انواع سوخت و انرژی

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 ذغال 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 كمتري توليد مي كنند. مثلاً يك كيلوگرم زغال سنگ حدود ۸ كيلووات ساعت انرژي توليد مي كند و يك كيلوگرم نفت حدود ۱۲ 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 ۲۳۵ يا پلوتونيوم ۲۳۹ يا اورانيوم ۲۳۳ كه به اين ايزوتوپ ها شكاف پذير مي گويند. امتيازات اينها عبارتند از توليد مقادير زيادي انرژي به وسيله حجم كم ماده سوختني. مثلاً از يك كيلوگرم اورانيوم ۲۳۵يا پلوتونيوم ۲۳۹ مي توان مقدار ۲۳ميليون 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 است 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 ۱۷۷ميليون كيلووات ساعت در صورتي كه انرژي حاصل از اورانيوم برابر است با ۰۰۰/۰۰۰/۲۳ كيلووات ساعت. بنابراين يك كيلوگرم هيدروژن حدود ۸ 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 اين است كه بازده انرژي پاييني دارد و دوم اينكه دائمي نيستند و سوم اينكه تكنولوژي بشر براي استفاده مقياس زيادي از اينها تكميل نيافته است. ما در اين مقاله سعي مي كنيم جديدترين طرح توليد انرژي كه شايد يكي از منابع انرژي قرن ۲۱ 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 ۲۶ ميليارد كيلووات ساعت انرژي، كه مساوي است با انرژي توليد شده به وسيله شكافت حدود ۱۲۰۰ كيلوگرم اورانيوم يا ۱۵ 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:
۱_ شتاب دهنده هاي خطي، ۲ _ شتاب دهنده هاي مداري، ۳ _ 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 ۱۰۰ متر و ولتاژ آن ۱۰ ميليون ولت است كه قادر است انرژي معادل يك گيگا (Gev) الكترون ولت توليد كند. اين انرژي معادل است با انرژي ۲۶ ميليون كيلووات ساعت در هر ثانيه. اگر تنها موفق شويم ۵۰ درصد انرژي اين شتاب دهنده را استفاده كنيم اين شتاب دهنده قادر است معادل ۲۰ هزار نيروگاه اتمي در مقياس نيروگاه اتمي هزار مگاواتي نيروگاه بوشهر توليد انرژي كند. يعني قادر خواهد بود ۲۰ 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 ۰۰۰/۵۰۰/۲ ليتر بنزين خواهد بود. بنابراين اگر به مدت يك سال كار كند معادل انرژي ۵۰۰ ميليارد بشكه نفت انرژي توليد مي كند.

ارزش اقتصادي اين مقدار انرژي كه ۲ برابر انرژي ذخاير نفت عربستان سعودي است با احتساب قيمت هر بشكه نفت بر مبناي ۲۰ دلار برابر است با ۱۰تريليون 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: ۱_ مي توان در ابعاد و اندازه هاي مختلف ساخت. ۲_ هزينه ساخت و نگهداري آن كم بوده است. ۳_ هيچ گونه زباله يا آلودگي محيطي توليد نمي كند. محصول نهايي آن آب خالص يا بخار آب است. ۴ _ با استفاده از اين دستگاه عملاً عمر منابع انرژي نامحدود مي شود و منبع عظيمي از انرژي در دسترس خواهد بود.

در حوزه ذرات
۱) الكترون ولت: واحد انرژي است و برابر انرژي يك الكترون يا پروتون است. وقتي از اختلاف پتانسيل يك ولت عبور كند برابر است با
۱۰- ۱۹ × ۱/۶ ژول
۲) يك گرم هيدروژن ۱۰۲۳ × ۶/۰۲ 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 ۱۰۱۳ × ۹/۶ = ۱۰۹ × ۱ × ۱۰۲۳ × ۶/۰۲ × ۱۰- ۱۹× ۱/۶

يك كيلووات ساعت برابر است با ۰۰۰/۶۰۰/۳ ژول. بنابراين انرژي آن برابر است با
۲۶ کيلو وات ساعت.

