الفرق بين الاندماج والانشطار النووي من لغة عالم الفيزياء
نتناول في هذا التقرير الفروق الدقيقة بين ما يحدث في نجوم الكون وما يحدث في محطات الطاقة النووية، ويشرح عالم فيزياء من الجامعة الوطنية الأسترالية الفرق بين الاندماج والانشطار النووي بعبارات بسيطة.
ووفقا لإسنا، تعد الطاقة النووية مسؤولة عن حوالي 10% من إنتاج الكهرباء على مستوى العالم، وفي بعض الدول، مثل فرنسا، يقترب هذا الرقم من 70%.
وتتجه شركات التكنولوجيا الكبرى مثل جوجل أيضًا إلى الطاقة النووية لتلبية احتياجات الطاقة الهائلة لمراكز البيانات الخاصة بها.
ووفقا لماثيو هول، الأستاذ في معهد العلوم الرياضية وكلية الحاسبات في الجامعة الوطنية الأسترالية، فإن مصدر الطاقة النووية هو طاقة الربط للذرة. يمكن إطلاق الطاقة المخزنة في الذرة بطريقتين رئيسيتين بما في ذلك "الانشطار" أو "الاندماج".
وينطوي الانشطار على تقسيم الذرات الثقيلة الكبيرة إلى ذرات أصغر وأخف وزنا، في حين يتضمن الاندماج دمج الذرات الصغيرة معا لتشكيل ذرات أكبر.
كلتا العمليتين تطلقان الكثير من الطاقة. على سبيل المثال، ينتج عن الانشطار النووي لـ U235، وهو أحد نظائر اليورانيوم ويشيع استخدامه كوقود في معظم محطات الطاقة، طاقة صافية تزيد بأكثر من 6 ملايين مرة عن التفاعل الكيميائي لأنقى الفحم. وهذا يعني أنها عمليات ممتازة لتوليد الكهرباء.
ما هو الانشطار؟
"الانشطار" هو العملية التي تقوم بها كل محطات الطاقة النووية العاملة، ويحدث عندما يضرب جسيم دون ذري صغير يسمى النيوترون ذرة اليورانيوم ويقسمها إلى أجزاء.
يؤدي هذا إلى إطلاق المزيد من النيوترونات، والتي تستمر في الاصطدام مع ذرات أخرى، مما يؤدي إلى تفاعل متسلسل نووي والذي بدوره يطلق كمية كبيرة من الطاقة.
ولتحويل هذه الطاقة إلى كهرباء، يتم تركيب مبادل حراري، والذي يحول الماء إلى بخار ويحرك التوربينات لتوليد الطاقة.
يمكن التحكم في تفاعل الانشطار عن طريق قمع إمدادات النيوترونات. وقد أصبح هذا ممكنا عن طريق وضع "قضبان التحكم" التي تمتص النيوترونات.
تاريخيًا، تقع الحوادث النووية مثل تشيرنوبيل عندما تفشل قضبان التحكم في التعشيق وإغلاق مصدر النيوترون أو يفشل دوران المبرد.
لقد عززت ما يسمى بتصميمات "الجيل الثالث" السلامة من خلال دمج ميزات السلامة السلبية أو المتأصلة التي لا تتطلب تحكمًا نشطًا أو تدخلًا بشريًا لمنع وقوع حادث في حالة حدوث خلل. يمكن أن تعتمد هذه الخصائص على اختلافات الضغط، أو الجاذبية، أو الحمل الحراري الطبيعي، أو الاستجابة الطبيعية للمواد لدرجات الحرارة المرتفعة.
كانت المفاعلات الأولى من الجيل الثالث هي مفاعلات كاشيوازاكي 6 و7 التي تعمل بالماء المغلي المتقدم في اليابان.
التحدي الذي لم يتم حله لـ "الانشطار" هو أن المنتجات الثانوية لهذا التفاعل تظل مشعة لفترة طويلة (في حدود آلاف السنين). وفي حالة إعادة معالجته، يمكن أيضًا استخدام مصدر الوقود ونفاياته لصنع أسلحة نووية.
تعتبر الطاقة الانشطارية تقنية مجربة. يمكن استخدام هذه التكنولوجيا على نطاق واسع (أكبر محطة للطاقة النووية كاشيوازاكي-كاريوا بقدرة 7.97 جيجاوات في اليابان) إلى المفاعلات الصغيرة والمتوسطة التي تنتج حوالي 150 ميجاوات من الكهرباء، على متن سفينة نووية أو غواصة.
هذه هي المفاعلات التي تزود الغواصات النووية الأسترالية الثماني بالطاقة، والتي تعد جزءًا من الشراكة الأمنية الثلاثية مع المملكة المتحدة والولايات المتحدة.
