الانصهار النووي

اندماج نووي

لاندماج النووي هو التفاعل الذي يتم خلاله تغيير النوى الذرية بالاصطناع النووي، وعادةً ما يتضمن التفاعل ذرات الهيدروجين التي تندمج مع بعضها البعض لتشكيل نوى جديدة مطلقة الطاقة، ويتحقق هذا التفاعل في النجوم بفضل الجاذبية العالية، ونفس الشيء يمكن أن يتحقق على الأرض باستخدام المجالات المغناطيسية لضغط البلازما عالية الحرارة (درجة حرارة عالية تصل إلى ملايين الدرجات المئوية).

ظلت المجتمعات العلمية تصقل هذه العملية لسنوات، وأنجزت في الواقع بعض التفاعلات الاندماجية النظيفة، ولكن فقط لفترات قصيرة جداً من الزمن. في عام 2013، نجح مفاعل توكاماك في إبقاء تفاعل اندماج مستمر لحوالي 30 ثانية، وهي خطوة كبيرة نظراً إلى أن التفاعلات السابقة لم تستمر أكثر من بضعة مللي ثانية.

ما يلي هو كل ما تحتاج لمعرفته حول الاندماج النووي، ومشاكله ومخاطره، وكيف يمكن أن يحول عالمنا تماماً.

لماذا الاندماج صعبٌ للغاية؟

لأن الحرارة اللازمة لإحداث تفاعل مستدام مرتفعة جداً، فإن المواد التي سيتم استخدامها لاحتواء التفاعل قد تذوب بشكل طبيعي، والبديل هو استخدام المجالات المغناطيسية لتقليص البلازما الناتجة، وبالتالي إبقاء البلازما ضمن مسافة معقولة بعيداً عن الجدران الداخلية للمفاعل، ولكن هذا يطرح بعض المشكلات في حد ذاته.

وتفسر يورو فيوجن العملية: “من خلال إنشاء خطوط المجال المغناطيسي في شكل ملفات حلقية حول المناطق الداخلية من التوكاماك، تضطر الأيونات والإلكترونات في البلازما إلى السفر بإحكام حول خطوط المجال، مما يمنعها من الهرب من الوعاء، وتساعد حقول إضافية في تشكيل البلازما والاحتفاظ بها مستقرة داخل التوكاماك، ويتم إنشاء الحقول المغناطيسية من خلال لفائف تحيط بوعاء التوكاماك”.

ومع ذلك، فإن التكنولوجيا المستخدمة لإنشاء حقول مغناطيسية قوية ليست متقدمة بما فيه الكفاية، على الرغم من أننا قريبون جداً من تحقيق المطلوب.

لماذا الاندماج النووي أفضل من الانشطار؟

باختصار، عملية الانشطار النووي هي تحطيم الذرات، وعملية الاندماج النووي هي جمع الذرات معاً.

مفاعلات الانشطار – كالتي تغذي شبكات الكهرباء اليوم – تستخدم اليورانيوم 235 الذي يتم قصفه بالنيوترونات عالية السرعة، مما يفكك ذرات اليورانيوم ويطلق الطاقة التي يتم تسخيرها فيما بعد على هيئة حرارة، والمشكلة في هذه العملية هي أن نواتجها – وأبرزها أشعة غاما – تشكل خطراً، فيمكن أن تسبب السرطان في جرعاتها الصغيرة ويمكن أن تكون قاتلة إذا تم التعرض لها بجرعات كبيرة بما فيه الكفاية.

ملكية الصورة: ناسا
ملكية الصورة: ناسا
بالإضافة إلى الأشعة الضارة المنبعثة من تفاعل الانشطار، فإن النفايات النووية الناتجة منها تظل مشعة – من الناحية العملية – إلى الأبد.
على الجانب الآخر، في حين أن مفاعلات الاندماج تنتج نفايات مشعة، إلا أن فترة عمر النصف لهذه المواد أقصر بكثير، وليست خطيرة إذا ما قورنت بتلك الناتجة من تفاعلات الانشطار.
في الواقع، المنتجات الثانوية الأولى للاندماج هي الهليوم، وجسيمات النيوترينو، والحرارة. الهيليوم غير مؤذٍ حيثُ إنه غاز خامل، والحرارة يتم امتصاصها واستخدامها كقوة دافعة لتزويد مولدات البخار، وجسيمات النيوترينو يمكن مجابهتها بسهولة بالتدريع، وفي الظروف الاعتيادية لا تتواجد هذه الانبعاثات بتركيزات عالية بما يكفي لتؤثر في البيئة المحيطة.

ما هو نوع الوقود الذي يستخدمه مفاعل الاندماج؟

أنواع الوقود الأكثر شيوعاً والمقبول استخدامها في مفاعلات الاندماج هي الديوتيريوم، والتريتيوم، والهليوم-3 أو البورون-11، وتُستخدم هذه العناصر بكميات ضئيلة نسبياً، والديوتيريوم يمكن استخراجه من مياه البحر.

النجوم الاندماجية وغير الاندماجية

الشمس في مركز المجموعة الشمسية تسحق العناصر التي داخلها تحت الكثير من الضغط (الذي تتسبب فيه جاذبية الشمس الهائلة)، وتندمج ذرات الهيدروجين لتكوّن الهليوم وتطلق الحرارة والضوء، وأنواعاً أخرى من الإشعاعات التي تدعم وتصيب الأرض على حد سواء.

