طاقة الاندماج: الفرق بين النسختين

تصفح التاريخ تفاعلياً

[نسخة منشورة]

→ التعديل السابق التعديل اللاحق ←

تم حذف المحتوى تمت إضافة المحتوى

مرئينص الويكي

مضمن

نسخة 14:55، 19 ديسمبر 2022

توليد الطاقة بالاندماج النووي^[1] يقصد بها استغلال الطاقة الناتجة عن تفاعل الاندماج النووي.^[2] الفكرة طبقت بالفعل في صناعة القنابل الهيدروجينية الفظيعة ،ولدى الولايات المتحدة وروسيا والصين الآلاف منها للردع الحربي، وربما صنعت كوريا الشمالية العديد منها.

ولكن الاستخدام السلمي لتلك الطاقة يحتاج إلى ترويض تلك الطاقة والسيطرة عليها من أجل انتاج طاقة كهربائية تنفعنا من طاقتها النووية. المجال العلمي محفوف بالصعاب ولا يزال العلم في أول الطريق الذي بدؤوه منذ نحو 60 عاما.

نبذة

في تفاعلات الاندماج النووي تلتحم نواتي ذرة مع بعضها لتشكيل نواة أثقل . بعكس تفاعل انشطار نووي . الإندماج النووي هو التفاعل بين ذرات الهيدروجين ويحدث فيه إلتحام ذرتين منه فيتكون الهيليوم ويصاحبة انطلاق طاقة حرارية عظيمة. عمليات الاندماج النووي هي التفاعلات التي تتم بغزارة في الشمس وتنتج منها الحرارة العظيمة التي تجعل الحياة على الأرض ممكنة. وهو نفس التفاعل الذي بنيت على أساسه القنبلة الهيدروجينية . في تفاعل الاندماج تكون كتلة الهيلوم أقل من مجموع كتل ذرات الهيدروجين ، وهذا الفرق في الوزن (الكتلة) هو الذي يتحول إلى طاقة يظهر لنا في صورة حرارة عالية جدا . هذا الفرق في وزن الهيدروجين الداخل في التفاعل ووزن الهيليوم الناتج يسمى في الفيزياء طاقة الربط في الأنوية الذرية ، وهي أكبر قوة في الطبيعة على الإطلاق وتسمى القوة النووية الشديدة ، التي تظهر لنا عند حدوث تفاعل الاندماج في زيادة هائلة في درجة حرارة المواد المتفاعلة. ويقوم الإنسان الآن بتجارب علمية ضخمة وعديدة ومكلفة بغرض ترويض تلك الطاقة النووية والانتفاع بها لتوليد طلقة كهربائية. وتفاعلات الاندماج هو المجال الرئيسي للبحوث في فيزياء البلازما.

الآلية

تحدث تفاعلات الاندماج عندما تقترب نواتان ذريتان أو أكثر بما يكفي لفترة كافية بحيث تتغلب القوة النووية التي تربطهم ببعض على قوة التنافر ( القوة الكهروستاتيكية ) تدفعهما بعيدًا عن بعضهما لأن شحنتيهما موجبة . في تفاعل اندماج نووي تتكون أنوية أثقل ، فمثلا عندما تتحد اربعة أنوية هيدروجين (أي 4 بروتونات ) تنتج نواة ذرة الهيليوم (وهي تتكون من بروتونين ونيوترونين ، حيث تتحلل أثنين من البروتونات إلى نيوترونين بواسطة النشاط الإشعاعي). في الشمس تتم تلك التفاعلات وهي مكونة أساسا من الهيدروجي باستمرار وتنتج حرارتها وضوئها التي تمكن من الياة على الأرض. ليس هذا فقط فإن تفاعلات الالتحام تحدث في الشمس بين الهيلوم والهيليوم وتتكون عناصر أثقل ، مثل الكربون والنتروجين والأكسجين وغيرها. وكل تلك التفاعلات الاندماجية التي تتم في الشمس ، وتتم أيضا في النجوم ، هي مصدر طاقة الشمس الهائلة. تتواصل تلك التفاعلات الاندماجية في الشمس والنجوم إلى أن تصل إلى الحديد (الحديد-56 حيث توجد في نواته ما مجموعة 56 بروتونا ونيوترونا) . و بالنسبة إلى الأنوية الأثقل من الحديد-56 ، يكون التفاعل ماص للحرارة ، أي لا يُصدر حرارة ويحتاج إلى حرارة خارجية لكي يتم . ^[3] بالنسبة إلى النوى الأخف من حديد-56 ، يكون التفاعل مولدا للحرارة ، وتطلق طاقة (حرارية) عندما تندمج. نظرًا لأن الهيدروجين يحتوي على بروتون واحد في نواته ، فإنه يتطلب أقل جهد لتحقيق الاندماج ، وباندماجه ينتج أكبر قدر من صافي إنتاج الطاقة. أيضًا نظرًا لأنه يحتوي على إلكترون واحد ، فإن الهيدروجين هو أسهل وقود للتأين الكامل (تأين الهيدروجين يحتاج إلى حرارة عالية جدا ، تبلغ في قلب الشمس نحو 14 مليون درجة مئوية . وفي هذه الظروف عالية الحرارة وعالية الضغط تنفصل الإلكترونات عن الذرات ويصبح ما يسمى بلازما. فالبلازما في الفيزياء هي حالة غريبة في الطبيعة تنفصل فيها الشحنات عن بعضها البعض. في الشمس والنجوم لا يوجد الهيدروجين أو الهيليوم وغيرهم كغازات وإنما كبلازما شديدة السرعة تتصادم ببعضها البعض وينتج من إلتحامها عناصر أثقل .

