Published in: الفيزياء

الاندماج النووي (Nuclear fusion) – ما هو؟ تفاعله وأهمّ أنشطته

Author د. جاسم الفواز

Published on: 14 أغسطس، 2023

د. جاسم الفواز

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هو (العدد الذري – العدد الكتلي – النظائر)؟

1- العدد الذري (Atomic number) للنواة هو عدد البروتونات (Protons) في النواة، ونرمز له Z.

2- بينما العدد الكتلي (Mass number) هو مجموع أعداد البروتونات والنيوترونات (Neutrons) في النواة، ونرمز له A.

3- النّوى لنفس العنصر التي لها نفس العدد الذرّي، وتختلف بالعدد الكتلي، وعدد النيوترونات تُدعى نظائِر .(Isotopes) ^[1]

ما هي نظائر الهيدروجين؟

الهيدروجين هو العنصر الأول في الجدول الدوري، ولنواة الهيدروجين الشهيرة عدد ذرّي Z=1، وهناك ثلاثة نظائر شهيرة للهيدروجين، وهي: ^[2]

• الهيدروجين، البروتون أو (Protium) البروتيوم ¹H.
• الديووتيريوم (Deuterium) ²H أو D.
• التريتيوم (Tritium) ³H أو T.

1- الهيدروجين (¹H)

أحد النظائر الشائعة للهيدروجين، والأكثر وفرةً في الطبيعة بنسبة 99.98 بالمئة من بين كل أنواع النظائر الأخرى للهيدروجين، فعلى سطح الأرض يكون التركيز ذرةً واحدةً للديتريوم أو التريتيوم مقابل كل 1018 ذرة هيدروجين، ونواة هذا النظير تتكون من بروتونٍ واحد، ولا تحوي أي نيوترونات.

2- الديوتيريوم (²H)

يتكون من بروتونٍ واحد ونيوترون واحد في نواته، وهي ليست نواة مُشِعّة، وإذا سمعت بالماء الثقيل (Heavy water)، فهو الماء المكوّن من الديوتيريوم مع الأوكسجين الذي يتمُّ استخدامه كمُبرّدٍ في المُفاعلات النووية.

3 – التريتيوم (³H)

يتكون من نيوترونين وبروتون واحد في نواته تحدث آثار صغيرة من الهيدروجين 3 أو التريتيوم في الطبيعة بسبب تفاعل الأشعة الكونية مع غازات الغلاف الجوي، وهو النظير الوحيد المُشِع للهيدروجين حيث ينبعث منه جسيمات بيتا، وهي إلكترونات منخفضة الطاقة، وهنالك نظائر أخرى للهيدروجين تبدأ من ⁴H حتى ⁷H. ونظراً لأن التكوين الإلكتروني للنظائر هو نفسه، فجميعها لها خصائص كيميائية متشابهة لكن لديهم خصائص فيزيائية مختلفة بسبب الاختلافات الكبيرة في الكتلة.

يوجد الهيدروجين على الأرض في الأنسجة النباتية والحيوانية بينما في الكون الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرةً (70 بالمئة من الكتلة الكلية للكون)، وهو أيضاً العنصر الأساسي للغلاف الشمسي حتى الكواكب الضخمة، مثل: كوكب المشتري، وزحل تتكون أساساً من الهيدروجين.

ما هو تفاعل الاندماج النووي؟

في تفاعل الاندماج النووي تندمج نواتان خفيفتان لتشكيل نواةٍ أثقل، ومصدر الطاقة الهائل للاندماج النووي هو فرق الكتلة Δm بين كتلة النواة الناتجة وكتلة النوى المُندمجة، والذي يشرح ذلك هو معادلة آينشتاين (الطاقة تساوي فرق الكتلة مضروب بمربع سرعة الضوء ( ΔE=Δm.c² )، وهذه المعادلة تعني أن الكتلة والطاقة يمكن تحويلهما إلى بعضهما البعض، أو لنقل إن الكتلة والطاقة وجهان لعملة واحدة، ويتجلى ذلك في تفاعل الاندماج النووي.