۱۰۱۳ × ۹/۶ ژول تقسيم بر ۰۰۰/۶۰۰/۳ مساوي ۱۰۵ × ۲۶
«قانون بقاى انرژى» سابقه اى چند صد ساله در علم دارد و حتى صورت مدرن آن يعنى «قانون اول ترموديناميك» نيز به زودى دويست ساله خواهد شد. اين قانون به قدرى منطقى و پايه اى است كه در سال هاى اول دبيرستان نيز تدريس مى شود. قانون بقاى انرژى (يا جرم و انرژى) بر اين نكته تأكيد دارد كه انرژى به وجود نمى آيد، از بين نمى رود و تنها از صورتى به صورت ديگر تبديل مى شود. از مثالهاى مقاله ياد شده براى درك اين مفهوم كمك مى گيرم. انرژى ناشى از سوزاندن سوخت هاى فسيلى، ميليون ها سال پيش به صورت پيوند هاى شيميايى در آنها ذخيره شده است و فرآيند سوختن باعث آزاد شدن اين انرژى مى شود. سوخت هاى اتمى شكافتى (مانند اورانيوم) نيز انرژى خود را ميليارد ها سال پيش در فرآيند هاى درونى يك ستاره به دست آورده اند. سوخت هاى اتمى جوشى (مانند جوش هيدروژن) نيز از اين ايده استفاده مى كنند كه با تركيب چند هسته، هسته اى با سطح انرژى پايين تر بسازند. مانند آجرى كه از يك بلندى به زمين مى افتد و انرژى خود را آزاد مى كند.

بازار ساخت «ماشين هاى كار دايم نوع اول» در قرن هاى ۱۸و ۱۹ بسيار داغ بود. اين ماشين ها، ماشين هايى هستند كه با نقض قانون اول ترموديناميك (ماشين هاى كار دايم نوع دوم، قانون دوم را نقض مى كنند) انرژى را از هيچ توليد مى كنند. اما متاسفانه اين ماشين ها يا كار نمى كردند يا به صورت پنهان، انرژى را از منبع ديگرى دريافت مى كردند. توجه كنيد كه توليد انرژى از هيچ اشكال دارد وگرنه توليد انرژى از منابع ذخيره شده، مخالف قانون اول نيست. لازم به ذكر است كه قانون بقاى انرژى عميقاً در تاروپود نظريه هاى مختلف فيزيك در شاخه هاى متفاوت جاى گرفته است و بار ها درستى خود را نشان داده است. هر چند اگر دلايل بسيار قوى براى غلط بودن آن يافت شود، فيزيكدان ها آمادگى بازنگرى اصولى در نظريه ها را دارند همان گونه كه قبلاً نيز چنين انقلاب هايى رخ داده است.

شتاب دهنده ذرات، وسايلى هستند كه فيزيكدان ها با كمك آنها و با استفاده از جديدترين تكنولوژى ها در يكى از مرز هاى علم مشغول به كار و تحقيق هستند. اين وسيله ها به طور كلى وسايلى هستند كه با استفاده از ميدان هاى الكتريكى و مغناطيسى (الكترو مغناطيسى) به ذرات بنيادى شتاب مى دهند تا سرعت قابل توجهى پيدا كنند. در شتاب دهنده هاى بزرگ (تحقيقاتى) اين ذرات سريع با هم برخورد داده مى شوند تا راجع به ساختار آنها و نيرو هاى درگير در اين فرآيند و حتى ذرات بنيادى جديد اطلاعاتى به دست آيد. در شتاب دهنده هاى كوچك (بيمارستانى) هم از آنها براى عكسبردارى دقيق استفاده مى شود. در درس فيزيك عمومى (كه همه دانشجويان رشته هاى مهندسى و علوم موظف به گذراندن آن هستند) توضيحات پايه اى و نسبتاً كاملى در مورد شتاب دهنده ها (و منبع انرژى آنها) آمده است.

كليد فهم اين كه چرا شتاب دهنده ها منبع انرژى نيستند، در اين نكته نهفته است كه اختلاف پتانسيل موجود در آنها توسط مدار هاى الكتريكى عظيم و بسيار گران قيمت توليد مى شود. هزينه و مصرف انرژى هر بار شتاب دادن ذرات، به قدرى بالاست كه از ساكنين شهر هاى اطراف شتاب دهنده هاى تحقيقاتى در هنگام كار آنها (شتاب دهنده ها تنها كسر كوچكى از روز را روشن هستند) درخواست مى شود كه در مصرف برق صرفه جويى كنند يا حتى براى مدتى خاموشى برق داشته باشند، به عبارت ديگر ميدان الكتريكى (يا اختلاف پتانسيل) درون شتاب دهنده خود به خود وجود ندارد، بلكه توليد مى شود و انرژى لازم براى توليد آن بسيار بسيار بيشتر از انرژى اى است كه توسط ذرات داخل آن جذب مى شود. پس طبيعى است كه انرژى اى كه از ذراتى كه داخل شتاب دهنده ها شتاب داده مى شوند، استخراج مى شود نمى تواند يك منبع انرژى باشد زيرا قبلاً خودمان به آن مقادير قابل توجهى انرژى تزريق كرده ايم. حتى براى ذخيره انرژى نيز مناسب نيست، زيرا تنها كسر كوچكى از انژرى توسط ذرات جذب مى شود.