تعمل القوة النووية القوية فقط على مسافات قصيرة جدا جدا(فيمتومتر واحد على الأكثر ، قطر بروتون واحد أو نيوترون) ، بينما تعمل القوة الكهروستاتيكية على التنافرة بين النوى - وشحنتها موجبة - على مسافات أطول. من أجل الخضوع للاندماج ، يجب إعطاء ذرات الوقود طاقة حركية كافية للاقتراب من بعضها البعض بشكل كافٍ حتى تتغلب القوة النووية القوية على التنافر الكهروستاتيكي. تُعرف كمية الطاقة الحركية اللازمة لتقريب ذرات الوقود بدرجة كافية باسم "حاجز كولوم". تشمل طرق توفير هذه الطاقة تسريع الذرات في معجل الجسيمات ، أو تسخينها إلى درجات حرارة عالية جدا.

بمجرد تسخين الذرة فوق طاقة التأين ، يتم تجريد الإلكترون الخاص بها. تُعرف النواة المجردة الناتجة باسم أيون. هذا التأين يصنع سحابة ساخنة من الأيونات والإلكترونات الحرة المرتبطة بها سابقًا ، والمعروفة باسم البلازما. لأن الشحنات منفصلة ، فإن البلازما موصلة كهربيًا ويمكن التحكم فيها مغناطيسيًا. تستفيد العديد من أجهزة الاندماج من هذا لحصر الجسيمات أثناء تسخينها.

التصاميم الرائدة الحالية في آلات البحوث هي توكاماك و الحبس بالقصور الذاتي (ICF) بواسطة الليزر. كلا التصميمين قيد البحث بمقاييس كبيرة جدًا ، وأبرزها المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي توكاماك في فرنسا ، و منشأة الإشعال الوطنية (NIF) في الولايات المتحدة. يدرس الباحثون أيضًا تصميمات أخرى قد تقدم أساليب أرخص. من بين هذه البدائل ، هناك اهتمام متزايد بـ اندماج بحصر القصور الذاتي بالليزر ، والـ ستيلاراتور.

الكثافة والدرجة الحرارة والزمن

في الحبس المغناطيسي ، تكون كثافة الوقود (مثل الهيدروجين والتريتيوم) منخفضة ، في حدود "الفراغ الجيد". على سبيل المثال ، في جهاز المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي ، تبلغ كثافة الوقود حوالي 1.0 . 10 ¹⁹ . متر ⁻³ ، وهي حوالي مليون جزء من كثافة الغلاف الجوي . ^[4] وهذا يعني أنه يجب زيادة درجة الحرارة و / أو وقت الحبس لكي تتصادم تلك الأنوية مع بعضها البعض ويحدث إلتحامها مع إطلاق طاقة. تم تحقيق درجات الحرارة اللاندماج باستخدام مجموعة متنوعة من طرق التسخين التي تم تطويرها في أوائل السبعينيات. في الأجهزة الحديثة (عام 2019 ) ، كانت المشكلة الرئيسية المتبقية هي وقت حجز البلازما المتفاعلة. تخضع البلازما في المجالات المغناطيسية القوية لعدد من حالات عدم الاستقرار المتأصلة ، والتي يجب قمعها للوصول إلى فترات انحصار للبلازما مفيدة. تتمثل إحدى طرق القيام بذلك في جعل حجم المفاعل أكبر ، مما يقلل من معدل التسرب بسبب التشتت. وهذا هو السبب في أن آلة ITER كبيرة جدًا.

