اندماج نووي

The deuterium-tritium (D-T) fusion reaction is considered the most promising for producing sustainable fusion power. From the top: 1. the D and T nuclei are accelerated towards each other at thermonuclear speeds/temperatures; 2. they combine to create an unstable Helium-5 nucleus; 3. the He-5 nucleus decays, resulting in the ejection of a neutron and repulsion of the He-4 nucleus, both with high energies.

•  مقالة مفصلة: طاقة إندماج وشيكة

الاندماج النووي هو التفاعلات الذريه الناتجة من تفاعل اليورانيوم المخصب وذلك بإطلاقه نحو ذرات الهيدروجين. أو هو تفاعل أنوية العناصر المتفاعلة مع بعضها البعض مما يؤدي إلى تكوين نواة جديدة أثقل مما يؤدي إلى انتاج عنصر جديد. ومن اهم امثلة الاندماج النووي هو اندماج ذرات الهيدروجين لتكوين ذرات الهيليوم ولعل افضل مثال لهذه التفاعلات هي التفاعلات الشمسية والتي تتطلق كمية كبيرة جدا من الطاقةو إن الطاقة التي تنتجها عملية الإندماج النووي أكبر بكثير من الطاقة التي ينتجها الإنشطار النووي.

The electrostatic force caused by positively charged nuclei are very strong over long distances, but at short distances the nuclear force is stronger. As such, the main technical difficulty for fusion is getting the nuclei close enough to fuse. Distances not to scale.

The fusion reaction rate increases rapidly with temperature until it maximizes and then gradually drops off. The DT rate peaks at a lower temperature (about 70 keV, or 800 million kelvins) and at a higher value than other reactions commonly considered for fusion energy.

$f=n_{1}n_{2}\langle \sigma v\rangle$

If a species of nuclei is reacting with itself, such as the DD reaction, then the product $n_{1}n_{2}$ must be replaced by $(1/2)n^{2}$.

$\langle \sigma v\rangle$ increases from virtually zero at room temperatures up to meaningful magnitudes at temperatures of 10 - 100 keV. At these temperatures, well above typical ionization energies (13.6 eV in the hydrogen case), the fusion reactants exist in a plasma state.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 آلية الاندماج

يحدث تفاعل الاندماج النووي عندما تتداخل نواتان ذريتان. ولكي يتم هذا التداخل، لا بد من أن تتخطى النواتان التنافر الحاصل بين شحنتيهما الموجبتين (و تعرف الظاهرة بالـحاجز الكولومبي). إذا ما طبقنا قواعد الميكانيكا الكلاسيكية وحدها، سيكون احتمال الحصول على اندماج الأنوية منخفضا للغاية، بسبب الطاقة الحركية (الموافقة للهيجان الحراري) العالية جدا اللازمة لتخطي الحاجز المذكور. وفي المقابل، تقترح ميكانيكا الكم، وهو ما تؤكده التجربة، أن الحاجز الكولومبي يمكن تخطيه أيضا بظاهرة النفق الكمومي، بطاقات أكثر انخفاضا.

وبالرغم من ذلك، فإن الطاقة اللازمة للاندماج تبقى مرتفعة جداً، وهو ما يقابله حرارة أكثر من عشرات أو ربما مئات الملايين من الدرجات المئوية حسب طبيعة الأنوية. وفي داخل الشمس على سبيل المثال، يجري تفاعل اندماج الهيدروجين المؤين عبر مراحل إلى تولد الهليوم، في ظل حرارة تقدر ب 15 مليون درجة مئوية، ويحدث ذلك ضمن عدة تفاعلات مختلفة تنتج عنها حرارة الشمس. وتُدرس بعض تلك التفاعلات بين نظائر الهيدروجين بغرض إنتاج الطاقة عبر الاندماج مثل الديوتيريوم-ديوتيريوم أو الديوتيريوم-تريتيوم (انظر أسفله). أما في الشمس فتتواصل عملية الاندماج إلى العناصر الخفيفة ثم المتوسطة ثم ينتج منها العناصر الثقيلة مثل الحديد، الذي يحتوي في نواته على 26 بروتون ونحو 30 من النيوترونات. وفي بعض النجوم الأكثر كتلة عن الشمس، تتم عمليات اندماج لأنوية أضخم تحت درجات حرارة أكبر.

