الاندماج النووي هو عملية تجميع نواتين ذريتين خفيفتين معًا وإنشاء نواة أثقل، في عملية أخذ كمية ضئيلة من المادة وتحويلها إلى كميات هائلة من الطاقة، وهو يمد النجوم بطاقتها مما يسمح لها بتوليد الضوء، وفي هذه المقالة سنوضح ما هو الاندماج النووي.
ما هو الاندماج النووي
الاندماج النووي هو العملية التي تتحد من خلالها نواتان ذريتان خفيفتان، لتكوين نواة واحدة أثقل مع إطلاق كميات هائلة من الطاقة.
تحدث تفاعلات الاندماج في حالة مادة تسمى البلازما – غاز ساخن مشحون مصنوع من أيونات موجبة وإلكترونات حرة الحركة لها خصائص فريدة تختلف عن المواد الصلبة أو السوائل أو الغازات.
الاندماج النووي هو الذي يمد النجوم – بما في ذلك الشمس - بطاقتها، مما يسمح لها بتوليد الضوء، تأتي الغالبية العظمى من الطاقة التي تتلقاها الأرض من الشمس وبدونها ستكون الحياة نفسها على كوكبنا مستحيلة.
يتم توجيه هذه الطاقة إلى الأرض مما يمكن وصفه بشكل فضفاض بأنه سطح نجمنا، الغلاف الضوئي، هذه الطبقة من كرة البلازما شديدة الحرارة التي نسميها الشمس يتم تسخينها بواسطة لب النجم، حيث يحدث معظم الاندماج النووي.
يحدث الاندماج في الشمس عندما تتصادم النوى مع بعضها البعض في درجات حرارة عالية للغاية، حوالي عشرة ملايين درجة مئوية. توفر لهم درجة الحرارة المرتفعة طاقة كافية للتغلب على التنافر الكهربائي المتبادل.
بمجرد اقتراب النوى من بعضها البعض، فإن القوة النووية الجذابة بينهما سوف تفوق التنافر الكهربائي وتسمح لها بالاندماج. ولكي يحدث هذا، يجب حصر النوى في مساحة صغيرة لزيادة فرص الاصطدام، وفي الشمس يؤدي الضغط الشديد الناتج عن جاذبيتها الهائلة إلى خلق ظروف الاندماج.
قد يهمك: ما هي الطاقة النووية
كيف يشكل الاندماج النووي العناصر الكيميائية؟
يصف علماء الفلك النجوم بأنها تحتوي على الهيدروجين والهيليوم وكل شيء آخر (مع عناصر أثقل من الهيليوم وصفها علماء الفلك بأنها “ معادن ”) وتلعب هذه العناصر الأخرى أيضًا دورًا في الاندماج.
ومع ذلك، فإن سلسلة بروتون-بروتون PPI ليس تفاعل الاندماج الرئيسي في النجوم الأكثر ضخامة من الشمس، بدلاً من ذلك، تأتي معظم طاقة هذه النجوم من دورة الكربون والنيتروجين والأكسجين (CNO) التي تتطلب درجات حرارة أعلى للنجوم الأكثر ضخامة للبدء.
تبدأ دورة CN بنواة ذرة كربون -12 التي تستخدمها كمحفز – عنصر يسرع التفاعل ولكنه لم يتغير في نهايته – للاندماج.
يمر الكربون -12 من خلال التقاط البروتون بمراحل مختلفة حتى تنبعث ذرة الهيليوم ويتم استرداد الكربون 12، تتشابه دورة NO ولكنها تستخدم النيتروجين -14 كمحفز.
تخدم الطاقة المتولدة عن الاندماج غرضًا حيويًا داخل النجوم، حيث توفر الضغط الخارجي الذي يوازن كرة البلازما ضد القوة الداخلية للجاذبية، وهذا يعني أنه عندما يتوقف الاندماج يذهب الضغط الخارجي كذلك، ينتج عن هذا انهيار النجم وانتفاخ وفقدان طبقاته الخارجية.
بالنسبة للنجوم الأكثر ضخامة من الشمس، فإن هذا الانهيار الجاذبي يخلق ضغطًا كافيًا لتحفيز الاندماج النووي للهيليوم الناتج عن عمر التسلسل الرئيسي في قلبه، ودمجها لتكوين الكربون والنيون والنيون. الأكسجين.
