اندماج نووي: الفرق بين النسختين

[نسخة منشورة][مراجعة غير مفحوصة]
تم حذف المحتوى تمت إضافة المحتوى
JarBot (نقاش | مساهمات)
ط ←‏آلية الاندماج: بوت:إصلاح الوصلات، إزالة التشكيل
تكبير في الخط
سطر 2:
{{فيزياء نووية}}
 
تفاعل '''تفاعل الاندماج النووي''' (يعرف أيضا بالـ ''تيرمونووي'') هو، بالإضافة إلى ال[[انشطار نووي|انشطار]]، أحد أهم أنواع ال[[فيزياء نووية|تفاعلات النووية]] التطبيقية.'''
 
'''الاندماج النووي عملية تتجمع فيها نواتان ذريتان لتكوين [[نواة (توضيح)|نواة]] واحدة أثقل. ويلعب اندماج الأنوية الخفيفة مثل [[بروتون|البروتون]] وهو نواة [[ذرة]] [[هيدروجين|الهيدروجين]] و[[ديوترون|الديوترون]] نواة الهيدروجين الثقيل و[[تريتيون|التريتيون]] وهو نواة [[التريتيوم]] دوراً هائلاً في العالم وفي [[كون|الكون]]، حيث ينطلق خلال هذا الاندماج كمية هائلة من [[طاقة|الطاقة]] تظهر على شكل [[حرارة]] وإشعاع كما يحدث في [[شمس|الشمس]]، فتمدنا بالحرارة والنور والحياة. فبدون هذا التفاعل ما وُجدت [[شمس|الشمس]] وما وُجدت [[نجم|النجوم]]، ولا حياة من دون تلك [[طاقة|الطاقة]] المسماة [[طاقة]] الاندماج النووي. وتنتج تلك الطاقة الهائلة عن فقد في وزن النواة الناتجة عن الاندماج النووي، وهذا الفقد في [[كتلة|الكتلة]] يتحول إلى [[طاقة]] طبقاً لمعادلة [[ألبرت أينشتاين]] التي تربط العلاقة بين [[كتلة|الكتلة]] و[[طاقة|الطاقة]].'''
 
'''هذا التفاعل هو الذي يغذي [[شمس|الشمس]] وباقي [[نجم|النجوم]] الأخرى في [[كون|الكون]]، ويمدهم بالحرارة وال[[ضوء]].'''
 
'''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 [[إنسان|الإنسان]] في ترويض تلك الطاقة لتغذية [[كوكب|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 [[إنسان|الإنسان]] التوصل إليه في هذا المجال جاء في المجال العسكري بابتكار [[قنبلة هيدروجينية|القنبلة الهيدروجينية]].'''
 
== '''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 بالـ''حاجز 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 [[شمس|الشمس]] على سبيل المثال، يجري تفاعل اندماج الهيدروجين المؤين عبر مراحل إلى تولد [[هيليوم|الهليوم]]، في ظل [[حرارة]] تقدر ب '''15 مليون''' درجة مئوية، ويحدث ذلك ضمن عدة تفاعلات مختلفة تنتج عنها حرارة [[شمس|الشمس]]. وتُدرس بعض تلك التفاعلات بين نظائر [[هيدروجين|الهيدروجين]] بغرض إنتاج [[طاقة|الطاقة]] عبر الاندماج مثل الديوتيريوم-ديوتيريوم أو الديوتيريوم-تريتيوم (انظر أسفله). أما في [[شمس|الشمس]] فتتواصل عملية الاندماج إلى العناصر الخفيفة ثم المتوسطة ثم ينتج منها العناصر الثقيلة مثل [[حديد|الحديد]]، الذي يحتوي في نواته على 26 بروتون ونحو 30 من النيوترونات. وفي بعض [[نجم|النجوم]] الأكثر كتلة عن [[شمس|الشمس]]، تتم عمليات اندماج لأنوية أضخم تحت درجات حرارة أكبر.'''
 
'''وعندما تندمج أنوية صغيرة، تنتج [[نواة (توضيح)|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 [[طاقة|الطاقة]] الزائدة بين ال[[نواة (توضيح)|نواة]] والجسيمات المطلقة في شكل [[طاقة]] حركيّة. وطبقاً للرسم التوضيحي تنطلق [[نواة (توضيح)|نواة]] ذرة [[هيليوم|الهيليوم]] بطاقة قدرها <math>5.3~MeV</math> وينطلق [[نيوترون|النيوترون]] بطاقة قدرها <math>14.1~MeV</math> ([[سوابق SI|ميجا]] [[إلكترون فولت]]). وفي المفاعلات الاندماجية الجاري تطبيقها حاليا يجتهد ال[[عالم (صفة)|علماء]] 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 [[كهرباء|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 : <math>{}^{4}\mathrm{He}</math> + <math>{}^{3}\mathrm{He}</math>).'''
 
[[ملف:D-t-fusion.png|تصغيرnail|250بك|يسار|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 هلى 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 [[سوابق SI|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]] + [[الهيليوم|هيليوم-3]] -> هيليوم-4 + بروتون'''
 
'''و هذه التفاعلات هي أكثر التفاعلات دراسة في المخابر عند تجارب الاندماج المراقبة، وكل منها ينتج نحو 17 [[سوابق SI|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 الفيزياء|البلازما]] في جهاز مفرغ من الهواء مع رفع [[درجة حرارة]] البلازما إلى عشرات الملايين درجة مئوية. ولكن احتجاز البلازما - وهي أنوية [[تريتيوم|التريتيوم]] و [[ديوتيريوم|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''' ===
 
[[ملف:Fusion rxnrate.svg|left|400 px |تصغير| 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 [[البلازما في الفيزياء|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 <math>T</math> ;'''
# '''الكثافة <math>N</math> ;'''
# '''زمن الاحتجاز <math>\tau</math>.'''
 
'''حسب لوسون فإن المعامل <math>N\tau</math>. 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 <math>10^{14}</math> ثانية/سم³.'''
 
== '''أنظر أيضا''' ==
* [[سلسلة تفاعل بروتون-بروتون|'''سلسلة تفاعل بروتون-بروتون''']]
* [[تفاعل نووي|'''تفاعل نووي''']]
* [[تخليق العناصر|'''تخليق العناصر''']]
* [[كربون-12|'''كربون-12''']]
* [[طاقة الارتباط|'''طاقة الارتباط''']]
* [[توكاماك|'''توكاماك''']]
* [[اندماج في محفظة القصور الذاتي|'''اندماج في محفظة القصور الذاتي''']]
 
{{تصنيف كومنز|Fusion}}