ما هو فيوجن؟ تعريف وحقائق حول الطاقة النووية
الاندماج النووي هو التفاعل الذي يخرج في قلوب النجوم ، حيث تندمج نواتان ذريتان خفيفتان في نواة واحدة أثقل. ينتج الاندماج القليل جدًا من النفايات النووية ، ولا ينتج عنه انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، مما يعني أنه لطالما تم الترويج له كبديل محتمل نظيف لمصادر الطاقة التقليدية. لكن ما الذي يدفع هذه العملية؟ وهل يمكن أن يصبح مصدر طاقة تجاريًا قابلاً للتطبيق؟
ما هو الانصهار؟
يحدث الاندماج عندما تترابط ذرتان خفيفتان معًا ، أو تندمجان ، لتكوين واحدة أثقل. الكتلة الكلية للذرة الجديدة أقل من الكتلة الكلية للذرة الجديدة ؛ تُعطى الكتلة “المفقودة” كطاقة ، كما وصفتها معادلة ألبرت أينشتاين الشهيرة “E = mc ^ 2”.
عادة ، تتنافر النوى الذرية مع بعضها البعض لأن لها نفس الشحنة. مطلوب درجات حرارة عالية أو ضغوط أو كليهما للتغلب على هذا التنافر. على الأرض ، تصل درجات الحرارة في مفاعلات الاندماج النووي إلى ما يقرب من ستة أضعاف تلك الموجودة في لب الشمس ، وفقًا لمختبر أوك ريدج الوطني. (يفتح في علامة تبويب جديدة). عند هذه الحرارة ، لم يعد الهيدروجين غازًا ولكنه بلازما ، وهي حالة مادة عالية الطاقة للغاية يتم فيها تجريد الإلكترونات من ذراتها.
يختلف الاندماج عن الانشطار ، الذي يقسم الذرات وينتج عنه نفايات مشعة كبيرة ، وهو أمر خطير.
الاندماج هو المصدر المهيمن للطاقة للنجوم في الكون. إنه أيضًا مصدر طاقة محتمل على الأرض ، إذا تمكن العلماء من معرفة كيفية الحصول على طاقة أكبر من التفاعل أكثر مما يتطلبه لبدء التفاعل. عندما ينطلق في تفاعل تسلسلي غير متحكم فيه عن قصد ، فإن الاندماج النووي يقود القنبلة الهيدروجينية. يُنظر أيضًا إلى الاندماج كإمكانية لتشغيل الحرف عبر الفضاء.
طاقة الاندماج النووي
“الكأس المقدسة” للطاقة النظيفة هي توليد الطاقة التجارية من تفاعلات الاندماج النووي.
سعى العلماء لتحقيق هذا الهدف لعقود. يعد الاندماج بديلاً جذابًا لمصادر الطاقة الحالية لأنه ينتج القليل من النفايات المشعة أو غازات الدفيئة أو ينتج عنها القليل من النفايات المشعة أو غازات الاحتباس الحراري ويتطلب مكونات بسيطة نسبيًا. مفتاح هذا الحلم للطاقة النظيفة اللامحدودة هو إنتاج طاقة من التفاعل أكثر مما يتطلبه الأمر.
في عام 2022 ، أعلن العلماء في مرفق الإشعال الوطني (NIF) التابع لمختبر لورانس ليفرمور الوطني أنه وللمرة الأولى ، أنتج قلب الاندماج النووي طاقة أكثر مما يستهلك. يستخدم مرفق الإشعال أشعة الليزر لحصر بلازما الديوتيريوم والتريتيوم ، وهما نظيران أو نسختان من الهيدروجين. لكن الخبراء يقولون إن مفاعل الاندماج التجاري القابل للتطبيق قد يستغرق عقودًا على الأرجح. هذا لأنه لتسخين البلازما ، يجب على العلماء استخلاص الطاقة من الشبكة الكهربائية. ولجعل التفاعل قابلاً للتطبيق ، يجب أن تمثل الطاقة الناتجة عن التفاعل أيضًا كمية كبيرة من الطاقة المفقودة أثناء تحويل الكهرباء إلى الضوء الذي يمد أشعة الليزر.
اندماج الديوتيريوم والتريتيوم: المزيج الواعد للطاقة على الأرض اليوم هو اندماج ذرة الديوتيريوم مع التريتيوم لتكوين ذرة الهيليوم. هذه العملية ، التي تتطلب درجات حرارة تقارب 72 مليون درجة فهرنهايت (39 مليون درجة مئوية) ، تنتج 17.6 مليون إلكترون فولت من الطاقة.
