13 عملية الاندماج النووي: تفسيرات وحقائق

في هذه المقالة سيتم توضيح عملية الاندماج النووي خطوة بخطوة مع التفسيرات والحقائق المتعلقة بها.

قبل البدء في الحقائق التفصيلية المتعلقة ب عملية الاندماج النووي يجب أن تكون لدينا فكرة أساسية عن تفاعل الاندماج النووي وكيف يختلف عن تفاعل الانشطار النووي. الاندماج النووي هو مجرد رد فعل معاكس للانشطار النووي.

نعلم جميعًا أنه عندما تنقسم نواة ثقيلة من اليورانيوم 235 إلى جزأين من نواتين أخف وزنًا من الباريوم والكريبتون مصحوبين بـ 3 نيوترونات أسرع ، يُعرف هذا التفاعل بالانشطار النووي. في حالة الاندماج تتحد نواتان أخف لتشكل نواة أثقل.

دعنا نصل إلى جوهر هذا المفهوم ، أي طاقة الربط لكل نواة.

وفقًا طاقة الربط منحنى ، فإن النوى الأخف نسبيًا الموضوعة على الجزء الحاد من المنحنى لها قيم أقل لطاقة الربط لكل نواة من طاقة الربط لكل نواة من نوى الأعداد الكتلية المتوسطة.

منحنى طاقة الربط النووي من ويكيبيديا

هذا هو السبب إذا اندمجت نواتان أخف معًا لتشكيل نواة ثقيلة ، فستكون لطاقة الربط قيمة أكبر وستنخفض الكتلة النووية نتيجة لذلك. قيمة Q الموجبة هي النتيجة التي يتم الحصول عليها منها والتي تدل على إطلاق الطاقة.

يُطلق على التفاعل النووي المذكور أعلاه اسم الانصهار النووي.

عملية الاندماج النووي
الاندماج النووي من ويكيبيديا

أظهر العالم إدينجتون في عام 1920 أنه يمكن دمج أربعة هيدروجين معًا لتشكيل ذرة هيليوم. سوف يفرج عنه 7 إلكترون فولت / نيكلون أو ما مجموعه 28 إلكترون فولت لجميع الذرات الأربع.

معادلة تفاعل الاندماج النووي مكتوبة أدناه:

1H1 + 1H1 1H2 + 1e0 + 𝜈 + س                              س = 0.42 ميغا إلكترون فولت                       

1H2 + 1H2  → 2He3 + 0n1 + Q                                س = 3.3 ميغا إلكترون فولت

تشير Q إلى قيمة الطاقة المنبعثة.

العوامل التي الانصهار النووي تعتمد العملية على:

(ط) يجب أن تكون التصادمات بين نواتين نشيطين للغاية

(XNUMX) هناك حاجة لإعادة ترتيب النواة لاحقًا

(XNUMX) يجب أن تكون الطاقة المنبعثة هي الطاقة الحركية وطاقة الإثارة لنواة المنتج

يتم شحن كل من النوى المتصادمة بشكل إيجابي. ومن ثم تعمل قوة تنافر إلكتروستاتيكية قوية بينهما تحاول فصلهما عن بعضهما البعض. لذلك يجب أن تكون الطاقة الحركية لهذه النوى المتصادمة عالية جدًا بحيث يمكنها التغلب على قوة تنافر الكولوم الكهروستاتيكي.

يجب أن يكون تفاعلًا مستدامًا ذاتيًا بحيث تكون الطاقة المنبعثة أكبر من الطاقة الممتصة في بدء التفاعل.

مع زيادة قيمة الطاقة الحركية ، تزداد درجة الحرارة أيضًا. بحيث يتم تسليم كمية كافية من الطاقة إلى النوى الثانوية. هذا هو السبب في أن تفاعلات الاندماج النووي تسمى أيضًا التفاعلات النووية الحرارية.

تصل درجة الحرارة المرتفعة التي تم الحصول عليها في عملية الاندماج النووي إلى 10 درجات مئوية. مع ارتفاع الأعداد الذرية ، يكون ارتفاع درجة الحرارة مرتفعًا أيضًا. أساسا ثلاثة نظائر للهيدروجين (1H1,1H2,1H3) تستخدم في عملية الاندماج النووي وخاصة الديوتيريوم (1H2).

الاندماج النووي من ويكيبيديا

فيما يلي خطوات عملية الاندماج النووي:

الخطوة1:

في أول نواتين أخف ، يتم وضع ذرتين من الديوتيريوم بالقرب من بعضهما البعض.