وعندما تندمج أنوية صغيرة، تنتج نواة غير مستقرة تسمي أحيانا نواة مركبة، ولكي تعود إلى حالة استقرار ذات طاقة أقل، تـُطلق جسيم أو أكثر (فوتون، نيوترون، بروتون، على حسب التفاعل)، وتتوزع الطاقة الزائدة بين النواة والجسيمات المطلقة في شكل طاقة حركيّة. وطبقاً للرسم التوضيحي تنطلق نواة ذرة الهيليوم بطاقة قدرها 5و3 MeV وينطلق النيوترون بطاقة قدرها 14,1 MeV (ميجا إلكترون فولت). وفي المفاعلات الاندماجية الجاري تطبيقها حاليا يجتهد العلماء للحصول على مردود جيد من الطاقة خلال الاندماج، أي من الضروري أن تكون الطاقة الناتجة أكبر من الطاقة المستهلكة لتواصل التفاعلات واستغلال الحرارة الناتجة في إنتاج الطاقة الكهربائية. كما يجب عزل محيط التفاعل ومواد المحيط في المفاعلات الاندماجية.

عندما لا يوجد أي وضع مستقر، تقريبا، قد يكون من المستحيل أن نقوم بإدماج نواتين (على سبيل المثال : ⁴He + ⁴He).

إن التفاعلات الاندماجية التي تطلق أكبر قدر من الطاقة هي تلك التي تستخدم أكثر الأنوية خفّة لإنتاج الهيليوم، لأن الهيليوم ونواته جسيم ألفا هي أقوى نواة ذرة هلى الإطلاق من جهة تماسكها، فهي تحتوي على 2 بروتون و 2 نيوترون وهؤلاء الأربعة شديدو التماسك بحيث يتحول جزء يعادل 005و0 من كتلتهم كما في التفاعل الموضح بالرسم ،إلى طاقة حركة تتوزع بين نواة الهيليوم الناتجة والنيوترون. ومجموع الطاقتين الموزعتين = 3,5 + 14,1 = 17,6 ميجا إلكترون فولت. وبالتالي فإن أنوية الدويتيريوم (بروتون واحد ونيوترون واحد) والتريتيوم (بروتون واحد ونيوترونان)، مستخدمة في التفاعلات التالية :

• ديوتيريوم + ديوتيريوم -> هيليوم 3 + نيوترون
• ديوتيريوم + ديوتيريوم -> تريتيوم + بروتون
• ديوتيريوم + تريتيوم -> هيليوم 4 + نيوترون
• ديوتيريوم + هيليوم-3 -> هيليوم-4 + بروتون

و هذه التفاعلات هي أكثر التفاعلات دراسة في المخابر عند تجارب الاندماج المراقبة، وكل منها ينتج نحو 17 ميجا إلكترون فولت من الطاقة.

 الاندماج المتحكم فيه

يمكن التفكير في عدة طرق تمكّننا من احتجاز محيط التفاعل للقيام بتفاعلات اندماج نووية، ويقوم العلماء فعلا بتلك التجارب بواسطة الاحتجاز المغناطيسي لما يسمى البلازما في جهاز مفرغ من الهواء مع رفع درجة حرارة البلازما إلى عشرات الملايين درجة مئوية . ولكن احتجاز البلازما - وهي أنوية التريتيوم و الديوتيروم الخالية من الإلكترونات - تحت هذه الحرارة العالية صعب جدا إذ كلها تحمل شحكة كهربائية موجبة تجعلهم يتنافرون عن بعضهم . فما يلبث التفاعل أن يبدأ بينهم لمدة أجزاء من الثانية حتى يتنافرون ويتوقف التفاعل . وينصب حاليا اهتمام العلماء على ابتكار وسيلة يستطيعون بها إطالة مدة انحصار البلازما وإطالة مدة التفاعل . وتلك المجهودات ما هي إلا بغرض استغلال طاقة الاندماج النووي لإنتاج الطاقة الكهربائية .

الاندماج بالاحتجاز المغناطيسي

• التوكاماك، حيث يحتجز خليط من نظائر الهيدروجين بواسطة حقل مغناطيسي بالغ الشدة.
• الستيلاتور، حيث تؤمن الحواث (inductors) الاحتجاز بالكامل.

 بلازما الإندماج

رسم بياني يوضح العلاقة بين درجة الحرارة ومعدل التفاعل لثلاثة أنواع من التفاعلات الاندماجية .

عندما تصل الحرارة الدرجة التي يحصل فيها الإندماج، تكون المادة في حالة بلازما. إنها حالة خاصة للمادة الأولية، تكوّن فيها الذرات أو الجزيئات غازا أيونيا.

تحت درجات الحرارة العالية يتم إقتلاع إلكترون أو أكثر من السحابة الإلكترونية المحيطة بكل نواة ، مما ينتج عنه أيونات موجبة و إلكترونات طليقة.

