الاندماج النووي

 أن النوى ذا العدد الذري المنخفض كالليثيوم له طاقة ربط لكل نوية أصغر حتى مما لدى اليورانيوم. ومعنى هذا أن النويات في النوى الذي عدده الذري منخفض سيكون لديها كتلة لكل نوية اكبر مما لدى تلك التي في النوى الذي عدده الذري أكبر. أي أننا نستطيع تخيل ضم نوى صغير معاً لتكوين نوى أكبر، وخلال ذلك، نحول الكتلة إلى طاقة. وهذا النوع من التفاعل الذي يتم فيه ضم النوى الصغير معاً لتكوين نوى أكبر هو ما يسمى الاندماج النووي. ولكي نتصور الطاقات الهائلة التي تنطلق في التفاعلات الاندماجية هيا ننظر في مجموعة التفاعلات التي تؤدي إلى تولد جانب كبير من طاقة الشمس.

حيث ₊₁⁰e إلكترون موجب (يسمى بوزيترون)  و ₀⁰v نيوترينو. ثم يتفاعل الديوتيريوم ₁²H بعد ذلك:

ثم:

وكما نرى فإن ما حدث بالفعل هو اندماج أربعة بروتونات معاً لتكوين نواة هليوم 4. ولكي نجد مقدار الطاقة المنطلقة في هذه العملية، علينا أن نجد الفقد في الكتلة. إن كتلة البداية هي الخاصة بالبروتونات الأربعة 4×1.007276 = 4.029104 u بينما الكتلة النهائية هي الخاصة بنواة الهليوم 4؛ 4.002604 – 2 m_e = 4.001506 u.

وهذا يبين أن الفقد في الكتلة هو 0.0276 u ، والطاقة المكافئة لهذه الكتلة هي:

ولكن 1 kg من الهليوم به N_A/4 ذرة ولذلك تكون الطاقة المفقودة في تكوين 1kg من الهليوم هي:

ومن المثير للاهتمام مقارنة هذا المقدار من الطاقة، بالطاقة المكافئة للكتلة الكلية الموجودة في 1kg من المادة: E= mc² = 9×10¹⁶ J ،أي أن الطاقة التي تنطلق بالاندماج ليست سوى 0.7% من هذا المقدار، ولذلك يمكننا القول بأن نحو 0.7% من المادة هو الذي يتحول إلى طاقة في اندماج الهيدروجين. وبحساب مماثل لانشطار 1kg من ²³⁵U نجد أن ينتج طاقة مقدارها 8×10¹³ J وهو ما يناظر تحويل 0.1% من الكتلة إلى طاقة. وفي مقابل هذا فإن الاحتراق الكيميائي يعطى نحو 3.3×10⁷ J/kg فحسب من الوقود والأوكسجين. أي أن التفاعلات الكيميائية لا تطلق سوى 10^-7 من الطاقة ــ لكل كيلو جرام ــ التي تطلقها تفاعلات الاندماج والانشطار.

وعلى الرغم من أن مصدر الطاقة في الشمس والنجوم هو عمليات الاندماج، فإن التفاعل الاندماج لم يمكن جعله مصدراً عملياً ومستقراً للطاقة على الأرض حتى الآن.  والاندماج ــ من حيث المبدأ ــ مصدر جذاب للغاية للطاقة، فنواتجه وهو ⁴He لا تشكل نفايات مشعة ولكنه عنصر نادر ومفيد جداً. أما الوقود فهو موجود بوفرة لأن الهيدروجين من مكونات الماء. . وإذا دمجنا هذه الإمكانيات المتاحة مع كميات الطاقة الهائلة التي ينتجها الكيلو جرام لوجدنا  أن لدينا مصدراً لا ينضب للطاقة تقريباً.