عندما يتم استنفاد الهيليوم، يحدث الانهيار مرة أخرى مما يؤدي إلى اندماج العناصر الثقيلة، مع استمرار هذا يطور النجم بنية مع عناصر أخف تندمج في طبقاتها الخارجية وبالتالي يتم تكوين عناصر أثقل باتجاه اللب.
ينتهي هذا التقدم في الاندماج النووي حتى بالنسبة للنجوم الأكثر ضخامة عندما يسيطر الحديد على النواة النجمية، هذا لأن الحديد عنصر مستقر للغاية والنجوم ليست ضخمة بما يكفي لتحفيز اندماجها.
عندما يتوقف كل الاندماج النووي، يخضع النجم لانهيار جاذبي نهائي، يؤدي هذا إلى إطلاق مستعر أعظم يقذف العناصر التي شكلها النجم خلال حياته إلى الكون.
|تصبح هذه المواد من هذه النجوم الميتة اللبنات الأساسية للجيل القادم من النجوم والكواكب وكل شيء من حولنا، بما في ذلك أجسادنا البشرية.
بالإضافة إلى ذلك، فإن موجات الصدمة من قلب الحديد المضغوط – والتي ستولد في النهاية نجمًا نيوترونيًا أو حتى ثقبًا أسود – تصطدم بالغاز المنبعث من المستعر الأعظم، مما يؤدي إلى اندماج نووي إضافي مكونًا عناصر أثقل من الحديد والمواد المشعة بالإضافة إلى إطلاق الأشعة السينية وجاما.
أهمية الاندماج النووي
منذ أن تم فهم نظرية الاندماج النووي في الثلاثينيات من القرن الماضي، كان العلماء في سعي لإعادة إنشائها وتسخيرها، وذلك لأنه إذا أمكن تكرار الاندماج على الأرض على نطاق صناعي، فيمكن أن يوفر فعليًا طاقة نظيفة وآمنة وبأسعار معقولة غير محدودة لتلبية الطلب العالمي.
يمكن أن يولد الاندماج أربعة أضعاف الطاقة لكل كيلوغرام من الوقود عن الانشطار (المستخدم في محطات الطاقة النووية)، وما يقرب من أربعة ملايين مرة أكثر من حرق النفط أو الفحم.
ستستخدم معظم مفاهيم مفاعل الاندماج مزيجًا من الديوتيريوم والتريتيوم – ذرات الهيدروجين التي تحتوي على نيوترونات إضافية، من الناحية النظرية، مع بضعة جرامات فقط من هذه المواد المتفاعلة، من الممكن إنتاج تراجول من الطاقة، وهو تقريبًا الطاقة التي يحتاجها شخص واحد في دولة متقدمة على مدى ستين عامًا.
جزء مما يجعل الاندماج مصدرًا واعدًا للطاقة هو حقيقة أن الديوتيريوم يُستخرج بسهولة من مياه البحر العادية، وبحسب تقديرات الوكالة الدولية للطاقة الذرية فأنه يمكن استخلاص كمية كافية من الديوتيريوم من 0.26 جالون من الماء لتوفير نفس القدر من الطاقة مثل احتراق 79 جالونًا من الزيت. وهذا يعني أن المحيطات تحتوي على ما يكفي من الديوتيريوم للحفاظ على احتياجات الطاقة الاندماجية البشرية لملايين السنين.
من ناحية أخرى، يمكن صنع التريتيوم من الليثيوم، وهو موجود أيضًا بكثرة في الطبيعة.
بالإضافة إلى ذلك، فإن المنتجات الثانوية الرئيسية لقوة الاندماج والنيوترونات والهيليوم ليست مشعة، وبالتالي لا تمثل نفس مشكلات التخلص مثل المنتجات الثانوية لمحطات الانشطار النووي – حيث يكون الانشطار تقريبًا صورة طبق الأصل للاندماج، مما يؤدي إلى تكسير الذرات الكبيرة منفصلة إلى ذرات أصغر، غالبًا ما تكون مشعة.
كما أن المنتجات الثانوية للاندماج ليس لها تأثير بيئي كبير، على عكس غازات الدفيئة الناتجة عن حرق الوقود الأحفوري – وهو عامل رئيسي مساهم في تغير المناخ الذي يحركه الإنسان .
اقرأ أيضا: إيجابيات وسلبيات الطاقة النووية
المراجع