الخطوة2:

بعد ذلك يتم تسخين هاتين النويتين عند درجة حرارة عالية جدًا تصل إلى 10 درجات مئوية.

خطوة 3:

يجب أن تتصادم الذرات بسرعة عالية جدًا للتغلب على قوة تنافر الكولوم الكهروستاتيكية التي تعمل بينهما (تعمل قوة التنافر هذه لأن كلاهما مشحونان إيجابياً).

خطوة 4:

ثم يتم دمج هاتين الذرتين مع بعضهما البعض.

                1H1 + 1H1 1H2 + 1e0 + 𝜈 + س                              س = 0.42 ميغا إلكترون فولت

                1H2 + 1H2  → 2He3 + 0n1 + Q                                س = 3.3 ميغا إلكترون فولت

خطوة 5:

بعد حدوث التفاعل ، تتشكل النيوترونات ويتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة.

خطوة 6:

كل واحد منا على دراية تامة بعلاقة أينشتاين بالكتلة والطاقة. إنه، E = mc² حيث E = الطاقة ، م = الكتلة و ج = سرعة الضوء. الآن كتلة ذرة المنتج أقل من كتلة الذرتين المتفاعلتين.

لا تُفقد هذه الكتلة الزائدة أثناء التفاعل ، بل تتحول فقط إلى طاقة وفقًا لعلاقة طاقة الكتلة المذكورة أعلاه.

من خلال هذه العملية برمتها ، يمكن ملاحظة أننا بحاجة إلى كمية صغيرة جدًا من الكتلة لتوليد كمية هائلة من الطاقة.

13+ عملية الاندماج النووي مع الرسوم التوضيحية التفصيلية مذكورة أدناه:

عملية الاندماج النووي في النجوم

تحتوي النجوم في الغالب على ذرات هيدروجين وهيليوم معبأة بكثافة. نظرًا لارتباطهم ببعضهم البعض بشكل وثيق للغاية ، فإنهم يخلقون ضغطًا هائلاً في قلب النجوم. بسبب هذا الضغط المرتفع ودرجة الحرارة حوالي 10 درجة مئوية يحدث الاندماج النووي هنا.

تندمج ذرتان أخف معًا في تفاعل الاندماج النووي. تتحد ذرتان من الهيدروجين معًا لتشكيل ذرة هيليوم في قلب النجوم. على الرغم من أن بدء الاندماج النووي يتطلب الكثير من الطاقة ، إلا أنه بمجرد أن يبدأ فإنه ينتج كمية هائلة من الطاقة.

تحدث عملية الاندماج النووي بشكل مستمر في النجوم. في البداية يتحد هيدروجين لتكوين الهيليوم ، وبعد ذلك البريليوم وما إلى ذلك. نظرًا لوجود بروتون واحد في ذرة الهيدروجين ، فإن اندماج ذرات الهيدروجين في النجوم يُعرف أيضًا باسم اندماج البروتون والبروتون.

عملية الاندماج النووي في الشمس

يحدث الاندماج النووي أيضًا في الشمس. هنا أيضًا تتحد ذرات الهيدروجين لتكوين ذرات الهيليوم. تلتحم أربع ذرات هيدروجين مع بعضها البعض لتشكيل كل ذرة هيليوم. يتم تحويل بعض كتلة المنتجات إلى طاقة أثناء عملية الاندماج النووي هذه.

ردود الفعل النجمية

جميع العناصر التي تنتمي إلى هذا الكون كانت الهيدروجين في المواقف السابقة. يتم الجمع بين البروتونات والنيوترونات التي تنتمي إلى بعض النوى الأخف لتكوين عناصر جديدة داخل النجوم. تُعرف العملية التي يحدث من خلالها هذا بالتخليق النووي النجمي.

ممتاز تخليق نووي من ويكيبيديا

يتحول الهيدروجين إلى هيليوم وطاقة حرارية وطاقة مشعة من خلال عملية الاندماج النووي. لذلك تتشكل نوى جديدة بشكل أساسي من النوى الموجودة مسبقًا في النجوم من خلال هذه التفاعلات.

في التركيب النووي البدائي H ، يتم إنتاج He و Li-7 في الكون الحار المبكر. يحدث التخليق النووي النجمي اليوم من خلال التفاعلات النووية الحرارية في البيئة النجمية والتقاط النيوترونات في البيئة النجمية.

تحدث عملية الاندماج النووي داخل قلب الأرض

لم يتم بعد العثور على المصدر الذي تحدث منه عملية الاندماج النووي داخل اللب الداخلي للأرض. ومن ثم يفترض العلماء أن اضمحلال المشعة يمكن أن تكون العناصر أحد مصادر الاندماج النووي هنا.

