الاندماج النووي

اندماج نووي

Nuclear fusion - Fusion nucléaire

الاندماج النووي

مصطفى حمو ليلا

طاقة الارتباط

مواد الاندماج

مبدأ عمل مفاعلات الاندماج

طاقة الاندماج

يعدّ الاندماج النووي nuclear fusion تفاعلاً نووياً، على عكس الانشطار النووي nuclear fission الذي تكون فيه كتلة أيٍّ من نوى المواد الناتجة أقل من كتلة النواة المنشطرة، في حين ستكون كتلة إحدى النوى بنتيجة الاندماج ذات كتلة أكبر من أيٍّ من نوى الكتل الداخلة في التفاعل النووي. وسيقود الاندماج إلى تحرير طاقة في حالات تكون فيها مجموع كتل نوى المواد الناتجة من التفاعل أقل من مجموع كتل نوى المواد الداخلة في التفاعل، ويظهر الفرق على شكل طاقة وفق علاقة تكافؤ الطاقة والكتلة لأينشتاين . في الواقع فإن ما يحدّد نوع التفاعل هو طاقة ارتباط مكوّنات النواة من بروتونات ونترونات، أي النكلونات؛ وتكون هذه الطاقة المحرّرة أكبر ما تكون عندما تندمج نوى العناصر الخفيفة مثل الهليوم والهدروجين ونظائره الدوتريوم والتريتيوم . ويعرف الآن أن الاندماج النووي يُشكِّلُ مصدر الطاقة المتولدة في الشمس ويدخل في صميم القنبلة الهدروجينية. ويحاول الفيزيائيون منذ منتصف خمسينيات القرن الماضي تقليد ذلك للاستفادة من الطاقة المتولدة منه للأغراض السلمية.

وقد عَقدت- لهذا الغرض- مجموعةُ بحوث الاندماج ندوتها الأولى عن تقانة الاندماج في بريطانيا عام 1960 (SOFT) Symposium on Fusion Technology، حددت فيها توجهات العمل للوصول إلى تقنية الاندماج التي تجعل الاندماج مطواعاً ومتحكماً به بغية الاستفادة منه في توليد الطاقة.

طاقة الارتباط

يتجلى تماسك نكلونات النواة من الفارق الدقيق بين مجموع كتل مركبات النواة منفردة وكتلة النواة. إذ تُبين القياسات أن مجموع كتل البروتونات والنترونات الحرة أكبر دوماً من كتلتها مجتمعة ( متماسكة) في النواة. ونقص الكتلة هذا هو سبب طاقة ارتباط النكلونات في النواة. على سبيل المثال، يكافئ نقص الكتلة هذا في تشكل الهليوم والكربون طاقة تساوي على التوالي:

وإذا نسبت طاقات الارتباط لنوى العناصر المختلفة إلى أعدادها الكتلية A (أعداد النكلونات) نتج ما يسمى طاقة ارتباط النكلون المتوسطة في نواة الذرة المنظورة:

ويبين الشكل (1) منحني تعلق الطاقة المتوسطة لارتباط النكلون الواحد في النواة بدلالة الأعداد الكتلية للذرات المستقرة المختلفة. ويتضح منه أنها تبدأ من الصفر تقريباً في حالة الهدروجين  1=A وتتزايد حتى للذرات المجاورة لعنصر الحديد التي تقع أعدادها الكتلية في المجال A=50-60 ، وأعدادها الذرية في المجالZ=24-30) ).