في نفس الوقت تقترب أنظمة الحبس بالقصور الذاتي من قيم الكثافة ودرجة الحرارة المفيدة ، فلها كثافة أعلى ووصلت حرارة البلازما إلى نحو 100 مليون درجة مئوية بتسليط مجالات مغناطيسية شديدة القوة عليها، ولكن لها فترات حبس قصيرة. ومن المعروف أن تفاعل اندماء الهيدروجين في قلب الشمس يبلغ نحو 14 مليون درجة مئوية وتحت ضغط عال جدا . هذا الضغط العالي والمجود في قلب الشمس لا يمكن لنا تحقيقه على الأرض ؛ ولهذا يعتمد الفيزيائيون العاملون على تحقيق تفاعل الاندماج على الأرض بصورة كبيرة للاستفادة من طاقته ، يعملود على رفع درجة حرارة البلازما في الآلة إلى ما فوق 100 مليون درجة. وفي منشأة الإشعال الوطنية NIF الأمريكية ، زادت كثافة وقود الهيدروجين الأولية إلى نحو 100 ضعف وذلك بتسليط المجالات المغناطيسية عليها وحصرها . في هذه الظروف ، يكون معدل الاندماج مرتفعًا لدرجة أن بعض الوقود يندمج في أجزاء من الثانية التي تستغرقها الحرارة الناتجة من تفاعل الاندماج لتفجير جزيئات بلازما الوقود بعيدًا عن بعضها البعص وتشتتها فينقطع التفاعل. على الرغم من أن آلة NIF كبيرة وضخمة ، إلا أن الاندماج يتم بين بعض الأنوية لمدة ثوان ثم يحدث التشتت الفوري ويتوقف التفاعل . فالصعوبة أولا هي صعوبة استمرارية التفاعل للإستفادة المنتظمة من الطاقة التي تصدر.

اندماج الهيدروجين

بعد مجهودات على مستوى العالم لتحقيق الإندماج النووي لسنوات طويلة تصل إلى 60 عاما من البحث الكثيف أعلنت وزارة الطاقة في الولايات المتحدة عن نجاح منشأة الإشعال الوطنية في بلتيمور في توليد طاقة من آلتها التجريبية أكبر من الطاقة التشغيلية المحفزة للإندماج النووي - أكبر بنسبة 20%.

قامت منشأة الإشعال الوطنية الأمريكية بأول تجارب بالليزر واسعة النطاق في يونيو 2009 وبدأت تجارب الإشعال في أوائل عام 2011. ^[5] ^[6] وفي 13 ديسمبر 2022 أعلنت وزارة الطاقةالولايات المتحدة أنه في 5 كانون الأول (ديسمبر) 2022 ، نجحوا في تحقيق اندماج الإكتساب ، "توصيل 2.05 ميغا جول (MJ) من الطاقة إلى الهدف بواسطة الليزر ، مما أدى إلى الحصول على ناتج طاقة اندماج قدرها 3.15 ميغا جول ."^[7]

إلا أن آلة البحوث لا تزالت صغيرة ولا تنفع لانتاج كهرباء منها . والمطلوب هو انشاء مفاعل كبير مثل مفاعل ITER المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي (لا زال تحت الإنشاء في فرنسا ، بمشاركة ألمانيا ، والولايات المتحدة ، وكندا ، وبريطانيا والهند واليابان ) وما هوأكبر منه ليستفيد الأنسان من الاندماج النووي ويستخدمه في إنتاج الطاقة الكهربائية.

