شتاب دهنده ذرات

شتاب دهنده ذرات

علي رستمي

امروز سوخت و انرژي در دنيا به چند دسته كلي تقسيم مي شوند. سوخت هاي فسيلي و سوخت هاي غيرفسيلي و انرژي هاي تجديد پذير و غيرقابل تجديد.

سوخت هاي فسيلي عبارتند از: نفت، گاز و زغال سنگ كه با اكسيژن هوا تركيب مي شوند و ايجاد انرژي به شكل حرارت مي كنند. اين سوخت ها در مقايسه با سوخت هاي ديگر انرژي كمتر توليد مي كنند. مثلاً يك كيلوگرم زغال سنگ حدود 8 كيلووات ساعت انرژي توليد مي كند و يك كيلوگرم نفت حدود 12 كيلووات ساعت انرژي توليد مي كنند. اين سوخت ها آلوده كننده محيط زيست نيز هستند.

به علاوه جزء ذخاير غيرقابل تجديد بوده و داراي مشكلات زيادي در حمل و نقل ايمني نيز هستند. مانند گازگرفتگي (خفگي) يا توليد گاز سمي منوكسيد كربن. دسته ديگر از سوخت ها شامل سوخت هاي هسته اي هستند مانند اورانيوم يا پلوتونيوم يا ايزوتوپ هاي هيدروژن مانند دوتريوم يا تريتيوم يا فلز سبك ليتيوم. اين سوخت ها در مقايسه با سوخت هاي دسته اول داراي امتيازات مثبت و منفي هستند. اول اينكه در اين سوخت ها بعضي ايزوتوپ ها توانايي توليد انرژي به وسيله تكنولوژي فعلي بشر را دارد مانند ايزوتوپ هاي كمياب اورانيوم 235 يا پلوتونيوم 239 يا اورانيوم 233 كه به اين ايزوتوپ ها شكاف پذير مي گويند. امتيازات اينها عبارتند از توليد مقادير زياد انرژي به وسيله حجم كم ماده سوختني. مثلاً از يك كيلوگرم اورانيوم 235 يا پلوتونيوم 239 مي توان مقدار 23ميليون كيلووات ساعت گرما ايجاد كرد، اما مشكلاتي نيز دارند از آن جمله اين كه: غني سازي و توليد اين ايزوتوپ ها مشكلات و هزينه زيادي دارند. دوم اينكه، اين سوخت هاي هسته اي سنگين پس از توليد انرژي مقادير زيادي ايزوتوپ هاي پرتوزا از خود به جاي مي گذارند كه به زباله هاي هسته اي موسوم است.

اين زباله ها براي محيط زيست و سلامت افراد خطرناك هستند و بايد براي صدها سال در انبار هاي محكم نگهداري شوند تا راديواكتيو آن از بين برود. دسته ديگر از سوخت هاي هسته اي شامل عناصر سبك مانند دوتريوم يا تريتيوم يا ليتيوم هستند كه قرار است در راكتور هاي گداخت يا همجوش هسته اي توليد انرژي كنند. البته تاكنون از اينها در بمب هاي هيدروژني بهره برداري نظامي و تسليحاتي مي شد، اما براي توليد انرژي براي مصارف صلح آميز تكنولوژي راكتور هاي گداخت بايد تكميل شود، اين سوخت ها معايب و مزاياي فراواني دارند. اول توليد نوترون و تشعشعات نوتروني مي كنند كه بايد در راكتور هاي همجوشي هسته اي به نحوي جذب و كنترل شوند دوم اينكه تريتيوم نبايد از راكتور نشت كند زيرا يك ايزوتوپ راديواكتيو است.مزاياي اين سوخت ها عبارت از اين كه فراوان در دسترس هستند و دوم اينكه توليد انرژي زيادتري نسبت به اورانيوم يا پلوتونيوم مي كنند. مثلاً انرژي حاصل از گداخت هيدروژن به هليوم مساوي است با 177 ميليون كيلووات ساعت در صورتي كه انرژي حاصل از اورانيوم برابر است با 000/000/23 كيلووات ساعت. بنابراين يك كيلوگرم هيدروژن حدود 8 برابر يك كيلوگرم اورانيوم توليد انرژي مي كند.

انواع ديگر انرژي عبارتند از: انرژي خورشيدي، انرژي باد، انرژي زمين گرمايي و انرژي بيوگاز كه مشكل بزرگ اين انرژي تجديدپذير اينكه بازده انرژي اينها پايين است و دوم اينكه دائمي نيستند و سوم اينكه تكنولوژي بشر براي استفاده مقياس زياد از اينها تكميل نيافته است. ما در اين مقاله سعي مي كنيم جديدترين طرح توليد انرژي كه شايد يكي از منابع انرژي قرن 21 باشد را معرفي كنيم. اين طرح توليد انرژي عبارت از شتاب دهنده ذرات اتمي براي توليد انرژي زياد، عملكرد اين سيستم و دستگاه براساس استفاده از ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي براي شتاب دادن و كنترل ذرات باردار الكتريكي تا مرز سرعت نور است. اين سيستم ها قادر هستند سرعت الكترون ها و پروتون ها را تا مرز سرعت نور شتاب دهند. وقتي ذرات تا اين حد شتاب يافتند سطح انرژي آنها چند ميليون برابر مي شود و داراي انرژي عظيم و فراواني مي شود. يك مثال نشان دهنده اين مطلب است، به عنوان مثال شتاب دهنده پروتون در آزمايشگاه فرمي آمريكا قادر است ذرات پروتون را تا يك تريليون الكترون ولت (Tev) شتاب دهد.

