نتیجه مطالعات گروهی از فیزیک‌دانان در روسیه نشان می‌دهد بوسیله تمهیداتی در مکانیک کوانتومی، توانایی هیدروژن در سوختن و منفجر شدن در فشارهای بالا به مقدار قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. آن‌ها ادعا می‌کنند تحقیقاتشان به کاهش انفجارهای هیدروژنی در نیروگاه‌های هسته‌ای منجر می‌شود. همچنین هیدروژن صنعتی و دیگر سوخت‌های گازی به شکل ایمن‌تری تولید می‌شود.

مارس سال گذشته در نیروگاه فوکوشیما دایچی انفجارهای هیدروژنی در رآکتورهای هسته‌ای اتفاق افتاد. به خاطر وقوع تسونامی در شمال شرقی کشور سیستم‌های سرمایشیِ رآکتور‌ها از کار افتاد. این موجب شد تا سه رآکتور نیروگاه ذوب شود. سپس آلیاژ زیرکونیم که پوششی^۱ برای سوخت‌های هسته‌ای در رآکتور می‌باشد با افت سطح آب مواجه شد. در این صورت آلیاژ زیرکونیوم با بخار واکنش داد تا اینکه هیدروژن تولید کند. وقتی هیدروژن به ظرف‌های نگهدارندهٔ اطراف رآکتور نشت کرد آن‌گاه با اکسیژن هوا واکنش داد و موجب انفجاری مهیب شد. چنین انفجارهایی بسیار خطرناک است چون مواد رادیواکتیویته را وارد محیط می‌کنند.

به هر حال اینکه دقیقاً تحت چه شرایط چنین انفجارهای هیدروژنی رخ می‌دهد نامشخص است. اما مسئله مورد نظر تعیین زمان مورد نیاز برای اشتعالِ گاز هیدروژن در دما و فشاری معین است. همچنین آستانه دما برای انفجار گاز مورد نیاز است. پیش‌بینی‌های نظری این کمیت‌ها با نتایج آزمایشگاهی تطابق ندارد. این عدم تطابق، با کاهش دما و افزایش فشار بیشتر به چشم می‌آید. طبق محاسبات انجام شده در دماهای ۷۰۰ تا ۸۰۰ کلوین، زمان مورد نیاز برای اشتعال ۱۰۰۰ مرتبه بیشتر از واقعیت است.

انرژی‌های نامشخص 

دانشمندان برای توضیح این اختلاف به این نکته اشاره می‌کنند که گازهای مورد آزمایش ناخالصی‌هایی دارد که در  اندازه‌گیری‌ها آن را لحاظ نمی‌کنیم یا حتی می‌توان گفت اندازه‌گیری‌ها خودشان خطا‌هایی دارند. اما گفتنی است که این اختلاف‌ها برای سوخت‌های گازی دیگر نیز وجود دارد. در جدیدترین تحقیق، والدیمیر فورتو و همکارانش در مؤسسه‌ جوینت واقع در موسکو به همراه دو فیزیکدان دیگر در مؤسسه تِرویتسک (خارج پایتخت روسیه) یک توضیح کلی برای این عدم تطابق بین نظریه و آزمایش بیان می‌کنند. برای این کار آن‌ها تصحیحات کوانتومی را به مدل‌های سوختی کنونی وارد می‌کنند.

فورتو و همکارانش توزیع ماکسول-بولتزمن کلاسیکی را در نظر گرفتند. این توزیع، طیف سرعت‌های مولکولی در گاز را در یک دمای معین توصیف می‌‌کند. نظریه‌پردازان اخیراً نشان داده‌اند اگر دمای گاز نسبتاً پایین و فشار گاز بالا باشد، اثرهای کوانتوم مکانیکی شکل قلهٔ این توزیع را تغییر می‌دهد. این تصحیح از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ نشأت می‌گیرد. اصل عدم قطعیت بر انرژی ذرات برخورد کننده با یکدیگر حاکم است به طوری که احتمال وقوع واکنش بین ذرات را تا زمانی که چگالی ذرات به اندازه کافی بالا باشد، افزایش می‌یابد.