وهذه الطاقة (النووية) كبيرةٌ جداً عند مقارنتها بطاقة ارتباط الإلكترونات في الذرة (أي بالطاقة الكيميائية التي تكون من مرتبة بضعة آحاد أو عشرات الإلكترون فولط eV) أو عند مقارنتها بطاقة التنافر الكولوني بين البروتونات الإيجابية الشحنة داخل النوى، التي تقدّر في اليورانيوم بميغا إلكترون فولط واحد. ومن تأمُّلِ منحني طاقة ارتباط النكلونات يلاحظ أن نقص الكتلة (أو طاقة الارتباط) يتزايد زيادةً كبيرة باتجاه تزايد العدد الكتلي A بدءاً من منطقة الذرات الخفيفة إلى أن يصل إلى المنطقة ذات العناصر الأشد ارتباطاً (الأكثر نقصاً في الكتلة) الواقعة حول الحديد Fe ، ثم يتناقص ببطءٍ باتجاه منطقة العناصر الثقيلة. أما في حالة العناصر غير المستقرة فإن ميزان الطاقة يميل إلى تفاعل الانشطار. ويتبين بالحساب البسيط أن طاقة ارتباط (نشوء) التريتيوم البالغة MeV 17.6 عند توزيعها على النكلونات الخمسة مساوية القيمة للنكلون الواحد. وهذه تفوق بوضوح الطاقة الانشطارية المنسوبة للنكلون الواحد في حالة اليورانيوم: . والخلاصة تنتج الطاقة النووية من انشطار النوى الثقيلة أو من اندماج النوى الخفيفة، لأن كلاً من هاتين العمليتين يؤدي إلى نقص ِالكتلةِ، ومن ثم إلى إنتاج الطاقة الحركية (الحرارية) بمقادير ضخمة غير معهودة.

يتطلب تحقيق الاندماج تصادم حزمٍ من المواد القابلة للاندماج مثل الدوتريوم والتريتيوم مسرّعة إلى طاقات عالية لتجاوز التنافر الكولوني داخل النوى، أو ما يعرف بالحاجز الكولوني، وبالتالي تحكم احتمالات التصادم الإحصائية عملية التصادم بين النوى، إذ تعالج تصادمات مزيجٍ من الجسيمات المشحونة معالجةً خاصة وفق قوانين فيزياء البلازما لأنها تشكل بلازما. وبطبيعة الحال يزداد احتمال التصادم مع ازدياد درجة حرارة البلازما، ونظراً لأن درجة الحرارة مرتفعة فلا بد من دراسة كيفية احتوائها بعيدة عن مادة الجدران التي يمكن أن تصهرها.

في عام 1960 كانت أكثر آلات الاندماج تقدماً، بعيدة جداُ عن بلوغ أي تفاعل اندماج بين الدوتريوم والتريتيوم، فقد صَوَّر لوسن Lawson في أوائل الخمسينيات شرط الاندماج بالجداء (n كثافة البلازما و الزمن المنقضي لتفقد البلازما نصف طاقتها بعد توقف التسخين) مجسداُ هذا الطرح في ثلاثة شروط تقريبية هي:

1) وجوب رفع درجة الحرارة إلى أكثر من مئة مليون درجة.

2) رفع كثافة المزيج البلازمي إلى أكثر من ألف ضعفٍ من الكثافة العادية.

3) البحث عن وعاءٍ مناسب لاحتواء هذا المزيج الفائق السخونة لمدة كافية من الزمن.

اقترح فريقُ الباحثين في معهد باومن Bauman للطاقة في موسكو أساسَ نظام حصر البلازما باستعمال الحقول المغنطيسية، تلا ذلك نجاح السوﭬييت في تنفيذِ هذه الفكرة في ستينيات القرن العشرين تحت اسم آلة التوكاماك Tokamak، وهو اسم مشتق من أوائل اسم الجهاز التجريبي بالروسية الذي يعني الحجرة المغنطيسية الحلقية أو السوارية، ثم أطلق الاسم على أي جهاز يعتمد الحصر المغنطيسي magnetic confinement، فحصلوا على أول حصرٍ مغنطيسي عملي، ولكن من دون بلوغ الاندماج.