هنا هذا الاندماج النووي الذي يحدث من الديوترونات يزيد من معدل التفاعل عند ضغط مرتفع جدا 364 GPa ودرجة حرارة عالية جدًا تبلغ 5700 K. المعادلة المطلوبة للتفاعل هي:

2D + 2D + 2D → 2 1H1 + 2He4 + 20.85 ميغا إلكترون فولت

معدل إنتاج الحرارة هو 8.12 X 10¹² J / m3

عملية الاندماج النووي غير المنضبط

تحدث تفاعلات الاندماج والانشطار النووي في جهاز حارق للهيدروجين. يحتوي جزء الانشطار داخله على اليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239. أحاط بهما جو من الديوتيريوم والتريتيوم. يلعب جزء الانشطار هذا دور فتيل الاشتعال في البداية ويوفر درجة حرارة عالية تبلغ 107-108 درجة مئوية.

تساعد هذه الأجواء شديدة الحرارة في بدء عملية الاندماج النووي. ثم يتم الحفاظ على درجة الحرارة هذه حتى تستمر العملية.

الذخيرة الحرارية النووية من ويكيبيديا

عملية الاندماج النووي الخاضعة للرقابة

نحن نعلم أنه لا يمكن الحصول على الاندماج النووي في المختبر لأنه يتطلب درجة حرارة عالية جدًا لبدء التشغيل. ومن ثم ، لحل هذه المشكلة ، بدأت عملية استخدام الجسيمات ذات الطاقات الحركية العالية.

طريقة أخرى لحل هذه المشكلة هي تحويل وقود الاندماج النووي في البلازما.

مفاعلات الاندماج النووي

مفاعل الاندماج النووي هو تطبيق لتفاعل الاندماج المتحكم فيه. في هذا النوع من المفاعلات تتحول الطاقة النووية أساسًا إلى طاقة كهربائية. آليتها مشابهة لتفاعل الاندماج النووي العادي.

يتم تحويل كمية ضئيلة من الكتلة إلى كمية هائلة من الطاقة وفقًا لعلاقة أينشتاين بين الكتلة والطاقة ، E = mc².

مفاعل الاندماج النووي من ويكيبيديا

دورة البروتون - البروتون

هذا في الأساس نوع من التفاعل النجمي. في هذا التفاعل يتم دمج البروتونات لإنتاج نوى الهيليوم. يتم تحرير الطاقة النجمية أيضًا في هذا التفاعل. معادلات دورة البروتون-البروتون هي-

                                                     1H1 + 1H11H2 +1e0 + v + 0.42 إلكترون فولت

                                                    1H2 + 1H12He3 + γ + 5.5 إلكترون فولت

                                                    2He3 + 2He32He4 + 2 1H1 + 12.8 ميغا إلكترون فولت

دورة الكربون - النيتروجين

هذا نوع آخر من التفاعلات النجمية. يتم استخدامه في النجوم كبديل لدورة البروتون-البروتون. الطاقة المنبعثة فيه هي أيضًا نفس الدورة السابقة.

المعادلة الإجمالية لهذا هي:

4 1H12He4 + 2 1e0 + 2 فولت + 3γ + 26.72 إلكترون فولت

اندماج نووي حراري

يستخدم هذا النوع من الاندماج النووي في الذخائر النووية الحرارية. عند درجة حرارة عالية جدًا تنتقل الذرات إلى حالة البلازما في هذا النوع من التفاعل. طاقات حركية عالية للغاية تساعد الجسيمات على الاصطدام. ومن هنا يحدث الاندماج.

عملية الانصهار النووي للحبس الكهروستاتيكي بالقصور الذاتي

في هذه الأجهزة ، يتم استخدام مجال كهربائي لتسخين الأيونات والذي بدوره يساعد في حدوث تفاعل الاندماج النووي. يستخدم هذا المفهوم في المنصهر.

عملية الاندماج النووي للحصر بالقصور الذاتي

هنا يتم تسخين هدف الوقود وضغطه بحيث يمكن تحرير طاقة الاندماج. الهدف الوقود يحتوي على بيليه من الديوتيريوم والتريتيوم.

عملية الاندماج النووي ذات الهدف الشعاعي

في هذه الطريقة تستخدم المسرعات في تحقيق طاقات حركية عالية لتحدث تفاعلات انصهار أيونات الضوء.

مزيد من المعلومات حول 7 حقائق حول هل الاندماج النووي ممكن.

انتقل إلى الأعلى