من المحتمل ألا نتمكن أبداً من الوصول لتفاعل اندماج مماثل لما يحدث في الشمس على الأرض، وذلك بسبب عدم قدرتنا على خلق الجاذبية الاصطناعية المطلوبة، ولكن يمكننا تقليص وضغط تفاعلات مماثلة يمكن أن تؤدي تقريباً إلى نفس النتيجة.

ملكية الصورة: VisualPhotos
ملكية الصورة: VisualPhotos
النجم النيوتروني هو مثال لنجم اندماجي سابق، استهلك كل الوقود تاركاً وراءه نواة متقلصة من المواد الباقية.

في حين أن هذا النوع من نجوم أصغر بكثير في الأبعاد المادية كان عليه في السابق، إلا أن هذه المواد المتبقية كثيفة للغاية، إذ يصل وزن مقدار ملعقة صغيرة منها حوالي 5000 طن.

لماذا نهتم جداً بالاندماج النظيف؟

الأثر البيئي للاندماج وحده (أو عدمه) هو سبب أكثر من كافٍ لإجراء البحوث وتحسين هذه التكنولوجيا، والاندماج لديه القدرة على توليد كهرباء غير مكلفة، ومتاحة بشكل أكبر، وفي نهاية المطاف أرخص من حيث المواد الخام، والتخلص من النفايات، والقوى العاملة.

من الناحية التجارية يمكن لطاقة الاندماج أن تكون قادرة على أن تعمل بأمان أكبر، وبشكل أكثر كفاءة من الطرق الحالية لإنتاج الطاقة، وبتكلفة أقل مع إنتاج عالٍ للطاقة.

حسناً، ولكن كيف ستؤثر طاقة الاندماج عليّ؟

من المحتمل في نهاية المطاف أن النتيجة الوحيدة التي قد نراها هي تغير في قيمة فواتير الكهرباء، وربما للأفضل، ولكن لنأخذْ في الاعتبار أن طاقة الاندماج غير متوفرة تماماً بعد، ونحن ليس لدينا أي فكرة عمّا ستكون عليه التكلفة النهائية. في البداية ربما لن نرى أي تغيير في فواتير الكهرباء، ولكن مع مرور الوقت فإن التضخّم المنتظم في أسعار الطاقة سوف يصبح أكثر ثباتاً وأقل حدة.

لنضع في الاعتبار أن طاقة الاندماج لا تعتمد على الوقود الأحفوري، وسرعة الرياح أو التعرض للشمس كما في أساليب إنتاج الطاقة الحالية، وهذا يعني أن المادة المطلوبة لتشغيل مفاعل توكاماك هي أكثر موثوقية من الإمدادات المتناقصة باطراد من النفط والفحم، في حين أن نفس الشيء يمكن أن يقال عن المفاعلات الانشطارية، إلا أن التكلفة أعلى، والأمان أقل، والتخلص من النفايات مشكلة أكبر (كما هو موضح أعلاه).

كيف سيكون تأثير طاقة الاندماج على العالم؟

تجارياً، ستحتكر الشركات الكبرى في البداية طاقة الاندماج العملية، وفي نهاية الأمر الشركات هي من يوفر معظم التمويل لبحوث الاندماج حتى على المستوى الأكاديمي، على الرغم من عدم تجرّد الحكومة الأمريكية من التمويل، لكن المنافسة ستبقي الأسعار منخفضة.

الاندماج قد يعني موت مصادر الطاقة المتجددة مثل: الرياح، وإنتاج الطاقة الشمسية، وطاقة المد الحركية.

ربما ستجد الأجيال القادمة شيئاً يشكروننا عليه.

بعض أبرز مشاريع الاندماج الواعدة:

Wendelstein 7-X
JET
K-STAR
TFTR

فوائد الاندماج النووي

يتميز الاندماج النووي عن الانشطار النووي كمصدر للطاقة بالمميزات الآتية :

1- وفرة الوقود الاندماجي فمن المعروف أن الديوتريوم s21Hيوجد في الماء الثقيل بمياه البحر حيث يكون نسبته إلى الماء العادي 1 : 6000 . وهذه الكمية من الديوتريوم تكفي لإنتاج الطاقة اللازمة للبشرية لحوالي 20 ألف مليون سنة .

2- الطاقة الناتجة من المفاعل الاندماجي أكبر من طاقة المفاعل الانشطاري فالكيلو جرام من اليورانيوم ينتج طاقة تعادل 22.9 مليون كيلووات ساعة بينما الكيلو جرام من الديوتيريوم ينتج 177.5 مليون كيلووات ساعة أي أنها أكبر بحوالي ثمان مرات .

3- لا تتخلف نظائر مشعة من عملية الاندماج النووي بينما يتخلف من عملية الانشطار النووي نفايات عالية الإشعاع التي تقدر بحوالي 8000 طن سنوياً من المفاعلات النووية العاملة في العالم .

طاقة الاندماج النووي

أنواع الوقود الأكثر شيوعاً والمقبول استخدامها في مفاعلات الاندماج هي الديوتيريوم، والتريتيوم، والهليوم-3 أو البورون-11، وتُستخدم هذه العناصر بكميات ضئيلة نسبياً، والديوتيريوم يمكن استخراجه من مياه البحر.

النجوم الاندماجية وغير الاندماجية

الشمس في مركز المجموعة الشمسية تسحق العناصر التي داخلها تحت الكثير من الضغط (الذي تتسبب فيه جاذبية الشمس الهائلة)، وتندمج ذرات الهيدروجين لتكوّن الهليوم وتطلق الحرارة والضوء، وأنواعاً أخرى من الإشعاعات التي تدعم وتصيب الأرض على حد سواء.

