957، ART را لغو کرد تا بتواند هزینه ها را کاهش داده و به جای، آن راکتور متفاوتی را به آسمان بفرستد.

این راکتور، یک راکتور نمک مذاب نبود؛ بلکه راکتور آب سبک بود که هرگز به موتور های هواپیما متصل نشد؛ چرا که جت Crusader تنها برای تست محافظ تشعشع درنظر گرفته شده بود و نیروی هوایی درنظر داشت تا بعد ها این راکتور آب سبک را در یک بمب افکن هسته ای هدفمند به نام WS-125 بگنجاند.

Crusader در بین سال های 1955 تا 1957، چهل وهفت پرواز نمایشی را برفراز نیومکزیکو و تگزاس انجام داد؛ وزن آن درحالتی که کامل بارگیری شده بود به 18 تن می رسید و مجموعا 218 ساعت پرواز کرد و راکتور نزدیک به 90 ساعت کار کرد.

اما جان اف کندی، رئیس جمهور آمریکا به دلیل روبرو شدن با هزینه هایی گزاف (حدود 7 میلیارد دلار) و از آنجا که اولویت های دیگری مثل ساخت موشک های بالستیک قاره پیما و مسابقات فضایی را پیش رو می دید، تمام پروژه های مرتبط با پیشران هسته ای هواپیما را در سال 1961 به تعلیق در آورد. تا آن زمان، واینبرگ یک میلیارد دلار و سال ها تحقیقات ارزشمند برروی راکتور های نمک مذاب را در اختیار گرفته بود.

در دهه 1960 و با سرمایه گذاری دولت آمریکا بر توسعه نیروگاه های هسته ای تجاری، واینبرگ تمام دانشش را در آزمایش راکتور نمک مذاب (MSRE) به کار گرفت و تا سال 1969، هزاران ساعت برق تولید کرد و نتایج موفقیت آمیزی داشت. گام بعدی توسعه MSRE به چیزی به نام راکتور پرورش دهنده بود.

مرگ رویا های واینبرگ

راکتور های پرورش دهنده به لطف فرآیندی به نام جذب نوترون (که یک اتم بارور است که می تواند از شکافت، نوترون دیگری را به خود جذب کرده و سپس به سوخت تجزیه شود)، می توانند سوخت بیشتری را نسبت به آنچه از طریق شکافت می سوزانند، تولید کنند. در ادامه می توان این سوخت را برای تولید سوخت بیشتری شکافت کرد و همین روش را ادامه داد.

تا زمانی که ماده باروری در دسترس باشد، این روند ادامه خواهد یافت، ولی روند پرورش تنها با چند ایزوتوپ رادیواکتیو کار می کند؛ چرا که برای فعالیت به نوترون های زیادی نیازمند است.

یکی از آنها، اورانیوم 238 است؛ یک ایزوتوپ بارور که بیش از 99% سنگ معدن اورانیوم را تشکیل می دهد و می توان آن را به پلوتونیوم 239 که سوختی با قابلیت شکافت و مواد تسلیحاتی است تبدیل کرد.

عنصر دیگر توریوم است که می تواند به اورانیوم 233 تبدیل شود؛ یک سوخت شکافت پذیر دیگر که البته کار کردن با آن یا تبدیل آن به یک ماده به درجه بمب، بسیار سخت است.

سورنسن دراین باره گفته: درحال حاضر ما توریم را به صورت غیرعمد و از استخراج خاک های کمیاب به دست می آوریم و در پی نئودیمیم و دیگر خاک های کمیاب هستیم؛ در این فرآیند ها مقدار زیادی توریم به دست می آید که درحال حاضر مورد استفاده نیست و مثل زباله دور ریخته می شود.