يمكن أن يشتمل الاندماج على العديد من العناصر المختلفة في الجدول الدوري، ومع ذلك فإن الباحثين الذين يعملون على تطبيقات طاقة الاندماج مهتمون بشكلٍ خاص بتفاعل اندماج الديوتيريوم D والتريتيوم T حيث يُنتِج اندماج DT نواة الهليوم، وفي هذه العملية يتمُّ إطلاق طاقةٍ أكثر بكثير من معظم تفاعلات الاندماج الأخرى. ^[3]

كيف يحصل الاندماج النووي في الشمس والنجوم؟

في أواخر الثلاثينيات من القرن الماضي أدرك العالم الألماني هانز بيته (Hans Bethe) لأول مرة أن اندماج نوى الهيدروجين H لتكوين الديوتيريوم D هو تفاعلٌ مُنتِجٌ للطاقة بكميةٍ هائلةٍ، ويؤدي جنباً إلى جنب مع التفاعلات النووية إلى تشكيل نوى الهليوم، ويشكل تكوين نوى الهيليوم المصدر الرئيسي للطاقة المُنبعِثة من النجوم، مثل: شمسنا، وتكون تفاعلات الاندماج النجمية سلاسل هي: ^[4]

1- سلسلة الاندماج هيدروجين – هيدروجين

تبدأ دورة الاندماج النووي في النجم الذي يحتوي على الهيدروجين باندماج نواتي هيدروجين ليعطيا نواة الديتريوم.

2- سلسلة الاندماج هيدروجين – ديتريوم

تندمج نواة الهيدروجين مع نواة الديتريوم لتعطي نظير الهليوم 3 وأشعة غاما عالية الطاقة.

3- سلسلة الاندماج هليوم 3 مع هليوم 3

تندمج نواتي نظير الهليوم 3 لينتج نواة الهليوم 4 العادي والهيدروجين، وبمجرد أن يتراكم الهليوم 4 يمكن أن تؤدي التفاعلات مع الهيليوم 3 إلى إنتاج عناصر أثقل بما في ذلك البريليوم 7، والبريليوم 8، والليثيوم 7، والبورون 8، إذا كانت درجة الحرارة أكبر من حوالي 10000000 كلفن.

إن مراحل التطور النجمي هي نتيجة التغيرات التركيبية على مدى فتراتٍ طويلةٍ جداً، ومن ناحيةٍ أخرى يتمُّ تحديد حجم النجم من خلال التوازن بين الضغط الذي تمارسه البلازما الساخنة وقوة الجاذبية لكتلة النجم، ويتمُّ نقل طاقة النواة المحترقة نحو سطح النجم، وتنبعث كميات كبيرة من الإشعاع في نطاقات الطول الموجي المرئي والأشعة تحت الحمراء.

ما أهمُّ أنشطة الاندماج الدولية في المحطات النووية؟

أحرزت البحوث في جميع أنحاء العالم تقدُّماً باهراً في مجال فيزياء الاندماج النووي، وتمَّت في السنوات الأخيرة تسوية العديد من المسائل العلمية، وتُجرى حالياً في أكثر من 50 دولة عضواً في الوكالة الدولية للطاقة الذرية (IAEA) بحوثٌ في مجالي الاندماج النووي المتحكَّم فيه وفيزياء البلازما.

وتُجرى تجربة الاندماج الأكثر تقدّماً والأوسع في العالم بمشاركة سبعة دول (هي الاتحاد الروسي، الصين، كوريا الجنوبية، الهند، والاتحاد الأوروبي، الولايات المتحدة الأمريكية، اليابان)، ومشروع المفاعل التجريبي الحراري النووي الدولي.

يجري حالياً تشييد المفاعل التجريبي الحراري النووي الدولي في كاداراش، بفرنسا، وهذا المفاعل مُصمَّمٌ لتحقيق كسبٍ في قوى الاندماج كما أنّه سيختبر التكنولوجيات الرئيسية اللازمة لمفاعل الاندماج.

وثمّة مبادرةٍ أخرى في مجال الاندماج هي المرفق الدولي لتشعيع المواد الاندماجية، وهي عبارةٌ عن مشروع أوروبي ياباني مشترك، سيتمُّ تشييده في اليابان، ومن المخطط أن يعمل بالتوازي مع المفاعل التجريبي الحراري النووي الدولي. ^[5]