اگر ما به وسيله اين شتاب دهنده پروتون هاي يك گرم هيدورژن معمولي كه در آب زياد است را تزريق كنيم و شتاب دهيم انرژي پروتون ها برابر خواهد بود با انرژي 26 ميليارد كيلووات ساعت انرژي، كه مساوي است با انرژي توليد شده به وسيله شكافت حدود 1200 كيلوگرم اورانيوم يا 15 ميليون بشكه نفت. همه اين انرژي عظيم و غيرقابل باور فقط به وسيله شتاب دادن پروتون هاي يك گرم هيدروژن تا سطح انرژي يك تريليون الكترون ولت است. پس با اين محاسبات دانستيم كه شتاب دهنده ها داراي چه قدرت عظيمي هستند.

شتاب دهنده ها به چند دسته كلي تقسيم بندي مي شوند: 1- شتاب دهنده هاي خطي، 2 _ شتاب دهنده هاي مداري، 3 _ شتاب دهنده سيلكووترون. علاوه بر آن ساخت و نگهداري شتاب دهنده آسان و كم هزينه است. در ضمن مي توان اين سيستم هاي مولد را در ابعاد و مقياس هاي مختلف ساخت به عنوان مثال يك شتاب دهنده خطي كه طول آن 100 متر و ولتاژ آن 10 ميليون ولت است كه قادر است انرژي معادل يك گيگا (Gev) الكترون ولت توليد كند. اين انرژي معادل است با انرژي 26 ميليون كيلووات ساعت در هر ثانيه. اگر تنها موفق شويم 50 درصد انرژي اين شتاب دهنده را استفاده كنيم اين شتاب دهنده قادر است معادل 20 هزار نيروگاه اتمي در مقياس نيروگاه اتمي هزار مگاواتي نيروگاه بوشهر توليد انرژي كند. يعني قادر خواهد بود 20 ميليون مگاوات انرژي الكتريكي توليد كند.

علاوه بر آن از حرارت و گرماي توليدي اين دستگاه مي توان براي بخار كردن آب دريا و توليد آب شيرين استفاده كرد. محاسبات نشان مي دهد كه اين سيستم قادر خواهد بود در سال معادل بارندگي ساليانه كشور آب شيرين توليد كند، بدون اينكه هوا را آلوده كند يا مشكلاتي از قبيل زباله هاي هسته اي يا پس مانده و آلودگي ايجاد كند، در واقع يكي از بهترين منابع انرژي خواهد بود. سوخت مصرفي اين دستگاه تنها چند گرم هيدروژن معمولي است انرژي توليدي از يك دستگاه شتاب دهنده يك گيگا الكترون ولت (Gev) برابر است با انرژي حاصل از سوختن 000/500/2 ليتر بنزين خواهد بود. بنابراين اگر به مدت يك سال كار كند معادل انرژي 500 ميليارد بشكه نفت انرژي توليد مي كند.

ارزش اقتصادي اين مقدار انرژي كه 2 برابر انرژي ذخاير نفت عربستان سعودي است با احتساب قيمت هر بشكه نفت بر مبناي 20 دلار برابر است با 10 تريليون دلار. در صورتي كه ما از اين سيستم شتاب دهنده استفاده كنيم نيازي به سوزاندن اين حجم عظيم نفت و گاز براي توليد انرژي نداريم. مزاياي اين سيستم عبارتند از: 1- مي توان در ابعاد و اندازه هاي مختلف ساخت. 2- هزينه ساخت و نگهداري آن كم بوده است. 3_ هيچ گونه زباله يا آلودگي محيطي توليد نمي كند. محصول نهايي آن آب خالص يا بخار آب است. 4 _ با استفاده از اين دستگاه عملاً عمر منابع انرژي نامحدود مي شود و منبع عظيمي از انرژي در دسترس خواهد بود.

در حوزه ذرات

1-الكترون ولت: واحد انرژي است و برابر انرژي يك الكترون يا پروتون وقتي از اختلاف پتانسيل يك ولت عبور كند برابر است با 19-10*6/1 ژول

2 _ يك گرم هيدروژن 1023 * 02/6 اتم بوده كه به آن يك اتم گرم يا يك مول هيدروژن گويند.

اگر اين مقدار هيدروژن از شتاب دهنده يك (Gev) عبور كند معادل انرژي آن برابر خواهد بود:

ژول 1013*6/9=109*1*1023*02/6* 19-10*6/1

يك كيلووات ساعت برابر است با 000/600/3 ژول. بنابراين انرژي آن برابر است با 26 كيلووات ساعت.

1013 *6/9 ژول تقسيم بر 000/600/3 مساوي 105*26