ينتج عن التحرك الكبير للأيونات و الإلكترونات داخل بلازما حرارية ، عدة اصطدامات بين الجسيمات الموجبة الشحنة الكهربية . و لكي تكون هذه الإصطدامات قوية بما فيه الكفاية لإنشاء تفاعل اندماجي ، تتدخل ثلاث عوامل :

1. الحرارة T ;
2. الكثافة N ;
3. زمن الاحتجاز τ.

حسب لوسون فإن المعامل Nτ يجب أن يصل حدا فاصلا للحصول على الـ breakeven حيث تكون الطاقة الناتجة عن الاندماج مساوية للطاقة المستخدمة. يحدث الإيقاد إثر ذلك في مرحلة أكثر إنتاجا للطاقة (لم يتوصل العلماء لإيجادها حتى اليوم في المفاعلات التجريبية الحالية). إنه الحد الذي يكون التفاعل إثره قادرا على المواصلة من تلقاء ذاته من دون انقطاع . لتفاعل ديتوريوم + تريسيوم، يقدّر هذا الحد بـ 10¹⁴ ثانية/سم³.

 التفاعلات الهامة

 سلاسل التفاعل الفيزيائية الفلكية

The proton-proton chain dominates in stars the size of the Sun or smaller.

The CNO cycle dominates in stars heavier than the Sun.

(1)

D

+

T

→

4He

(3.5 MeV)

+

n

(14.1 MeV)

(2i)

D

+

D

→

T

(1.01 MeV)

+

p

(3.02 MeV)

50%

(2ii)

→

³He

(0.82 MeV)

+

n

(2.45 MeV)

50%

(3)

D

+

³He

→

4He

(3.6 MeV)

+

p

(14.7 MeV)

(4)

T

+

T

→

4He

+

2

n

+ 11.3 MeV

(5)

³He

+

³He

→

4He

+

2

p

+ 12.9 MeV

(6i)

³He

+

T

→

4He

+

p

+

n

+ 12.1 MeV

51%

(6ii)

→

4He

(4.8 MeV)

+

D

(9.5 MeV)

43%

(6iii)

→

4He

(0.5 MeV)

+

n

(1.9 MeV)

+

p

(11.9 MeV)

6%

(7i)

D

+

6Li

→

2

4He

+ 22.4 MeV

__%

(7ii)

→

³He

+

4He

+

n

+ 2.56 MeV

__%

(7iii)

→

7Li

+

p

+ 5.0 MeV

__%

(7iv)

→

7Be

+

n

+ 3.4 MeV

__%

(8)

p

+

6Li

→

4He

(1.7 MeV)

+

³He

(2.3 MeV)

(9)

³He

+

6Li

→

2

4He

+

p

+ 16.9 MeV

(10)

p

+

11B

→

3

4He

+

8.7 MeV

تخليق نووي

Stellar nucleosynthesis Big Bang nucleosynthesis Supernova nucleosynthesis Cosmic ray spallation

مواضيع متعلقة

فيزياء فلكية اندماج نووي R-process S-process انشطار نووي

تعديل

p (protium), D (deuterium), and T (tritium) are shorthand notation for the main three isotopes of hydrogen.

fuel	T [keV]	<σv>/T² [m³/s/keV²]
D-T	13.6	1.24×10-24
D-D	15	1.28×10-26
D-³He	58	2.24×10-26
p-6Li	66	1.46×10-27
p-11B	123	3.01×10-27

 Neutronicity, confinement requirement, and power density

The only fusion reactions thus far produced by humans to achieve ignition are those which have been created in hydrogen bombs; the first of which, Ivy Mike, is shown here.

fuel	Z	Efus [MeV]	Ech [MeV]	neutronicity
D-T	1	17.6	3.5	0.80
D-D	1	12.5	4.2	0.66
D-³He	2	18.3	18.3	~0.05
p-11B	5	8.7	8.7	~0.001

We can now compare these reactions in the following table.

fuel	<σv>/T²	penalty/bonus	reactivity	Lawson criterion	power density
D-T	1.24×10-24	1	1	1	1
D-D	1.28×10-26	2	48	30	68
D-³He	2.24×10-26	2/3	83	16	80
p-11B	3.01×10-27	1/3	1240	500	2500

fuel	Ti (keV)	Pfusion/PBremsstrahlung
D-T	50	140
D-D	500	2.9
D-³He	100	5.3
³He-³He	1000	0.72
p-6Li	800	0.21
p-11B	300	0.57

 أنظر أيضا

• سلسلة تفاعل بروتون-بروتون
• تفاعل نووي
• تخليق العناصر
• كربون-12
• طاقة الارتباط
• توكاماك
• اندماج في محفظة القصور الذاتي