من المحتمل ألا نتمكن أبداً من الوصول لتفاعل اندماج مماثل لما يحدث في الشمس على الأرض، وذلك بسبب عدم قدرتنا على خلق الجاذبية الاصطناعية المطلوبة، ولكن يمكننا تقليص وضغط تفاعلات مماثلة يمكن أن تؤدي تقريباً إلى نفس النتيجة.

ملكية الصورة: VisualPhotos
ملكية الصورة: VisualPhotos
النجم النيوتروني هو مثال لنجم اندماجي سابق، استهلك كل الوقود تاركاً وراءه نواة متقلصة من المواد الباقية.

في حين أن هذا النوع من نجوم أصغر بكثير في الأبعاد المادية كان عليه في السابق، إلا أن هذه المواد المتبقية كثيفة للغاية، إذ يصل وزن مقدار ملعقة صغيرة منها حوالي 5000 طن.

لماذا نهتم جداً بالاندماج النظيف؟

الأثر البيئي للاندماج وحده (أو عدمه) هو سبب أكثر من كافٍ لإجراء البحوث وتحسين هذه التكنولوجيا، والاندماج لديه القدرة على توليد كهرباء غير مكلفة، ومتاحة بشكل أكبر، وفي نهاية المطاف أرخص من حيث المواد الخام، والتخلص من النفايات، والقوى العاملة.

من الناحية التجارية يمكن لطاقة الاندماج أن تكون قادرة على أن تعمل بأمان أكبر، وبشكل أكثر كفاءة من الطرق الحالية لإنتاج الطاقة، وبتكلفة أقل مع إنتاج عالٍ للطاقة.

حسناً، ولكن كيف ستؤثر طاقة الاندماج عليّ؟

من المحتمل في نهاية المطاف أن النتيجة الوحيدة التي قد نراها هي تغير في قيمة فواتير الكهرباء، وربما للأفضل، ولكن لنأخذْ في الاعتبار أن طاقة الاندماج غير متوفرة تماماً بعد، ونحن ليس لدينا أي فكرة عمّا ستكون عليه التكلفة النهائية. في البداية ربما لن نرى أي تغيير في فواتير الكهرباء، ولكن مع مرور الوقت فإن التضخّم المنتظم في أسعار الطاقة سوف يصبح أكثر ثباتاً وأقل حدة.

لنضع في الاعتبار أن طاقة الاندماج لا تعتمد على الوقود الأحفوري، وسرعة الرياح أو التعرض للشمس كما في أساليب إنتاج الطاقة الحالية، وهذا يعني أن المادة المطلوبة لتشغيل مفاعل توكاماك هي أكثر موثوقية من الإمدادات المتناقصة باطراد من النفط والفحم، في حين أن نفس الشيء يمكن أن يقال عن المفاعلات الانشطارية، إلا أن التكلفة أعلى، والأمان أقل، والتخلص من النفايات مشكلة أكبر (كما هو موضح أعلاه).

كيف سيكون تأثير طاقة الاندماج على العالم؟

تجارياً، ستحتكر الشركات الكبرى في البداية طاقة الاندماج العملية، وفي نهاية الأمر الشركات هي من يوفر معظم التمويل لبحوث الاندماج حتى على المستوى الأكاديمي، على الرغم من عدم تجرّد الحكومة الأمريكية من التمويل، لكن المنافسة ستبقي الأسعار منخفضة.

الاندماج قد يعني موت مصادر الطاقة المتجددة مثل: الرياح، وإنتاج الطاقة الشمسية، وطاقة المد الحركية.

ربما ستجد الأجيال القادمة شيئاً يشكروننا عليه.

بعض أبرز مشاريع الاندماج الواعدة:

Wendelstein 7-X
JET
K-STAR
TFTR

الاندماج النووي DOC

تفاعل الاندماج النووي (يعرف أيضا بالـ تيرمونووي) هو، بالإضافة إلى الانشطار، أحد أهم أنواع التفاعلات النووية التطبيقية.

الاندماج النووي عملية تتجمع فيها نواتان ذريتان لتكوين نواة واحدة أثقل. ويلعب اندماج الأنوية الخفيفة مثل البروتون وهو نواة ذرة الهيدروجين والديوترون نواة الهيدروجين الثقيل والتريتيون وهو نواة التريتيوم دوراً هائلاً في العالم وفي الكون، حيث ينطلق خلال هذا الاندماج كمية هائلة من الطاقة تظهر على شكل حرارة وإشعاع كما يحدث في الشمس، فتمدنا بالحرارة والنور والحياة. فبدون هذا التفاعل ما وُجدت الشمس وما وُجدت النجوم، ولا حياة من دون تلك الطاقة المسماة طاقة الاندماج النووي. وتنتج تلك الطاقة الهائلة عن فقد في وزن النواة الناتجة عن الاندماج النووي، وهذا الفقد في الكتلة يتحول إلى طاقة طبقاً لمعادلة ألبرت أينشتاين التي تربط العلاقة بين الكتلة والطاقة.

هذا التفاعل هو الذي يغذي الشمس وباقي النجوم الأخرى في الكون، ويمدهم بالحرارة والضوء.

فائدة الاندماج النووي تكمن في إطلاقه كميات طاقة أكبر بكثير مما يطلقه الانشطار. وبالإضافة إلى ذلك، فإن المحيطات تحتوي بشكل طبيعي على كميات كافية من الديوتيريوم اللازم للتفاعل فإذا فلح الإنسان في ترويض تلك الطاقة لتغذية الكوكب بالطاقة لمدة آلاف السنين، كما أن المواد المنبعثة عن الاندماج (خصوصا الهيليوم 4)، ليست مواداً مشعّة.