في عام 1958 فرضت أهمية توليد الطاقة من الاندماج النووي تعاوناً دولياً لبناء أجهزة حصر مغنطيسي مشتركة مثل (ITOR) International Tokamak Reactor ، تلاه الندوة SOFT حول تقانة الاندماج، وفي بداية السبعينيات توجهت دول عديدة نحو أجهزة حصر البلازما المماثلة للتوكاماك بهدف الحصول على البلازما العاليةِ الضغطِ ودرجة الحرارة، والمؤهلة لحصول الاندماج، فكان السوار الأوربي المشترك العامل في كالهام في إنكلترا Joint European Torus (JET), Culham, UK وغيرها. ويعمل العلماء منذ العام 1975 جاهدين على تحقيق الشروط الملائمة لحدوث الاندماج بين مكوِّني البلازما D وT الأسهل تحدياً، ويعتقد اليوم أنهم توصلوا إلى تحقيق نقطة التكافؤ بين ما يصرف من طاقة على الآلة لتحقيق الاندماج مع ما تنتجه هذه الآلة من طاقة.

الشكل (1) منحني الطاقات المتوسطة لارتباط النكلونات في نوى الذرات المختلفة

مواد الاندماج

إن نظيري الهدروجين و - المرشحين الأساسيين لتحقيق الاندماج ليكونا مصدراً للطاقة المتجددة- هما الأكثر وفرةً في الطبيعة كما يمكن الحصول عليهما بطرائق مختلفة؛ إذ يمكن الحصول على الأول من صناعة الماء الثقيل بطرق الفصل الصعبة المعروفة، وأما الثاني فبسبب إصداره لأشعة بيتا (بالطاقة العظمى KeV 18.6 والوسطية KeV 5.7) وعمر نصفه وندرته الشديدة يجري استيلاده بتفاعلات النترونات مع نوى الليثيوم بحسب التفاعلين التاليين:

يفيد التفاعل الأول السالب في توليد نترونات يمكن استغلالها لتوليد المزيد من التريتيوم وفق التفاعل الثاني الموجب، وذلك بجعل الليثيوم الطبيعي رداءً يحيط بحلقة الاندماج المغنطيسية التي يحصل فيها تفاعل الاندماج. ولتعزيز النترونات المتولدة في مفاعل الاندماج يضاف الرصاص والبيريليوم إلى الليثيوم بمعدلِ بضعة كيلوغرامات في اليوم في مفاعلٍ اندماجي استطاعته نحو ألف ميغاواط. وبذلك يكون الوقودان الفعليان هما الدوتريوم والليثيوم الذي يولد التريتيوم.

مبدأ عمل مفاعلات الاندماج

تتطلب عملية الاندماج المنتجة للطاقة بذلاً أولياً للطاقة للتغلب على قوى التدافع الكهربائي بين النوى التي تعاكس بشدة تقاربها واندماجها، و يتعلق هذا البذل (الاستثمار) بالنوى المندمجة، وهو مبرّر لأن الربح في الطاقة المنتجة سيكون أكبر وسطياً بآلاف المرات عند تحقيقه، لذلك ينظر عادة إلى الكسب الصافي net gain من الطاقة.

لاستغلال طاقة نواتج الاندماج وتحويلها إلى حرارة أو كهرباء يجب تقديم الاستثمار الأولي الضروري لتحقيق هذا التفاعل في مزيج الدوتريوم والتريتيوم. وتتلخص المسألة إجمالاً في رفع درجة حرارة المزيج (تسخينه) بقدرٍ يكفي لتحقيق تلامس أو تصادم نواتين، وهذا يتطلب طاقة حرارية هائلة. إذ يتطلب إعطاء الذرة (النواة) طاقة حركية قدرها كيلو إلكترون فولط واحد، رفعَ درجة الحرارة إلى أكثر من 10 ملايين درجة. ولكي يبدأ حصول اندماج نظيري الدوتريوم والتريتيوم يجب رفع الطاقة الحركية إلى 4keV، أي رفع درجة الحرارة إلى أكثر من 40 مليون درجة. وهذا قد يتيح لبعض الذرات الدنو بعضها من بعضٍ مسافة تقارب بضعة فمتومترات femtometers (ويساوي الفمتو (فيرمي)m 15-10  )، ويتاح بذلك للقوى النووية أن تفعل فعلها وتدمج النواتين. ويرى الفيزيائيون ضرورة رفعَ درجة الحرارة إلى مئة مليون درجة، لزيادة مردود حدوث الاندماجات. وهذا ما يدعو إلى ضرورة إبعادها عن جدران الوعاء بتطبيق حقول مغنطيسية، وهذا بدوره يتطلب صرف طاقة إضافية، تحسب ضمن ما يبذل من طاقة وفي الكسب الصافي.