اگرچه این تصحیح در پدیده‌های ترمودینامیکی که انرژی جنبشی اکثر ملکول‌های آن نزدیک به مقدار متوسط است تأثیر چندانی ندارد اما در فرآیند‌هایی که قله‌ٔ توزیع نقش مهمی ایفا می‌کند قابل مشاهده است. شکافت هسته‌ای در پلاسمای سرد و چگال از این نوع فرآیند‌ها می‌باشد. گروه روسی نشان داده‌اند این تصحیح برای واکنش‌های سوختی مورد نظر نیز برقرار است چرا که انرژی لازم برای انجام چنین واکنش‌هایی بیش از مقدار متوسط انرژی گرمایی مولکول‌ها می‌باشد. محققان دریافتند با اعمال تصحیحات کوانتومی بر گاز آرگون حاوی ۴ درصد مولکول هیدروژن و ۲ درصد مولکول اکسیژن، بین نظریه و آزمایش هماهنگی خوبی برقرار است. آن‌ها همچنین یک توافق خوب بین نظریه و آزمایش برای اشتعال گاز اِسِتلین بدست آوردند.

بهینه‌سازی هندسه رآکتورها برای ایمنی بیشتر

طبق گفته فورتو این محاسبات به مهندسان اجازه می‌دهد تا همه شرایطی که تحت آن هیدروژن مشتعل شود، مطالعه کنند. از این رو مهندسان نیروگاه‌های ایمن‌تری خواهند ساخت. او در ادامه می‌گوید: با بهینه‌سازی هندسه رآکتورها و نیز با قرار دادن دستگاه‌هایی تحت عنوان «بازترکیب کننده هیدروژن» که وظیفه‌اش از بین بردن هیدروژن از طریق برهمکنش با اکسیژن (به جای اینکه با بخار آب برهم‌کنش کند) می‌باشد در بهترین محلی که ممکن است، می‌توان شانس انفجارهای هیدرو‌‌ژنی را کاهش داد. فورتو همچنین ادعا می‌کند کار گروه به صنعت این اجازه را می‌دهد تا تولید و ذخیره‌سازی هیدروژن را به روش ایمن‌تری انجام دهند. از طرفی طبق نظر او اِسِتیلن (که به شکل وسیعی به عنوان سوخت استفاده می‌شود و یک ماده اصلی است) می‌تواند بهتر مهار شده و بدون نیاز به یک اکسید کننده (اکسیدان) مشتعل شود.

به هر حال تونی رولستون مهندس هسته‌ای دانشگاه کمبریج مطمئن نیست که این نتایج فایده عملی برای نیروگاه‌ها داشته باشد. او می‌گوید طراحان ظرف‌های نگهدارنده رآکتورها فرض می‌کنند که اگر اشتعال‌پذیری هیدروژن از حدی که به وسیله آزمایش تعیین می‌شود فراتر رود، هیدروژن همواره می‌سوزد. او همچنین می‌گوید: اگرچه به کمک روش‌های مناسب‌تری مبنی بر بهبود زمان سوخت و میزان سوخت هیدروژن می‌توان فشاری که ظرفِ نگهداری رآکتور تحمل می‌کند، کاهش داد، اما گفتنی است این مورد چیزی را حل نمی‌کند چون ظرف‌های نگهدارنده رآکتورها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که حتی در برابر برخورد هواپیماهای عظیم هم مقاوم هستند.

۱- یکی از کاربردهای آلیاژ زیرکونیم در نیروگاه‌ها پوششی برای میله‌های سوختی در رآکتورهای هسته‌ای است.

منبع:

Quantum corrections could boost combustion models - physicsworld.com