و على الرغم من العدد الكبير من التجارب التي تم القيام بها في كل أنحاء العالم منذ خمسين سنة، فإنه لم يتم التوصل إلى بناء مفاعل يعمل بالاندماج، ولكن الأبحاث في تقدم مستمر لغرض التوصل إلى ذلك. وكل ما استطاع الإنسان التوصل إليه في هذا المجال جاء في المجال العسكري بابتكار القنبلة الهيدروجينية.

تقنية المستقبل الاندماج النووي الحراري

آلية الاندماج
يحدث تفاعل الاندماج النووي عندما تتداخل نواتان ذريتان. ولكي يتم هذا التداخل، لا بد من أن تتخطى النواتان التنافر الحاصل بين شحنتيهما الموجبتين (و تعرف الظاهرة بالـحاجز الكولومبي). إذا ما طبقنا قواعد الميكانيكا الكلاسيكية وحدها، سيكون احتمال الحصول على اندماج الأنوية منخفضا للغاية، بسبب الطاقة الحركية (الموافقة للهيجان الحراري) العالية جدا اللازمة لتخطي الحاجز المذكور. وفي المقابل، تقترح ميكانيكا الكم، وهو ما تؤكده التجربة، أن قانون كولوم يمكن تخطيه أيضا نفق ميكانيكا الكم، بطاقات أكثر انخفاضا.

وبالرغم من ذلك، فإن الطاقة اللازمة للاندماج تبقى مرتفعة جداً، وهو ما يقابله حرارة أكثر من عشرات أو ربما مئات الملايين من الدرجات المئوية حسب طبيعة الأنوية. وفي داخل الشمس على سبيل المثال، يجري تفاعل اندماج الهيدروجين المؤين عبر مراحل إلى تولد الهليوم، في ظل حرارة تقدر ب 15 مليون درجة مئوية، ويحدث ذلك ضمن عدة تفاعلات مختلفة تنتج عنها حرارة الشمس. وتُدرس بعض تلك التفاعلات بين نظائر الهيدروجين بغرض إنتاج الطاقة عبر الاندماج مثل الديوتيريوم-ديوتيريوم أو الديوتيريوم-تريتيوم (انظر أسفله). أما في الشمس فتتواصل عملية الاندماج إلى العناصر الخفيفة ثم المتوسطة ثم ينتج منها العناصر الثقيلة مثل الحديد، الذي يحتوي في نواته على 26 بروتون ونحو 30 من النيوترونات. وفي بعض النجوم الأكثر كتلة عن الشمس، تتم عمليات اندماج لأنوية أضخم تحت درجات حرارة أكبر.

وعندما تندمج أنوية صغيرة، تنتج نواة غير مستقرة تسمي أحيانا نواة مركبة، ولكي تعود إلى حالة استقرار ذات طاقة أقل، تـُطلق جسيم أو أكثر (فوتون، نيوترون، بروتون، على حسب التفاعل)، وتتوزع الطاقة الزائدة بين النواة والجسيمات المطلقة في شكل طاقة حركيّة. وطبقاً للرسم التوضيحي تنطلق نواة ذرة الهيليوم بطاقة قدرها {\displaystyle 5.3~MeV}{\displaystyle 5.3~MeV} وينطلق النيوترون بطاقة قدرها {\displaystyle 14.1~MeV}{\displaystyle 14.1~MeV} (ميجا إلكترون فولت). وفي المفاعلات الاندماجية الجاري تطبيقها حاليا يجتهد العلماء للحصول على مردود جيد من الطاقة خلال الاندماج، أي من الضروري أن تكون الطاقة الناتجة أكبر من الطاقة المستهلكة لتواصل التفاعلات واستغلال الحرارة الناتجة في إنتاج الطاقة الكهربائية. كما يجب عزل محيط التفاعل ومواد المحيط في المفاعلات الاندماجية.

عندما لا يوجد أي وضع مستقر، تقريبا، قد يكون من المستحيل أن نقوم بإدماج نواتين (على سبيل المثال : {\displaystyle {}^{4}\mathrm {He} }{\displaystyle {}^{4}\mathrm {He} } + {\displaystyle {}^{3}\mathrm {He} }{\displaystyle {}^{3}\mathrm {He} }).

اندماج نووي.
إن التفاعلات الاندماجية التي تطلق أكبر قدر من الطاقة هي تلك التي تستخدم أكثر الأنوية خفّة لإنتاج الهيليوم، لأن الهيليوم ونواته جسيم ألفا هي أقوى نواة ذرة على الإطلاق من جهة تماسكها، فهي تحتوي على 2 بروتون و 2 نيوترون وهؤلاء الأربعة شديدو التماسك بحيث يتحول جزء يعادل 005و0 من كتلتهم كما في التفاعل الموضح بالرسم ،إلى طاقة حركة تتوزع بين نواة الهيليوم الناتجة والنيوترون. ومجموع الطاقتين الموزعتين = 3,5 + 14,1 = 17,6 ميجا إلكترون فولت. وبالتالي فإن أنوية الدويتيريوم (بروتون واحد ونيوترون واحد) والتريتيوم (بروتون واحد ونيوترونان)، مستخدمة في التفاعلات التالية :

ديوتيريوم + ديوتيريوم -> هيليوم 3 + نيوترون
ديوتيريوم + ديوتيريوم -> تريتيوم + بروتون
ديوتيريوم + تريتيوم -> هيليوم 4 + نيوترون
ديوتيريوم + هيليوم-3 -> هيليوم-4 + بروتون
و هذه التفاعلات هي أكثر التفاعلات دراسة في المخابر عند تجارب الاندماج المراقبة، وكل منها ينتج نحو 17 ميجا إلكترون فولت من الطاقة.