طاقة الاندماج

تهدف محطة الطاقة الاندماجية النووية التي ينعقد الأمل على تحقيقها، إلى تسخير طاقة الاندماج لإنتاج الكهرباء من اندماج الدوتريوم تريتيوم الذي يعطي الغرام الواحد منه تقريباً خمسة أضعاف الطاقة من انشطار غرام اليورانيوم 235، وملايين أضعاف ما يعطيه غرام واحد من طاقة التفاعل الكيميائي مثل احتراق الفحم، ويقابل احتراق أطنان من النفط. يهدف المشروع الدولي لبناء مفاعل حراري نووي تجريبي (ITER) International Thermonuclear Experimental Reactor إلى بلوغ إنتاج 500 ميغاواط مقابل إدخال طاقةٍ قدرها 50 ميغاواط فقط (أي تحقيق كسب قدره عشرة أمثال) في درجة حرارة تبلغ 150 مليون سلسيوس؛ وبذلك يحقق المشاركون أكبر تجربةٍ للحصر المغنطيسي، تفوق كل ما أمكن تحقيقه بالمفاعل الأوربي JET وسواه. في 28 حزيران 2005 وافق المشاركون السبعة: الاتحاد الأوربي، الهند، اليابان، الصين الشعبية، روسيا، كوريا الجنوبية، الولايات المتحدة، على إشادة مفاعلITER في كدراش Cadaracheجنوبي فرنسا، وقد انضمت كندا إليهم مؤخراً. فبدأت إشادة البناء بالفعل عام 2007، وتجميع جهاز التوكاماك في العام 2015، وتقدر كلفة المشروع بنحو 16 مليار يورو، تعهد الاتحاد الأوربي وهو المشارك الأساسي (من خلال جماعة الطاقة النووية الأوربية(European)  Atomic Energy Community Euratom التي تضم هيئات الطاقة الذرية الأوروبية العاملة في توليد الطاقة) بـ 46% منها وتعهد الست الباقون بما مقداره 9% لكل منهم. وُيتوقع الحصول على البلازما الأولى منه عام 2025. وبعد نجاح ITER بالاستمرار لمدة 1000 ثانية، بدلاً من الاستمرار لأقل من ثانية واحدة، كما حصل في المفاعل الأوربي JET الذي يبلغ حجمه 840 م3، واستطاعته 16 ميغاواط فقط. سيُشْرع بعد ذلك ببناء أول محطة اندماج تجارية إيضاحية وفق مخطط مفاعل صناعي (DEMO) Demonstration  يزمع تطويره وفق النتائج المتوقعة من المفاعل الدولي ITER للحصول على طاقةٍ نظيفة من دون تلوثات إشعاعية تذكر بآلات الاندماج النووي nuclear fusion machines وبحوادث نووية قليلة جداً مقارنة بمفاعلات الطاقة النووية الانشطارية.