وتتركز صعوبة الحصول على تفاعل اندماجي مستقر في أن التفاعل الاندماجي لا يمكن أن يحدث إلا إذا جعلت البروتونات على مسافة مساوية لمدى القوى النووية الشديدة وهو نحو 5×10^-15 m ، وعند مثل هذه المسافة تصبح قوى كولوم التنافرية هائلة جداً. وبعبارة أخرى فإن طاقة  الوضع الكهربية عند هذه المسافات، كبيرة جداً ومن رتبة 1MeV، وهب مقاربة لطاقة الحركة التي يجب إعطاؤها للبروتونات حتى تندمج قبل أن تتنافر بواسطة قوة كولوم. ومن السهل الحصول على هذه الطاقة بواسطة العجلات الضخمة للجسيمات. إلا أن كفاءة تلك الآلات لا زالت أقل من أن تجعل هذه التفاعلات عملية. وعلينا أن نستغل التصادمات الحرارية بين البروتونات في الغاز الحار للغاية. وسنحاول أن نعرف ما هي درجات الحرارة التي قد تلزم الاندماج بهذه الطريقة.

نعلم من نظرية الحركة للغازات أن متوسط طاقة الحركة الانتقالية لجسيم ما في غاز درجة حرارته T هو 3/2 kT فإذا ساوينا هذه الطاقة بالمقدار 1MeV أو 1.6×10^-13 J لوجدنا:

ومن ثم:           T = 7.6×10⁹ K

إن مطلب درجات الحرارة المرتفعة جداً هو السبب في تسمية هذا التفاعل بالاندماج النووي الحراري. وطاقات الجسيم موزعة ــ بطبيعة الحال على مدى كبير من القيم حول هذا المتوسط. وعندما تكون قيم الكثافة في قلب الشمس وهي نحو 150×10³ kg/m³ متاحة، فغن مقادير ضخمة من طاقة الاندماج يتم إنتاجها عند درجة حرارة مقدارها 15 مليون درجة بواسطة جسيمات تقع عند الطرف المناظر للطاقات العالية في التوزيع الحراري. والقدرة المشاهدة الناتجة عن الشمس بسبب الاندماج النووي هي 4×10²⁶ watt ويتطلب هذا أن يندمج نحو 655 مليون طن من الهيدروجين (البروتونات) لتكوين 650 طن من ⁴He كل ثانية في قلب الشمس. والشمس قادرة على احتواء هذا التفاعل الذي يتم عند درجة حرارة مرتفعة وذلك لشدة جاذبيتها أي أن الجاذبية (ألتثاقل) هي التي توفر احتواء مستقراً للتفاعل الاندماجي في النجوم.

الشكل 1)): نظام توكاماك الاندماجي ، ذو الحصار المغناطيسي، حيث يقوم مجال مغناطيسي مركب بحصر الغاز عند درجات حرارة مرتفعة (بلازما) داخل منطقة على هيئة الدونت (أنبوبة حلقية).

أما على الأرض، فعلينا أن نبحث عن وسائل أخرى لاحتواء مثل هذا التفاعل شديدة الحرارة. إننا قادرون على إنتاج اندماج بشكل تفجيري، كما يحدث مع القنابل الهيدروجينية ، ولكننا لم ننجح حتى الآن في تنفيذ تفاعل نووية حراري محكوم.

وتنطوي محاولات الاحتواء لدينا على حقيقة مهمة وهي أن المادة تصبح مؤينة بدرجة كبيرة، فتتكون من ثم من أيونات وإلكترونات منفصلة عن بعضها البعض في حالة تسمى بلازما. ويمكن حصر الجسيمات المشحونة بواسطة مجالات مغناطيسية قوية، وإن كانت درجات الحرارة المرتفعة والضغوط الهائلة سرعات ما تؤدي إلى حالات من عدم الاستقرار التي تهدم الاحتواء. ولم يزد ما تم تطويره عبر السنين من البحوث في العديد من البلدان، عن محاولة لتسخين البلازما بسرعة كبيرة واحتوائها في مجالات مغناطيسية لفترة طويلة بحيث أن ما ينتج من طاقة يقوف ما يستهلك منها قبل أن يتمزق الاحتواء. ويعتبر جهاز" توكاماك" من أكثر المحاولات الواعدة، ويوضحه تخطيطياً الشكل 1))، وتقترب أزمنة الاحتواء من 1s ومن المتوقع الوصول إلى نقطة التعادلية في الطاقة (عندما تتساوى الناتجة عن الاندماج مع ما يمد به جهاز التوكاماك  من طاقة) مع زيادة حجم التوكاماك.