الاندماج في النجوم
أهم عملية اندماجية نووية في الطبيعة هي التي تحدث في النجوم. في القرن العشرين تم التوصل إلى أن الطاقة الناتجة من التفاعلات الاندماجية النووية في الشمس والنجوم الأخرى هي المسؤولة عن عمرها الطويل كمصدر للحرارة والضوء؛ واندماج الأنوية في النجم -والتي يغلب على تركيبه الأساسي الهيدروجين والهيليوم- هو المزود لهذه الطاقة والذي يكوّن أنوية جديد كناتج لهذه العملية الاندماجية.

المنتِج الرئيسي للطاقة في الشمس هو اندماج الهيدروجين لتكوين الهيليوم والذي يحدث في درجة حرارة نواة الشمس المقدرة بـ 14 مليون كلفن. فتصبح النتيجة النهائية هي اندماج 4 بروتونات مكوّنة جسيم ألفا – مع إطلاق بوزيترونين- ونيوترينيوين (واللذان يحولان بروتونين إلى نيوترونين) وطاقة. وتحدث عدة سلسلات من التفاعلات الأخرى بحسب كتلة النجم. في النجوم التي بحجم الشمس أو أصغر تسيطر سلسلة التفاعلات بروتون-بروتون. أما في النجوم الأثقل من كتلة الشمس فتلعب دورة كربون-نيتروجين-أوكسجين دور أهم.

الاندماج المتحكم فيه
يمكن التفكير في عدة طرق تمكّننا من احتجاز محيط التفاعل للقيام بتفاعلات اندماج نووية، ويقوم العلماء فعلا بتلك التجارب بواسطة الاحتجاز المغناطيسي لما يسمى البلازما في جهاز مفرغ من الهواء مع رفع درجة حرارة البلازما إلى عشرات الملايين درجة مئوية. ولكن احتجاز البلازما – وهي أنوية التريتيوم و الديوتيروم العارية من الإلكترونات – تحت هذه الحرارة العالية صعب جدا إذ كلها تحمل شحنة كهربائية موجبة تجعلهم يتنافرون عن بعضهم. فما يلبث التفاعل أن يبدأ بينهم لمدة أجزاء من الثانية حتى يتنافروا ويتوقف التفاعل. وينصب حاليا اهتمام العلماء على ابتكار وسيلة يستطيعون بها إطالة مدة انحصار البلازما وإطالة مدة التفاعل. وتلك المجهودات ما هي إلا بغرض استغلال طاقة الاندماج النووي لإنتاج الطاقة الكهربائية.

الاندماج بالاحتجاز المغناطيسي

التوكاماك، حيث يحتجز خليط من نظائر الهيدروجين بواسطة حقل مغناطيسي بالغ الشدة.
الستيلاتور، حيث تؤمن الحواث (inductors) الاحتجاز بالكامل.
بلازما الاندماج

رسم بياني يوضح العلاقة بين درجة الحرارة ومعدل التفاعل لثلاثة أنواع من التفاعلات الاندماجية.
عندما تصل الحرارة الدرجة التي يحصل فيها الاندماج، تكون المادة في حالة بلازما. إنها حالة خاصة للمادة الأولية، تكوّن فيها الذرات أو الجزيئات غازا أيونيا.

تحت درجات الحرارة العالية يتم اقتلاع إلكترون أو أكثر من السحابة الإلكترونية المحيطة بكل نواة، مما ينتج عنه أيونات موجبة وإلكترونات طليقة.

ينتج عن التحرك الكبير للأيونات والإلكترونات داخل بلازما حرارية، عدة اصطدامات بين الجسيمات الموجبة الشحنة الكهربية. ولكي تكون هذه الاصطدامات قوية بما فيه الكفاية لإنشاء تفاعل اندماجي، تتدخل ثلاث عوامل :

الحرارة {\displaystyle T}{\displaystyle T} ;
الكثافة {\displaystyle N}{\displaystyle N} ;
زمن الاحتجاز {\displaystyle \tau }{\displaystyle \tau }.
حسب لوسون فإن المعامل {\displaystyle N\tau }{\displaystyle N\tau }. يجب أن يصل حدا فاصلا للحصول على الـ breakeven حيث تكون الطاقة الناتجة عن الاندماج مساوية للطاقة المستخدمة. يحدث الإيقاد إثر ذلك في مرحلة أكثر إنتاجا للطاقة (لم يتوصل العلماء لإيجادها حتى اليوم في المفاعلات التجريبية الحالية). إنه الحد الذي يكون التفاعل إثره قادرا على المواصلة من تلقاء ذاته من دون انقطاع. لتفاعل ديتوريوم + تريسيوم، يقدّر هذا الحد بـ {\displaystyle 10^{14}}{\displaystyle 10^{14}} ثانية/سم³.

