ما هو الاندماج النووي

مفهوم الاندماج النووي؟

هو العملية التي من خلالها تتشكل التفاعلات النووية بين العناصر الخفيفة عناصر أثقل (حتى الحديد)، في الحالات التي تنتمي فيها النوى المتفاعلة إلى عناصر ذات أعداد ذرية منخفضة (على سبيل المثال، الهيدروجين (العدد الذري 1) أو نظائره الديوتيريوم والتريتيوم)، فإنه يتم إطلاق كميات كبيرة من الطاقة.

تم استغلال إمكانات الطاقة الهائلة للاندماج النووي لأول مرة في الأسلحة النووية الحرارية، أو القنابل الهيدروجينية، التي تم تطويرها في العقد الذي أعقب الحرب العالمية الثانية مباشرة، وفي الوقت نفسه فإن التطبيقات السلمية المحتملة للاندماج النووي، لا سيما في ضوء الإمداد اللامحدود أساسًا لوقود الاندماج على الأرض، قد شجع على بذل جهد هائل لتسخير هذه العملية لإنتاج الطاقة.

تفاعل الانصهار:

تشكل تفاعلات الاندماج مصدر الطاقة الأساسي للنجوم بما في ذلك الشمس، حيث يمكن النظر إلى تطور النجوم على أنه ممر عبر مراحل مختلفة، بحيث تسبب التفاعلات الحرارية النووية والتركيب النووي بإحداث تغيرات تركيبية على مدى فترات زمنية طويلة.

يبدأ احتراق الهيدروجين (H) مصدر طاقة اندماج النجوم ويؤدي إلى تكوين الهيليوم (He) ويعتمد توليد طاقة الاندماج للاستخدام العملي أيضًا على تفاعلات الاندماج بين العناصر الأخف وزناً التي تحترق لتكوين الهيليوم، وفي الواقع تتفاعل النظائر الثقيلة للهيدروجين؛ الديوتيريوم (D) والتريتيوم (T) بشكل أكثر كفاءة مع بعضها البعض، وعندما تخضع للانصهار، فإنها تنتج طاقة لكل تفاعل أكثر من نواتي الهيدروجين، (تتكون نواة الهيدروجين من بروتون واحد، كما تحتوي نواة الديوتيريوم على بروتون واحد ونيوترون واحد، بينما يحتوي التريتيوم على بروتون واحد ونيوترونين).

تطلق تفاعلات الاندماج بين العناصر الخفيفة، مثل تفاعلات الانشطار التي تقسم العناصر الثقيلة، الطاقة بسبب سمة رئيسية للمادة النووية تسمى طاقة الربط، والتي يمكن إطلاقها من خلال الاندماج أو الانشطار.

تعد طاقة الارتباط للنواة مقياسًا للكفاءة التي ترتبط بها النوى المكونة لها معًا، وعلى سبيل المثال عنصرًا به بروتونات Z و N نيوترونات في نواته، حيث إن الوزن الذري للعنصر A هو Z + N ، ورقمه الذري هو Z، أما طاقة الربط B فهي الطاقة المرتبطة بفرق الكتلة بين البروتونات Z والنيوترونات N التي يتم النظر فيها بشكل منفصل والنيوكليونات المرتبطة ببعضها (Z + N) في a نواة الكتلة M، فالصيغة B = (Zmp + Nmn – M) c²، حيث mp و mn هي كتل البروتون والنيوترون و c هي سرعة الضوء.

تم تحديد تجريبيًا أن طاقة الارتباط لكل نواة هي بحد أقصى 1.4 10 × 12 جول عند عدد كتلة ذرية يقارب 60 – أي تقريبًا عدد الكتلة الذرية للحديد، وفقًا لذلك، يؤدي اندماج العناصر الأخف من الحديد أو انقسام العناصر الأثقل عمومًا إلى إطلاق صافٍ للطاقة.

أنواع الاندماج النووي:

تتكون تفاعلات الاندماج من نوعين أساسيين: (1) تلك التي تحافظ على عدد البروتونات والنيوترونات و(2) تلك التي تنطوي على تحويل بين البروتونات والنيوترونات، تفاعلات النوع الأول هي الأكثر أهمية لإنتاج طاقة الاندماج العملي، في حين أن تفاعلات النوع الثاني مهمة لبدء احتراق النجوم.

يشار إلى العنصر التعسفي بواسطة الترميز AZX ، حيث Z هي شحنة النواة و A هي الوزن الذري، تفاعل الاندماج المهم لتوليد الطاقة العملي هو تفاعل الديوتيريوم والتريتيوم (تفاعل اندماج D-T). ينتج الهيليوم (He) ونيوترون (n) ويكتب D + T → He + n.