مراجع

^ علماء أميركيون يحققون اختراقًا في عملية الاندماج النووي نسخة محفوظة 27 ديسمبر 2016 على موقع واي باك مشين.
^ "Nuclear Fusion : WNA". world-nuclear.org. November 2015. Archived from the original on 2015-07-19. Retrieved 2015-07-26.
^ [http: //hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene /nucbin.html#c2 "يمكن أن ينتج عن الانشطار والاندماج طاقة"]. Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. اطلع عليه بتاريخ 2014-10-30. {{استشهاد ويب}}: تحقق من قيمة |مسار= (مساعدة)
^ Chiocchio، ستيفانو. [https: //accelconf.web.cern.ch/e06/TALKS/FRYCPA01_TALK.PDF "ITER و ITER الدولي والتعاون العلمي الدولي"] (PDF). {{استشهاد ويب}}: تحقق من قيمة |مسار= (مساعدة)
^ Moses، E.I. (2009). [https: //zenodo.org/record/1232045 "The National Ignition Facility : الدخول في عصر جديد لعلوم كثافة الطاقة العالية"]. ج. 16 ع. 4: 041006. Bibcode:... 16d1006M 2009PhPl ... 16d1006M. DOI:10.1063 / 1.3116505. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الاستشهاد بدورية محكمة يطلب |دورية محكمة= (مساعدة)، الوسيط غير المعروف |Journal= تم تجاهله يقترح استخدام |journal= (مساعدة)، تأكد من صحة قيمة |bibcode= طول (مساعدة)، تأكد من صحة قيمة |doi= (مساعدة)، وتحقق من قيمة |url= (مساعدة)
^ Kramer، David (مارس 2011). "DOE تنظر مرة أخرى في الاندماج بالقصور الذاتي كمصدر محتمل للطاقة النظيفة" (ط. 3): 26–28. Bibcode:.... 64c..26K 2011PhT .... 64c..26K. DOI:10.1063 / 1.3563814. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الاستشهاد بدورية محكمة يطلب |دورية محكمة= (مساعدة)، الوسيط غير المعروف |Journal= تم تجاهله يقترح استخدام |journal= (مساعدة)، تأكد من صحة قيمة |bibcode= طول (مساعدة)، وتأكد من صحة قيمة |doi= (مساعدة)
^ "DOE National Laboratory Makes History by Achieving Fusion Ignition". اطلع عليه بتاريخ 2022-12-13.

@@ سطر 2: / سطر 2: @@
 '''توليد الطاقة بالاندماج النووي'''<ref>[https://elaph.com/Web/news/2014/2/876968.html علماء أميركيون يحققون اختراقًا في عملية الاندماج النووي<!-- عنوان مولد بالبوت -->] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161227162418/http://elaph.com/Web/news/2014/2/876968.html |date=27 ديسمبر 2016}}</ref> يقصد بها استغلال [[الطاقة]] الناتجة عن تفاعل [[اندماج نووي|الاندماج النووي]].<ref> "Nuclear Fusion : WNA". world-nuclear.org. November 2015. Archived from the original on 2015-07-19. Retrieved 2015-07-26. </ref>
-الفكرة هطبقت  بالفعل في صناعة [[قنبلة هيدروجينية|القنابل الهيدروجينية]] الفظيعة ،ولدى  الولايات المتحدة وروسيا والصين  الآلاف منها للردع الحربي، وربما صنعت [[كوريا الشمالية]] العديد منها.
+الفكرة طبقت  بالفعل في صناعة [[قنبلة هيدروجينية|القنابل الهيدروجينية]] الفظيعة ،ولدى  الولايات المتحدة وروسيا والصين  الآلاف منها للردع الحربي، وربما صنعت [[كوريا الشمالية]] العديد منها.
 ولكن الاستخدام السلمي لتلك الطاقة يحتاج إلى ترويض تلك الطاقة والسيطرة عليها من أجل انتاج طاقة كهربائية تنفعنا من طاقتها النووية. المجال العلمي محفوف بالصعاب ولا يزال العلم في أول الطريق الذي بدؤوه منذ نحو 60 عاما.

ع ن ت تقانة نووية
فيزياء نووية	انشطار نووي اندماج نووي إشعاع إشعاع مؤين نواة الذرة مفاعل نووي وقاية من الإشعاع هندسة نووية كيمياء نووية
وقود نووي	بلوتونيوم مادة انشطارية يورانيوم_(مخصب _منضب) ثوريوم ديوتريوم تريتيوم يورانيوم مخصب
طاقة نووية	مفاعل نووي نفايات نووية اندماج نووي تطوير طاقة مستقبلية مفاعل الماء المضغوط مفاعل الماء المغلي مفاعلات الجيل الرابع مفاعل استنسال سريع مفاعل بتبريد غازي تقدمي مفاعل ملح منصهر مفاعل سريع بتبريد الرصاص توليد الطاقة بالاندماج مفاعل الماء فوق الحرج مفاعل كندو مفاعل تكاملي سريع مفاعل ماء ثقيل مضغوط دفع نووي
طب نووي	أشعة سينية تصوير مقطعي بالإصدار البوزيتروني تصوير مقطعي بالإصدار البوزيتروني علاج بالأشعة المعالجة المقطعية معالجة قريبة
قنابل نووية	تاريخ الأسلحة النووية حرب نووية سباق التسلح النووي تصميم الأسلحة النووية تأثيرات ناجمة عن انفجار القنبلة النووية اختبار نووي إيصال الأسلحة النووية انتشار الأسلحة النووية قائمة الدول التي تملك قنابل نووية
شركات ومنظمات التقنية النووية	وكالة الطاقة النووية يورنكو آرافا هيتاشي ميتسوبيشي توشيبا معامل الدكتور عبد القدير خان للبحوث