 الفرق بين التفاعل النووي الاندماجي والانشطاري

الفرق بين الإنشطار النووي والإندماج النووي
أولا: الإنشطار النووي
الإنشطار النووي عبارة عن تفاعل يحدث بين الذرات، وينتج عن هذا التفاعل قدر هائل من الطاقة، حيث أنه في الإنشطار النووي يتم تعريض نواة عنصر ثقيل لمجموعة من النيوترونات المتعادلة في الشحنة والتي عندما تصطدم بنواة الذرة الكبيرة تتسبب في إنشطار النواة لنصفين متساويين وهما أحد نظائر العنصر الأصلي، وينتج عن هذا الإجراء قدر هائل من الطاقة، وهذا التفاعل لابد أن يتم تحت ظروف معينة حتى لا يتسبب في حدوث دمار هائل، حيث أنه ينتج قدر هائل من الطاقة والتي لابد من التحكم بها جيدا وتوجيهها حتى لا يحدث أي خطأ يؤدي لكارثة.

أول من إكتشف تفاعلات الإنشطار النووي
العنصر المشع اليورانيوم هو أخر عنصر تم إكتشافه وإضافته للجدول الدوري وكان هذا في عام 1934 ميلادية، وبعدها حاول العالم الفيزيائي فيرمي أن يستخدم اليورانيوم في إنتاج عنصر جديد يضيفه للجدول الدوري، فقرر أن يقذف ذرات اليورانيوم بنيوترون، فقد ظن أنه سوف ينتج عن التفاعل عنصر جديد، ولكن عندما قام بالتجربة نتج عن هذا ذرتين لأحد نظائر اليورانيوم المشعة مع قدر كبير من الطاقة، ومن هنا توجده العالم لإستخدام اليورانيوم في تفاعلات الإنشطار النووي.

مصدر الطاقة في تفاعلات الإنشطار النووي
في عام 1938 ميلادية قدم العالم إدا نوداك وصف دقيق لهذا التفاعل، حيث أنه لاحظ أنه عند القيام بالتفاعل فإن نواة ذرات اليورانيوم الثقيلة تنشطر إلى ذرتين متوسطتين في الكتلة، ولكنه لاحظ بأن كتلة المواد الداخلة في التفاعل أكبر من كتلة المواد الناتجة عن التفاعل، وهو الأمر الذي يتنافى مع قانون بقاء المادة ولكنه إستخدم قانون النسبية لتوضيح الأمر، حيث أنه وجد أن كتلة المواد الناتجة عن التفاعل أقل من كتلة المواد الداخلة في التفاعل لأن الفقد في الكتلة قد تحول إلى طاقة، ومن الممكن حساب الطاقة الناتجة من التفاعل بالمعادلة التالية:

الطاقة = الكتلة المفقودة * مربع سرعة الضوء.

ثانيا: الإندماج النووي
في الإندماج النووي يحدث عكس ما تم في الإنشطار، حيث انه بدلا من إنشطار نواة عنصر ثقيل يتم الدمج بين نواتين لعنصرين خفيفين، وبالطبع لا يوجد أخف من الهيدروجين، لهذا يتم الدمج بين نواتي ذراتين من الهيدروجين ويكون الناتج من التفاعل عنصر الهيليوم ونيوترون حر وكمية هائلة من الطاقة التي من الممكن أن تكون مدمرة، والتفاعل يحدث كالتالي

21H + 21H = 32He + 10n +Energy

الإندماج النووي في الطبيعة
بالنظر لتفاعل الإندماج النووي قد يظن البعض بأنه تفاعل سهل ويمكن تنفيذه بسهولة وهذا لأن عناصره متوفرة ونتائجه غير مشعة، ولكن يجب العلم بأن تفاعل الإندماج النووي هو المسؤل عن حرارة وطاقة الشمس والنجوم، فهذا التفاعل يحدث في النجوم والشمس، ولكي يتم هذا التفاعل لابد من تعريض ذرات الهيدروجين لطاقة حرارية كبيرة جدا قد تصل إلى 710 درجة مئوية، لكي تتغلب هذه الحرارة على التنافر الذي يحدث بين ذرات الهيدروجين، ولكن ينتج عن التفاعل طاقة كبيرة جدا، ومن العب التحكم فيها.

العلاقة بين الإنشطار النووي والإندماج النووي
يوجد علاقة وثيقة بين التفاعلين، فبالإضافة لأن كلاهما مدمر إلا أنه لكي يتم عمل تفاعل إندماج نووي بين ذرات الهيدروجين لابد من توافر قدر هائل من الطاقة حتى يتم التفاعل، وهذه الطاقة النووية يمكن الحصول عليها عن طريق تفاعل الإنشطار النووي.

حيث أنه عند صنع القنبلة الهيدروجينية، يكون في قلبها قنبلة تعتمد على الإنشطار النووي، وحولها مجموعة من ذرات الهيدروجين، وعند إنفجار القنبلة الداخلية ينتج كمية من الطاقة تساعد في توفير الظروف المناسبة لذرات الهيدروجين حتى يحدث بينها إندماج ويحدث إندماج نووي.

الطاقة الناتجة من الإنشطار النووي والإندماج النووي
بالنظر لعدد الذرات فإنه عند إندماج نواتين من الهيدروجين ينتج طاقة ضئيلة جدا مقارنة بين الإنشطار الذي يحدث لذرات اليورانيوم، حيث يساوي تقريبا 2% فقط من الطاقة الناتجة عن الإنشطار.

ومع هذا فإن الطاقة التي تنتج عن الإندماج أكبر، حيث أنه عندما تتعرض ذرات من اليورانيوم الثقيل والتي تزن كيلو جرام لعملية الإنشطار، فإن الطاقة الناتجة تكون أقل من إدماج كيلو جرام من ذرات الهيدروجين، حيث أن ذرات الهيدروجين أخف كثيرا من ذرات اليورانيوم، لهذا يكون عدد ذرات الهيدروجين في الكيلو جرام أكبر بكثير من عدد ذرات اليورانيوم في الكيلو جرام الواحد.