هنالك سبيل آخر للوصول إلى اندماج نووي لا تستعمل فيه الحقول المغنطيسية لحصر البلازما، وإنما يعتمد حدوث التصادم المؤدي إلى الاندماج على انفجارات محلية تحمّل منتجات الانفجار بطاقة كافية واتجاه ملائم لتنفيذ ذلك. تسمى مثل هذه الآلات مفاعلات الاندماج بالحصر العطالية inertial confinement fusion reactors تمييزاً لها عن الآلات السابقة التي تسمى آلات الحصر المغنطيسي. يسمح في مثل آلات الحصر العطالي بتمدد سطح كرية البلازما نحو الخارج بسرعةٍ واندفاعٍ momentum كبيرين مترافق بانضغاطِ باقي كتلةِ الكرية الداخلي باتجاه مركز الكرية من جراء رد الفعل السريع خلال الزمنِ القصيرِ جداً (نانو ثانية) في أثناء التمدد السريع للبلازما. ويمكن لرد الفعل هذا أن يضغط مادة الكرية حتى تتجاوز كثافتها ألف ضعف من كثافتها الأولية. ويحدث مثل هذا الفعل باستخدام حزمٍ متجانسة منَ الأشعة الليزرية كما في مفاعل مختبر لورنس ليفرمور L. Livermore في الولايات المتحدة الأمريكية، أو كالذي كان في تاجورا، قرب طرابلس في ليبيا. أو باستعمال حزمٍ من الجسيمات الإيونية، كما هي الحال في مفاعل سانديا Sandia في الولايات المتحدة الأمريكية المعروف باسم (PBFA II) Particle Beam Fusion Accelerator. وفي عام 1999 اقترح ماكس تاباك M.Tabak وزملاؤه في مختبر ليفرمور ما سمي بالقدح السريع fast ignition الذي يعتمد تسخين أولي للبلازما بنبضة ليزرية أو إيونية قصيرة جداً، تتبعها نبضات ليزرية ضاغطة، وكان من المتوقع أن يكون ذلك أكثر نفعاً من الاندماج بالحصر العطالي التقليدي، ولكن لم يصبح استعماله مجدياً إلا بعد ظهور الجيل الجديد من الليزرات الفائقة الاستطاعة للغاية. حيث تمكَّن فريق إنكليزي - ياباني عام 2001 باستخدام النظام الليزري Gekko (صُنّع النظام أول مرة مكوّناً من اثني عشر ليزراً من نوع نيوديوم زجاج في معهد هندسة الليزر Institute of Laser Engineering بجامعة أوساكا عام 1982، ثم طُوّر النظام لاستعماله في الاندماج) من إجراء عرضٍ تجريبي ناجح، لضغط البلازما إضافة إلى تسخينها بنبضةٍ منفصلةٍ استطاعتها (W1310×6)، وأشاروا عام 2003 إلى أنهم رفعوا استطاعة نبضة التسخينِ هذه إلى درجةٍ أصبحت معها صالحة لتجارب القدح وبكل مراحل استطاعاته التي تصل قرابة بتا واط (1015 واط) إلا أنها لم تدم وقتاً كافياً لتحقيقِ نقطةِ التعادل، بين ما يصرف من طاقة وما يستفاد منها. ولكنهم نجحوا بعد ذلك بالارتقاء بمنشآت أوساكا إلى ما هو أكثر من ذلك باستبدال Gekko بليزر انفجارٍ أعلى طاقة، وبنوا ليزرَ تسخينٍ تراوح طاقته بين 20 و30 كيلو جول. ونجحوا في غير ذلك من محاولات التطوير. لهذا أطلق اسم القدح على هذه التقنية، لأنه ينبغي على الوقود أن يمتص حرارة النبضة عقب الانفجار نحو الداخل (الانبجار implosion) بمدة زمنية تقارب 11- 10 ثانية. (كما لو أن التسخين يعمل على قدح الاندماج)، ولا يحتاج هذا التسخين إلى الدقة البالغة من حيث تجانس الحزم الليزرية حول كرية الوقود كتلك اللازمة لتوليد موجات صدمٍ تُنتج الكرية المركزية الحارة في طريقة الاندماج بالحصر العطالي السابقة، وطريقة الاندماج هذه أكثر مردوداً من طريقة الاندماج بالحصر العطالي التقليدي بمرتين أو ثلاث مرات.

يتوقف نجاح أسلوب القدح على بلوغِ نقطةِ التعادل اللازمة للاندماج، وعلى حصول المشروعين الموسّعين الجديدين المعتمدين على الحصر العطالي مع تحسينات جديدة في الليزرات المستعملة في القدح والاندماج، ضمن مشروعي FIREX وOMEGA على نتائج أعلى جودة لإنجاز القدح عملياً. وما زالت المنافسة قائمة بين مفاعلات الانشطار ومفاعلات الاندماج التي تعدّ أكثر أماناً من الأولى.

التصنيف : الفيزياء النووية

النوع : الفيزياء النووية

المجلد: المجلد الثالث

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية