تفاعل الاندماج النووی (یعرف أیضا بالـ تیرمونووی) هو، بالإضافة إلى الانشطار، أحد أهم أنواع التفاعلات النوویة التطبیقیة.
الاندماج النووی عملیة تتجمع فیها نواتان ذریتان لتکوین نواة واحدة أثقل. ویلعب اندماج الأنویة الخفیفة مثل البروتون وهو نواة ذرة الهیدروجین والدیوترون نواة الهیدروجین الثقیل والتریتیون وهو نواة التریتیوم دوراً هائلاً فی العالم وفی الکون، حیث ینطلق خلال هذا الاندماج کمیة هائلة من الطاقة تظهر على شکل حرارة وإشعاع کما یحدث فی الشمس، فتمدنا بالحرارة والنور والحیاة. فبدون هذا التفاعل ما وُجدت الشمس وما وُجدت النجوم، ولا حیاة من دون تلک الطاقة المسماة طاقة الاندماج النووی. وتنتج تلک الطاقة الهائلة عن فقد فی وزن النواة الناتجة عن الاندماج النووی، وهذا الفقد فی الکتلة یتحول إلى طاقة طبقاً لمعادلة ألبرت أینشتاین التی تربط العلاقة بین الکتلة والطاقة.
الشمس، مرکز تفاعلات اندماج نوویة متعدّدة
هذا التفاعل هو الذی یغذی الشمس وباقی النجوم الأخرى فی الکون، ویمدهم بالحرارة والضوء.
فائدة الاندماج النووی تکمن فی إطلاقه کمیات طاقة أکبر بکثیر مما یطلقه الانشطار. وبالإضافة إلى ذلک، فإن المحیطات تحتوی بشکل طبیعی على کمیات کافیة من الدویتریوم اللازم للتفاعل فإذا فلح الإنسان فی ترویض تلک الطاقة لتغذیة الکوکب بالطاقة لمدة آلاف السنین، کما أن المواد المنبعثة عن الاندماج (خصوصا الهیلیوم 4)، لیست مواداً مشعّة.
و على الرغم من العدد الکبیر من التجارب التی تم القیام بها فی کل أنحاء العالم منذ خمسین سنة، فإنه لم یتم التوصل إلى بناء مفاعل یعمل بالاندماج، ولکن الأبحاث فی تقدم مستمر لغرض التوصل إلى ذلک. وکل ما اسطاع الإنسان التوصل إلیه فی هذا المجال جاء فی المجال العسکری بابتکار القنبلة الهیدروجینیة.
آلیة الاندماج
یحدث تفاعل الاندماج النووی عندما تتداخل نواتان ذریتان. ولکی یتم هذا التداخل، لا بد من أن تتخطى النواتان التنافر الحاصل بین شحنتیهما الموجبتین (و تعرف الظاهرة بالـحاجز الکولومبی). إذا ما طبقنا قواعد المیکانیکا الکلاسیکیة وحدها، سیکون احتمال الحصول على اندماج الأنویة منخفضا للغایة، بسبب الطاقة الحرکیة (الموافقة للهیجان الحراری) العالیة جدا اللازمة لتخطی الحاجز المذکور. وفی المقابل، تقترح میکانیکا الکم، وهو ما تؤکده التجربة، أن الحاجز الکولومبی یمکن تخطیه أیضا بظاهرة النفق الکمومی، بطاقات أکثر انخفاضا.وبالرغم من ذلک، فإن الطاقة اللازمة للاندماج تبقى مرتفعة جداً، وهو ما یقابله حرارة أکثر من عشرات أو ربما مئات الملایین من الدرجات المئویة حسب طبیعة الأنویة. وفی داخل الشمس على سبیل المثال، یجری تفاعل اندماج الهیدروجین المؤین عبر مراحل إلى تولد الهلیوم، فی ظل حرارة تقدر ب 15 ملیون درجة مئویة، ویحدث ذلک ضمن عدة تفاعلات مختلفة تنتج عنها حرارة الشمس. وتُدرس بعض تلک التفاعلات بین نظائر الهیدروجین بغرض إنتاج الطاقة عبر الاندماج مثل الدیوتیریوم-دیوتیریوم أو الدیوتیریوم-تریتیوم (انظر أسفله). أما فی الشمس فتتواصل عملیة الاندماج إلى العناصر الخفیفة ثم المتوسطة ثم ینتج منها العناصر الثقیلة مثل الحدید، الذی یحتوی فی نواته على 26 بروتون ونحو 30 من النیوترونات. وفی بعض النجوم الأکثر کتلة عن الشمس، تتم عملیات اندماج لأنویة أضخم تحت درجات حرارة أکبر.
وعندما تندمج أنویة صغیرة، تنتج نواة غیر مستقرة تسمی أحیانا نواة مرکبة، ولکی تعود إلى حالة استقرار ذات طاقة أقل، تـُطلق جسیم أو أکثر (فوتون، نیوترون، بروتون، على حسب التفاعل)، وتتوزع الطاقة الزائدة بین النواة والجسیمات المطلقة فی شکل طاقة حرکیّة. وطبقاً للرسم التوضیحی تنطلق نواة ذرة الهیلیوم بطاقة قدرها 5و3 MeV وینطلق النیوترون بطاقة قدرها 14,1 MeV (میجا إلکترون فولت). وفی المفاعلات الاندماجیة الجاری تطبیقها حالیا یجتهد العلماء للحصول على مردود جید من الطاقة خلال الاندماج، أی من الضروری أن تکون الطاقة الناتجة أکبر من الطاقة المستهلکة لتواصل التفاعلات واستغلال الحرارة الناتجة فی إنتاج الطاقة الکهربائیة. کما یجب عزل محیط التفاعل ومواد المحیط فی المفاعلات الاندماجیة.