يستخدم في الغالب تفاعل الإنشطار لإنتاج الطاقة في المولدات، حيث يتم توفير الظروف التي يمكن أن تساعد في التحكم في معدل إنشطار الذرات حسب الحاجة، وأيضا يستخدم في صناعة القنابل الذرية، أما تفاعل الإندماج فيستخدم في صناعة القنبلة الهيدروجينية.

يختلف التفاعل النووي الاندماجي عن الانشطاري

هذا السؤال قد يكون محيرا احيانا عندما يسالك احد الاصدقاء عن القنابل الذرية هل تستخدم الاندماج النووي او الانشطار النووي او كلاهما وماذا عن القنبلة الهيدروجينية؟

كبداية للاجابة على هذا التساؤل لو فكرنا في كلمة اندماج فاننا سوف نقول انها عملية يحدث فيها اندماج شيئين او اكثر مع بعضهما البعض ليكونا جسما واحدا. هذا تعريف الاندماج والذي ينطبق على الاندماج النووي ايضا وهنا نتحدث عن انوية الذرات. لكن قبل التقدم اكثر في الشرح والتوضيح دعنا نسترجع بعض المعلومات الاساسية المتعلقة بالذرات والانوية.

بعض المعلومات عن الذرات والانوية

من المعروف ان الذرة هي وحدة البناء الاساسية لكل المواد .. كل شيء حولنا وحتى نحن. اعتبر على سبيل المثال جسم انسان يزن حوالي 70 كيلو جرام فانه يحتوي على ما يقارب 7×1027 ذرة!

كما ان الذرة تحتوي على فراغ كبير حيث وصفها العلماء بانها معظمها فراغ مما دعى العلماء لوضع فرضية ان كل الجنس البشري يمكن وضعه في مكعب سكر! على اي حال في داخل هذا الفراغ يوجد نواة وحول النواة تدور الالكترونات في مستويات طاقة مختلفة. تتكون النواة من بوتونات ونيوترونات.

 

نميز بين عنصر واخر من خلال العدد الذري وهو عدد البروتونات في الذرة اذا كانت نواة العنصر مكونة من بروتون واحد فاننا نتحدث عن الهيدروجين واذا كنت تحتوي على بروتونين فاننا نتحدث عن الهيليوم وهكذا.

وعندما يزداد عدد البروتونات داخل النواة نصف العنصر بانه من العناصر الثقيلة وهذا عندما تكون عدد البروتونات اكثر من 92.

الاندماج النووي Nuclear Fusion

يحدث الاندماج النووي عندما تتحد نواتين او اكثر لتشكل عنصر جديد بنواة اثقل او عنصر بعدد ذري اعلى. خلال عملية الاندماج يتحول جزء من المادة إلى طاقة في صورة فوتونات. مثل هذا الاتحاد لنواتين او اكثر لتكوين نواة اثقل تتحرر كمية طاقة هائلة حسب معادلة تكافؤ الطاقة والكتلة لاينشتين.

ما الفرق بين الانشطار النووي والانصهار النووي؟

 

معظم التفاعلات الاندماجية التي تحدث على الارض تكون بين نظيري الهيدروجين وهما الديتيريوم Deuterium والتريتيوم Tritium.

ما الفرق بين الانشطار النووي والانصهار النووي؟

على الشمس وعلى كل النجوم بمختلف انواعها تحصل على طاقتها من التفاعلات الاندماجية النووية. ولهذا السبب هي متوهجة منذ زمن بعيد.

الانشطار النووي Nuclear Fission

الانشطار النووي هي عملية تنشطر فيها نواة الذرة إلى جسيمات اصغر مثل النيوترونات الحرة وتتحرر طاقة هائلة. في الشكل التالي تفاعل انشطار نووي لنواة عنصر اليورانيوم 235 ينتج عنه عناصر صغيرة تتحرك بسرعة.

ما الفرق بين الانشطار النووي والانصهار النووي؟

كما هو واضح ان الانشطار النووي عكس الاندماج النووي تماما. التشابه في كلا العمليتين هو ان الطاقة تتحرر بكميات هائلة. والاندماج النووي هو المبدأ الاساسي للاسلحة النووية مثل القنابل النووية انظر مقال كيف تعمل القنبلة النووية.

مقارنة بين الاندماج النووي والانشطار النووي

(١) الحدوث في الطبيعة

تحدث التفاعلات النووية الاندماجية في الاجسام الكونية مثل الشمس والنجوم الاخرى بشكل طبيعي بينما لكي تقوم بتفاعل انشطار نووي فان الامر يتطلب تدخل خارجي مع شروط تحكم عالية جدا.

(٢) النواتج
يتحرر عن التفاعل الانشطاري الكثير من المواد المشعة بالمقارنة مع نواتج التفاعل الاندماجي. لكن حتى في التفاعل الاندماجي تتحرر كمية كبيرة من المواد المشعة اذا كان هناك خلل في عملية التحكم في التفاعل.
(٣) الطاقة اللازمة

يتطلب للتفاعلات الاندماج النووي طاقة ضخمة جدا بحجم يتوفر على الشمس والنجوم. اما التفاعل الانشطاري يتطلب طاقة اقل نسبيا.

(٤) الطاقة المتحررة

في حين ان الطاقة المتحررة من التفاعل الانشطاري تتعدى ملايين المرات من الطاقة التي تنتجها التفاعلات الكيميائية العادية الا ان الطاقة المتحررة خلال التفاعل الاندماجي اكبر بـ ٣ – ٤ مرات من التفاعل الانشطاري.