هرچند که واقعیت چیز دیگری است و بنابرآنچه در کتاب سوخت فوق العاده که در سال 2013 منتشر شده درباره توریم می خوانیم: توریم تقریبا چهاربرابر اورانیوم فراوانی دارد و مقدار آن به مقدار سرب است. کافی است در پارک یک مشت خاک از روی زمین بردارید؛ در همین یک مشت خاک، دوازده قسمت در میلیون، توریم وجود دارد. طبق برآورد های آژانس انرژی هسته ای آمریکا، این کشور دارای حدود 440 هزار تن منابع توریم است و استرالیا غنی ترین کشور از این حیث به شمار می رود. توریم هم مثل اورانیوم و پلوتونیوم، منبع انرژی متراکم و کارآمدی است: کافی است مقداری شن و ماسه در سواحل مشخصی در هند جمع آوری کنید؛ همین مقدار خاک برای تامین انرژی شهر بمبئی برای یک سال کافی خواهد بود.

واینبرگ تخمین زده که توریم می تواند برای میلیارد ها سال، تمام نیاز های انرژی جهان را تامین کند. آن هم تنها از طریق یک راکتور تولید کننده نمک مذاب که تقریبا تمام سوخت خود را سوزانده و صد ها برابر کمتر از LWR ها ضایعات خواهد داشت. ولی دولت آمریکا در سال 1972، MSRE را لغو کرد و اندکی بعد از آن هم واینبرگ بازنشسته شد و هرگز تحقیقاتش را ادامه نداد.

اخیرا دولت آمریکا برای راکتور های هسته ای اش مجددا به سراغ طرح LWR آمده؛ چرا که تعداد زیادی از این راکتور ها ساخته شده بودند و ارتش نیز طراحی زیردریایی های هسته ای را پسندیده و در عین حال، آن ها می توانستند بدین ترتیب مواد تسلیحات هسته ای بسازند.

نسل بعدی انرژی هسته ای

در دهه 2000، سورنسن و البته کشور هایی مثل چین و هند، مجددا به سراغ ایده استفاده از راکتور های نمک مذاب با سوخت توریم رفتند. سورنسن یکی از معدود کارآفرینانی است که در تلاش برای احیا، نوسازی و کسب مجوز برای این نسخه از تکنولوژی که راکتور توریم فلوراید مایع (LFTR) است، رفت.

هانس گوگار، فیزیکدان هسته ای آزمایشگاه ملی آیداهو (INL) دراین باره گفته: این فناوری با دوام است؛ علم این را ثابت کرده.

البته که کار سختی پیش روست؛ توسعه تکنولوژی انرژی هسته ای، به میلیارد ها دلار بودجه نیاز دارد و بسیار کند است؛ چرا که پیش از ساخت نیروگاه های تجاری در مقیاس بزرگ، باید در چندین مرحله ایمنی آن ها را بررسی کرد و LFTR مشابه هیچ سرویس امروزی دیگری نیست.

ریتا بارانوال، مهندس مواد دراین باره گفته: مانور دادن برروی صدور مجوز یک چالش بزرگ است. در حال حاضر چارچوب نظارتی، برای پشتیبانی از این تکنولوژی های نوآورانه نو، ساده نشده است.

طبق پیش بینی وزارت انرژی آمریکا، صدور مجوز برای یک نیروگاه نمک مذاب در مقیاس کامل و تجاری احتمالا تا سال 2040 یا 2050 طول خواهد کشید. در عین حال، نیروگاه های هسته ای قدیمی و درعین حال حیاتی آمریکا، بازسازی و به روز نمی شوند. به همین خاطر هم هست که تابستان گذشته، INL از بارانوال خواست تا هدایت برنامه نوی برای تسریع نوآوری در انرژی هسته ای (GAIN) را برعهده بگیرد؛ این یک سیستم شتاب دهنده فناوری و پشتیبانی است که برای کارآفرینان هسته ای کوچک ایجاد شده است.

سورنسن بر این باور است که هرکسی که این سیستم را بسازد و به هر ترتیبی که ساخته شود، راکتور های نمک مذاب با سوخت توریم کلید حل مسائل انرژی کره زمین خواهند بود: این چیزی است که در آینده به شدت به نفع بشر خواهد بود و عصر نوی از موفقیت بشر را رقم خواهد زد. اگر جهان این تکنولوژی را بخواهد، باید با مسئولان صحبت کرده و آن را درخواست کنند. جوامعی که تصمیم به پذیرش این نوع فناوری بگیرند، در نهایت به مزایا و فزونی های آن پی خواهند برد.

منبع: finance.yahoo