عندما لا یوجد أی وضع مستقر، تقریبا، قد یکون من المستحیل أن نقوم بإدماج نواتین (على سبیل المثال : 4He + 4He).
إن التفاعلات الاندماجیة التی تطلق أکبر قدر من الطاقة هی تلک التی تستخدم أکثر الأنویة خفّة لإنتاج الهیلیوم، لأن الهیلیوم ونواته جسیم ألفا هی أقوى نواة ذرة على الإطلاق من جهة تماسکها، فهی تحتوی على 2 بروتون و 2 نیوترون وهؤلاء الأربعة شدیدو التماسک بحیث یتحول جزء یعادل 005و0 من کتلتهم کما فی التفاعل الموضح بالرسم ،إلى طاقة حرکة تتوزع بین نواة الهیلیوم الناتجة والنیوترون. ومجموع الطاقتین الموزعتین = 3,5 + 14,1 = 17,6 میجا إلکترون فولت. وبالتالی فإن أنویة الدویتیریوم (بروتون واحد ونیوترون واحد) والتریتیوم (بروتون واحد ونیوترونان)، مستخدمة فی التفاعلات التالیة :
• دیوتیریوم + دیوتیریوم -> هیلیوم 3 + نیوترون
• دیوتیریوم + دیوتیریوم -> تریتیوم + بروتون
• دیوتیریوم + تریتیوم -> هیلیوم 4 + نیوترون
• دیوتیریوم + هیلیوم-3 -> هیلیوم-4 + بروتون
و هذه التفاعلات هی أکثر التفاعلات دراسة فی المخابر عند تجارب الاندماج المراقبة، وکل منها ینتج نحو 17 میجا إلکترون فولت من الطاقة.
الاندماج المتحکم فیه
یمکن التفکیر فی عدة طرق تمکّننا من احتجاز محیط التفاعل للقیام بتفاعلات اندماج نوویة، ویقوم العلماء فعلا بتلک التجارب بواسطة الاحتجاز المغناطیسی لما یسمى البلازما فی جهاز مفرغ من الهواء مع رفع درجة حرارة البلازما إلى عشرات الملایین درجة مئویة. ولکن احتجاز البلازما - وهی أنویة التریتیوم و الدیوتیروم العاریة من الإلکترونات - تحت هذه الحرارة العالیة صعب جدا إذ کلها تحمل شحنة کهربائیة موجبة تجعلهم یتنافرون عن بعضهم. فما یلبث التفاعل أن یبدأ بینهم لمدة أجزاء من الثانیة حتى یتنافروا ویتوقف التفاعل. وینصب حالیا اهتمام العلماء على ابتکار وسیلة یستطیعون بها إطالة مدة انحصار البلازما وإطالة مدة التفاعل. وتلک المجهودات ما هی إلا بغرض استغلال طاقة الاندماج النووی لإنتاج الطاقة الکهربائیة.الاندماج بالاحتجاز المغناطیسی
• التوکاماک، حیث یحتجز خلیط من نظائر الهیدروجین بواسطة حقل مغناطیسی بالغ الشدة.• الستیلاتور، حیث تؤمن الحواث (inductors) الاحتجاز بالکامل.
بلازما الاندماج
رسم بیانی یوضح العلاقة بین درجة الحرارة ومعدل التفاعل لثلاثة أنواع من التفاعلات الاندماجیة.
عندما تصل الحرارة الدرجة التی یحصل فیها الاندماج، تکون المادة فی حالة بلازما. إنها حالة خاصة للمادة الأولیة، تکوّن فیها الذرات أو الجزیئات غازا أیونیا.
تحت درجات الحرارة العالیة یتم اقتلاع إلکترون أو أکثر من السحابة الإلکترونیة المحیطة بکل نواة، مما ینتج عنه أیونات موجبة وإلکترونات طلیقة.
ینتج عن التحرک الکبیر للأیونات والإلکترونات داخل بلازما حراریة، عدة اصطدامات بین الجسیمات الموجبة الشحنة الکهربیة. ولکی تکون هذه الاصطدامات قویة بما فیه الکفایة لإنشاء تفاعل اندماجی، تتدخل ثلاث عوامل :
1. الحرارة T ;
2. الکثافة N ;
3. زمن الاحتجاز τ.
حسب لوسون فإن المعامل Nτ یجب أن یصل حدا فاصلا للحصول على الـ breakeven حیث تکون الطاقة الناتجة عن الاندماج مساویة للطاقة المستخدمة. یحدث الإیقاد إثر ذلک فی مرحلة أکثر إنتاجا للطاقة (لم یتوصل العلماء لإیجادها حتى الیوم فی المفاعلات التجریبیة الحالیة). إنه الحد الذی یکون التفاعل إثره قادرا على المواصلة من تلقاء ذاته من دون انقطاع. لتفاعل دیتوریوم + تریسیوم، یقدّر هذا الحد بـ 1014 ثانیة/سم³.
المصدر : تحقیق راسخون
/ج