ما هو الانصهار؟
"الاندماج" هو العملية التي تزود الشمس والنجوم بالطاقة. هذه العملية هي عكس "الانشطار" وتحدث عندما تندمج الذرات معًا.
إن أبسط تفاعل اندماجي يمكن البدء به في المختبر هو اندماج نظائر الهيدروجين والديوتيريوم والتريتيوم. ينتج هذا التفاعل طاقة أكبر بأربع مرات من انشطار U235.
أيونات الديوتيريوم وفيرة بشكل لا يصدق على الأرض وفي الكون. التريتيوم، وهو عنصر مشع، نادر جدًا على الأرض، ويبلغ عمر النصف له 12 عامًا.
يبلغ عمر الكون 13.8 مليار سنة، والنظائر الوحيدة للنوى الخفيفة (الهيدروجين والهيليوم والليثيوم) الموجودة في الطبيعة هي تلك المستقرة على المقاييس الزمنية.
في محطة توليد الطاقة الاندماجية، يتم إنتاج التريتيوم باستخدام "بطانية الليثيوم"، وهو جدار صلب من الليثيوم حيث يتم إبطاء نيوترونات الاندماج وتتفاعل في النهاية لتكوين التريتيوم.
ومع ذلك، من الصعب جدًا حاليًا على العلماء إنشاء تفاعل اندماجي خارج المختبر. والسبب هو أنه يحتاج إلى ظروف شديدة الحرارة ليجتمع، والظروف المثالية له هي أن تصل درجة حرارته إلى 150 مليون درجة مئوية.
عند درجات الحرارة هذه، توجد أيونات الوقود في حالة البلازما، حيث يتم فصل الإلكترونات والأيونات النووية، والناتج الثانوي لهذه العملية ليس مشعًا، بل الهيليوم، وهو غاز نبيل أو خامل.
يُطلق على المسار التكنولوجي الرائد لإثبات الاندماج المستقر اسم "السياج المغناطيسي الحلقي". يحدث هذا عندما يتم احتجاز البلازما عند درجات حرارة عالية في زجاجة مغناطيسية كبيرة جدًا على شكل كعكة الدونات.
على عكس الانشطار، يتطلب مسار التكنولوجيا هذا تسخينًا خارجيًا مستمرًا للوصول إلى ظروف الاندماج ومجال حصر قوي، وإذا قمت بإنهاء أي منهما، يتوقف التفاعل.
التحدي هنا ليس الانحلال غير المنضبط، بل عدم وجود رد فعل على الإطلاق.
التحدي الرئيسي الذي لم يتم حله لـ "الاندماج الحلقي المحصور مغناطيسيًا" والذي يجذب غالبية الاهتمام البحثي هو عرض البلازما ذاتية التسخين المحترقة. يحدث هذا عندما يتم إنتاج طاقة التسخين الناتجة عن التفاعل الأولي نفسه. هذا هو هدف مشروع ITER متعدد الجنسيات الذي تموله الحكومة، وهو أكبر تجربة اندماج في العالم، بالإضافة إلى تجربة SPARC الممولة من القطاع الخاص الجارية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT).
ومع ذلك، فإن الإجماع بين العديد من أعضاء المجتمع العلمي هو أن "الاندماج النووي" لن يكون قابلاً للتطبيق تجاريًا حتى عام 2050 على الأقل.
حل لتغير المناخ؟
يقول ماثيو هول: "كثيرًا ما أُسأل عما إذا كانت الطاقة النووية قادرة على إنقاذ الأرض من تغير المناخ". لدي العديد من الزملاء في علم المناخ، وزوجتي الراحلة كانت في الواقع عالمة مناخ بارزة.
إن العلم واضح أن الوقت قد فات لوقف تغير المناخ. ويتعين على العالم أن يبذل كل ما في وسعه للحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتقليل الأضرار الكارثية الناجمة عنها، وكان ينبغي له أن يفعل ذلك قبل عقود من الزمن.
بالنسبة لكوكبنا، يعد "الانقسام" جزءًا من حل عالمي، إلى جانب التطوير الواسع النطاق واعتماد مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية.
وعلى نطاق زمني أطول، من المأمول أن يحل "الاندماج" محل "الانشطار"، لأن وقوده أكثر وفرة وتوافرا، ومشكلة نفاياته أصغر بكثير من حيث الحجم والنطاق الزمني. وبالإضافة إلى ذلك، لا يمكن استخدام هذه التكنولوجيا كسلاح.
الاندماج النووي PDF
أنواع الاندماج النووي
شروط الاندماج النووي
الانشطار النووي والاندماج النووي
فوائد الاندماج النووي
عيوب الاندماج النووي
معادلة الاندماج النووي
معادلة الانشطار النووي لليورانيوم