(٥) الوقود

في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالطاقة الاندماجية النووية يستخدم بشكل اساسي نظائر الهيدروجين اي الديتيريوم والتريتيوم بينما في تفاعلات الانشطار النووي يستخدم بشكل اساسي اليورانيوم كوقود.

(٦) الشروط اللازمة

في حين ان التفاعل الاندماجي يتطلب درجة حرارة عالية جدا وبيئة ذات كثافة عالية فان التفاعل الانشطاري يتطلب نيوترونات سريعة وكتل حرجة للمواد.

(٧) الاستحدام في مجال الاسلحة النووية

يستخدم الانشطار النووي في في القنابل الانشطارية او ما يعرف بالقنابل الذرية في حين يستخدم الاندماج النووي في القنابل الهيدروجينية.

تتطلب كلا العمليتين تجهيزات خالية من اي خلل او اخطاء وعملية تشغيل بالغة الدقة. كما تجدر الاشارة إلى ان العمليتين مكلفتين جدا لكن اذا استخدمت بنوايا حسنة فانهما يعتبران مصدرا لا ينضب للطاقة لاستمرار الحياة على الارض.

المفاعلات الاندماجية

المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي (يرمز له اختصاراً ITER وذلك من International Thermonuclear Experimental Reactor وباللاتينية تعني الطريقة أو الطريق) هو مشروع بحثي دولي يختص بالاندماج والانصهار النووي ومشاريعه الهندسية، والتي تقوم حالياً ببناء أكبر مفاعل انصهار في العالم التجريبي توكاماك النووي في منشأة كاداراش في جنوب فرنسا . ويهدف المشروع ايتر لتحقيق الانتقال الذي طال انتظاره من الدراسات التجريبية لفيزياء البلازما إلى محطات طاقة الاندماج النووي بغرض إنتاج الكهرباء على نطاق واسع.

تعتمد فكرة الاندماج النووي على تنفيذ التفاعلات التي تجري في الشمس لإنتاج الطاقة . في الشمس توجد مواد خفيفة كالهيدروجين و نظائره والهيليوم والليثيوم ؛ وهي في حالة بلازما مرتفعة الحرارة والضغط وتتفاعل أيوناتها مع بعضها البعض وتندمج مع بعضها وتنج طاقة حرارية كبيرة . وهذا هو السر في كون تفاعل الشمس قد استمر حتى الآن نحو 5و4 مليار سنة دون أن يتوقف . بل إنها سوف تعطينا حرارتها وأشعتها مدة أخرى تصل إلى نحو 5و4 مليار سنة قادمة . إلى أن تستهلك 90% من الهيدروجين فيها فتبدأ في الدخول في مراحل من عمرها لا تكون في صالح الحياة على الأرض.

مشروع إيتر يسعى إلى تفاعل بلازما الديوتيريوم (نظير ثقيل للهيدروجين) مع الليثيوم. الدراسات السابقة تمت على نحو مصغر بحيث أن تفاعل البلازما كان يتوقف فورا بعد اندماج جزء منه ، إذ ترتفع درجة الحرارة إلى ملايين الدرجات مما يعمل على تفرقة البلازما عن بعضها فيتوقف الاندماج . والفكرة هنا هو تكبير المفاعل وفي نفس الوقت زيادة الضغط على البلازما بواسطة مغناطيسات ضخمة تحصرها في داخل المفاعل وإجبارها على الاستمرار في الاندماج . يأمل العلماء التوصل إلى ذلك بمفاعل الإيتر وابحاثه ، بغرض تنفيذ مفاعل لإنتاج الكهرباء ربما في عام 2050 .

يتم تمويل المشروع ويديره سبعة كيانات للأعضاء؛ وهم الاتحاد الأوروبي (EU)، الهند، اليابان، الصين، روسيا، كوريا الجنوبية والولايات المتحدة. الاتحاد الأوروبي – الطرف المضيف للمجمع أيتر – يساهم بنسبة 45٪ من التكلفة. أما الأطراف الستة الأخرى تساهم بنسبة 9٪ لكل منهم.

مقطع في نموذج مفاعل إيتر : الصورة تبين أحد الوحدات من ضمن 440 وحدة تشكل حلقة بعد تركيبها. إلى اليمين نموذج لشخص لتوضيح حجم المفاعل ITER.
تم تصميم المفاعل لإنتاج 500 ميغاواط من طاقة إنتاج مُدخلة تساوي 50 ميجاوات . أي أن إنتاجه سوف يساوي عشرة مرات كمية الطاقة التي توضع فيه. ومن المتوقع أن تصل تلك الآلة تحقيق ذلك ؛ إذ أن المفاعلات الصغيرة السابقة لم تحقق إنتاج طاقة من الإندماج أكبر من الطاقة المستخدمة لتشغيل التفاعل .

بدأ بناء المنشأة في عام 2007، ومن المتوقع أن يتم إنتاج البلازما الأولى في عام 2023. عندما يتم تشغيل أيتر، سوف تصبح أكبر تجربة للحبس المغناطيسي للبلازما الفيزيائية مُعدة للاستخدام، متجاوزاً تجربة ” تورس” التي تمت قبل ذلك المشروع . ويُبنى مشروع إيتر على أساس ما استفاده العلماء من مفاعل “تورس” السابق . بعد تنفيذ إيتر وإثبات نجاحه فيرى التخطيط بناء أول محطة للإندماج النووي تكون تجارية لتوليد الكهرباء، وسيكون اسمها ديمو DEMO ، وربما كان ذلك بحلول عام 2015.