التجارب الحالية مع انصهار الديوتيريوم والتريتير جارية في مرفق الاندماج الوطني DIII-D في سان دييغو ، كاليفورنيا. أكبر مفاعل نووي محتمل ، مشروع ITER (يفتح في علامة تبويب جديدة) في جنوب فرنسا ، والذي لا يزال بعد سنوات من الاكتمال ، يستخدم أيضًا هذين النظيرين لتشغيل تفاعله. على عكس مفاعل NIF ، يستخدم مشروع ITER مغناطيسات قوية لتوجيه بلازما الهيدروجين حول مفاعل على شكل كعكة دائرية ، يسمى توكاماك.
الديوتيريوم مكون واعد لأنه نظير للهيدروجين يحتوي على بروتون واحد ونيوترون ولكن بدون إلكترون. في المقابل ، الهيدروجين وفير في الماء. يمكن أن ينتج جالون من مياه البحر (3.8 لتر) قدرًا من الطاقة يعادل 300 جالون (1136 لترًا) من البنزين.
يحتوي التريتيوم على بروتون واحد ونيوترونين. تم إنتاجه بكميات كبيرة أثناء اختبار الصواريخ النووية في القرن العشرين ، لكن نصف عمره حوالي 12 عامًا ، مما يعني أن نصف الكمية تتحلل في ذلك الإطار الزمني. اقترح العلماء في ITER صنع التريتيوم بكميات كبيرة عن طريق قصف الليثيوم ، وهو عنصر موجود في قشرة الأرض ، بالنيوترونات.
اندماج الديوتيريوم والديوتيريوم: نظريًا أكثر واعدة من الديوتيريوم-تريتيوم نظرًا لسهولة الحصول على ذرتين من الديوتيريوم وعوائد الطاقة العالية التي ستنتجها ، هذه الطريقة أيضًا أكثر صعوبة لأنها تتطلب درجات حرارة عالية للغاية للعمل. يمكن أن تصل درجات حرارة العديد من مفاعلات الاندماج النووي التجريبية إلى حوالي 270 مليون فهرنهايت (150 مليون درجة مئوية) ، وفقًا لـ ITER (يفتح في علامة تبويب جديدة). ومع ذلك ، فإن تفاعل الديوتيريوم والديوتيريوم وحده يتطلب درجات حرارة لا تقل عن 720 مليون إلى 900 مليون فهرنهايت (400 مليون إلى 500 مليون درجة مئوية) ، وفقًا لـ EuroFusion. (يفتح في علامة تبويب جديدة)، وهو اتحاد من معاهد الاندماج الوطنية الموجودة في جميع أنحاء أوروبا.
حتى الآن ، فإن المنشأة الوحيدة القادرة على بدء تفاعل الديوتيريوم والديوتيريوم هي منشأة الطور الأوروبي المشترك (JET) ، والتي لم تحققها إلا بشكل عابر ، وفقًا لـ EuroFusion.
تفاعلات الاندماج في النجوم
اندماج البروتون والبروتون: المحرك المهيمن للنجوم مثل الشمس التي تقل درجة حرارتها الأساسية عن 27 مليون فهرنهايت (15 مليون درجة مئوية) ، يبدأ اندماج البروتون والبروتون ببروتونين وينتج في النهاية جسيمات عالية الطاقة مثل البوزيترونات والنيوترينوات وأشعة جاما. من أجل تحقيق الاندماج مثل درجات الحرارة المنخفضة ، تعتمد النجوم على ضغوط ساحقة تزيد عن 200 مليار ضعف الضغط الجوي على الأرض ، وفقًا لجامعة ويست فيرجينيا. (يفتح في علامة تبويب جديدة).
دورة الكربون: تدمج النجوم ذات درجات الحرارة المرتفعة الكربون بدلاً من ذرات الهيدروجين. في هذه العملية ، تبدأ النجوم بالكربون -12 وتمشي عبر ست خطوات مختلفة لإنتاج نواة هيليوم وذرة كربون -12 أخرى ، وفقًا لمركز جامعة سوينبرن للفيزياء الفلكية والحوسبة الفائقة.
عملية ألفا ثلاثية: نجوم مثل العمالقة الحمراء في نهاية طورهم ، بدرجات حرارة تتجاوز 180 مليون فهرنهايت (100 مليون درجة مئوية) تندمج ذرات الهيليوم معًا بدلاً من الهيدروجين والكربون.
مصادر إضافية
اقرأ المزيد عن الاندماج الذي يمد النجوم من وكالة ناسا بالطاقة (يفتح في علامة تبويب جديدة). هذا الفيديو (يفتح في علامة تبويب جديدة)يصف كيف يتم بناء أكبر مفاعل اندماج نووي. واقرأ المزيد عن السباق لبناء مثل هذه المفاعلات في “The Star Builders: Nuclear Fusion and the Race to Power the Planet (يفتح في علامة تبويب جديدة)“(سكريبنر ، 2021).