درس الاندماج النووي

الاندماج , النووي , درس

علمت أن بعض الأنوية الثقيلة مثل تنشطر إلى نواتين متوسطتين إذا قذفت بنيوترون بطيء , وعلمت أن مثل هذا التفاعل يسمى " الإنشطار النووي " وعكس هذا التفاعل أي " دمج نواتين خفيفتين معاً لتكوين نواة أثقل يسمى الإندماج النووي " وتنطلق طاقة هائلة مصدرها نقص كتلة النواة الناتجة عن مجموع كتلتي النواتين المندمجتين معاً .

ومن الأمثلة على الإندماج النووي إندماج نواتي الديتريوم ( هيدروجين ـ 2) لتكوين الهيليوم كما في المعادلة التالية :

ولحساب الطاقة الناتجة عن هذا التفاعل :

مجموع كتل الأنوية الداخلة في التفاعل = 2 ك ديتريوم

= 2 × 2.013 = 4.026 و.ك.ذ

مجموع كتلة الأنوية الخارجة عن التفاعل = ك هيليوم + ك النيوترون

= 3.015 + 1.009 = 4.024 و.ك.ذ

النقص في الكتلة = D ك = 4.026 ـ 4.024 = 0.002 و.ك.ذ

الطاقة الناتجة عن التفاعل = 0.002 × 931 = 1.862 مليون الكترون فولت

وبالرغم من أن الطاقة الناتجة ( 1.862 مليون الكترون فولت ) لا تساوي أكثر من 10% من الطاقة الناتجة من الإنشطار النووي (200 مليون الكترون فولت ) إلا أننا يجب أن نتذكر هنا أن كتلة نواة اليورانيوم تساوي تقريباً 235 و.ك .ذ في حين أن كتلة نواة الديتريوم = 2 و.ك.ذ ولذلك فإن الطاقة الناتجة لكل كيلوغرام من الوقود النووي الإندماجي أكبر كثيراً من الطاقة الناتجة لكل كيلوغرام من الوقود النووي الإنشطاري , كما أن الإندماج النووي لا يتطلب وجود الكتلة الحرجة اللازمة للإنشطار النووي .


وقد يبدو للوهلة الأولى أن الإندماج النووي أسهل كثيراً من الإنشطار النووي , لأن الديتريوم موجود في الطبيعة ويمكن الحصول عليه بكميات وافرة بثمن رخيص , إلا أن الحال ليس كذلك بسبب زيادة قوة التنافر الكهربائية عند اقتراب النواتين من بعضهما البعض ولهذا السبب فإنه من أجل إحداث اندماج نووي لا بد من توفير الظروف التالية :

1. حصر الأنوية الخفيفة في حيز صغير جداً لزيادة إمكان تصادمهما والتحامهما معاً .

2. زيادة الضغط الواقع على الأنوية الخفيفة زيادة كبيرة .

3. رفع درجة حرارة الأنوية الخفيفة إلى رتبة (710) درجة سيلسيوس , وذلك لاكسابها طاقة حركية عالية .


وبسبب صعوبة توفير كل هذه الظروف , ولأنه لا يوجد إناء يمكن أن يحوي مادة درجة حراراتها عالية ومضغوطة بهذا الشكل , لذلك كان من الصعب تحقيق الإندماجات النووية في المختبرات العلمية .


ومن مزايا المفاعل النووي الإندماجي :
1. سهولة الحصول على الوقود النووي حيث أنه يمكن مثلاً استخلاص الديتريوم من مياه البحر .
2. النفايات الناتجة ( الهيليوم ) أنوية غير مشعة .
3. من السهل إيقاف التفاعل .

وقد توصل العلماء إلى إحداث اندماج نووي محدود في القنبلة الهيدروجينية والموضحة في الشكل التي وقودها الهيدروجين الثقيل ( الديتريوم ) والتي تتكون من غلاف قوي جداً في داخله قنبلة نووية انشطارية , توفر درجة الحراراة العالية اللازمة لتزويد أنوية الهيدروجين بالطاقة الحركية , ولتفجير القنبلة الهيدروجينية يتم أولاً تفجير القنبلة النووية الإنشطارية فترتفع درجة حرارة الديتريوم ارتفاعاً هائلاً مما يمكن نُواه من الإندماج وتوليد طاقة حرارية هائلة .

وقد أجرت الولايات المتحدة الأمريكية , أول تجربة للقنبلة الهيدروجينية في أيار عام 1951 في المحيط الهادي , وفي تشرين الثاني من العام نفسه . اجرت التجربة الثانية باستخدام قنبلة من عيار 7 ميغا طن , وكان نتيجة هذه التجربة اختفاء جزيرة من البحر اختفاء تاماً .


الطاقة الشمسية Solar Energy :
يفسر العلماء طاقة النجوم بحدوث تفاعلات اندماج نووي في باطنها , فنظراً لارتفاع درجة حرارة باطن النجم والتي قد تصل إلى 15 مليون كلفن كما في الشمس وكذلك كبر الضغط , جعل العالم بيثيه Bethe يفترض أن مصدر الطاقة الشمسية هو الإندماج النووي الذي يحدث بين أنوية الهيدروجين لتكوين أنوية الهيليوم , وأثناء ذلك تنتج الطاقة الشمسية الهائلة . واقترح بيثيه دورة تسمى دورة البروتون ـ البروتون في الشمس موضحة في جدول .

تبدأ هذه الدورة بتصادم بروتونين ( ) لتكوين ديوترون ( ) وينتج بوزيترون (e+) ونيوترينو (u) وعندما يتكون الديوترون فإنه يصطدم ببروتون آخر خلال ثواني ويكوّن نواة الهيليوم ( ) ثم تتصادم نواتي الهيليوم ( ) الناتجتين من تفاعلين مستقلين ,وتكوّن ( ) المستقر وبروتونين .

وبنظرة شاملة لما يحدث في دورة البروتون ـ البروتون , فإن ما يحدث فعلياً هو اندماج 4 بروتونات لتكوين نواة هيليوم وبوزيترونين وبانتاج كمية من الطاقة (ط) ويمكن حسابها :

ط = [ 4 ك البروتون ـ ك الهيليوم ـ 2 ك الكترون ] س2
حيث س : سرعة الضوء

ثم لننظر ما يحدث للبوزيترونين الناتجين , إن ما يحدث فعلياً هو إفناء الكترونين مع البوزيترونين وتحويل الكتل إلى أشعة جاما ط َ )

طَ = 4 ك الكترون × س2

وبذلك تكون الطاقة الناتجة من الدورة = 4 ( ك بروتون + ك الكترون ) س2 ـ ( ك الهيليوم + 2 ك الكترون ) س2

= 4 [ ك البروتون ـ ك الهيليوم ]

وبذلك تكون الطاقة الناتجة = [ 4(1.00873) ـ (4.00260 )] (931 )

= 26.7 مليون الكترون فولت

المصدر: ملتقى شذرات