على يسار السهم (قبل التفاعل) يوجد بروتونان وثلاثة نيوترونات، ونفس الشيء صحيح على اليمين، التفاعل الآخر الذي يبدأ حرق النجوم، يتضمن اندماج نواتين هيدروجين لتكوين الديوتيريوم (تفاعل اندماج HH): H + H → D + + + ، حيث تمثل β + بوزيترون و تعني نيوترينو، وقبل التفاعل فهناك نواتان للهيدروجين (أي بروتونين)، بعد ذلك يوجد بروتون واحد ونيوترون واحد (مرتبطان معًا كنواة الديوتيريوم) بالإضافة إلى البوزيترون والنيوترينو (الناتج عن تحويل بروتون واحد إلى نيوترون).

إن كل من تفاعلات الاندماج هذه هي طاقة خارجية وبالتالي تنتج طاقة، اقترح الفيزيائي الألماني المولد هانز بيته في ثلاثينيات القرن الماضي أن تفاعل الاندماج H-H، حيث يمكن أن يحدث مع إطلاق صافٍ للطاقة ويوفر، إلى جانب التفاعلات اللاحقة، مصدر الطاقة الأساسي الذي يحافظ على النجوم.

ومع ذلك، يتطلب توليد الطاقة العملي تفاعل D-T لسببين: أولاً: معدل التفاعلات بين الديوتيريوم والتريتيوم أعلى بكثير من معدل التفاعلات بين البروتونات، ثانيًا: صافي إطلاق الطاقة من تفاعل D-T أكبر 40 مرة من تفاعل HH.

الطاقة في تفاعلات الاندماج النووي:

يتم إطلاق الطاقة في تفاعل نووي إذا كانت الكتلة الكلية للجسيمات الناتجة أقل من كتلة المواد المتفاعلة الأولية، وللتوضيح بافتراض وجود نواتي، المسمى X و a، تتفاعل لتشكل نواتين أخريين، Y و b ، يرمزان إلى X + a → Y + b، غالبًا ما تكون الجسيمات a و b من النوى، إما بروتونات أو نيوترونات، ولكن بشكل عام يمكن أن تكون أي نوى.

بافتراض أنه لا يوجد أي من الجسيمات متحمس داخليًا (أي أن كل منها في حالتها الأرضية)، يتم تعريف كمية الطاقة المسماة قيمة Q لهذا التفاعل على أنها Q=(mx +ma -mb -my) c² حيث m – تشير الحروف إلى كتلة كل جسيم و c هي سرعة الضوء، عندما تكون قيمة الطاقة Q موجبة، يكون التفاعل طاردًا للطاقة، وعندما تكون Q سالبة، يكون التفاعل مسببًا للطاقة (أي يمتص الطاقة).

عندما يتم الحفاظ على كل من إجمالي عدد البروتون والعدد الكلي للنيوترونات قبل وبعد التفاعل (كما في تفاعلات D-T)، يمكن التعبير عن قيمة Q من حيث طاقة الربط B لكل جسيم على النحو التالي Q = B_y + B_b − B_x − B_a.

تفاعل الاندماج D-T له قيمة Q موجبة تبلغ 2.8 × 10 جول، كما أن تفاعل الاندماج H-H أيضًا طارد للطاقة، بقيمة Q تبلغ 6.7 × 10 × 14 جول، ولتكوين فكرة عن هذه الأرقام، يمكن التفكير في أن طنًا متريًا واحدًا (1000 كجم، أو ما يقرب من 2205 رطلاً) من الديوتيريوم يحتوي على ما يقرب من 3 × 1032 ذرة، وإذا تم استهلاك طن واحد من الديوتيريوم من خلال تفاعل الاندماج مع التريتيوم، فإن الطاقة المنبعثة ستكون 8.4 × 1020 جول، كما يمكن مقارنة ذلك بمحتوى الطاقة لطن واحد من الفحم – أي 2.9 × 1010 جول، بعبارة أخرى، طن واحد من الديوتيريوم يعادل طاقة ما يقرب من 29 مليار طن من الفحم.

يعتبر كل من إنتاجية الطاقة للتفاعل بين النوى ومعدل مثل هذه التفاعلات مهمين،حيث إن هذه الكميات لها تأثير عميق في المجالات العلمية مثل الفيزياء الفلكية النووية وإمكانية الإنتاج النووي للطاقة الكهربائية.