Chapter 19: Radioactivity and Nuclear Chemistry

Back to chapter

19.8:

الإندماج النووي

JoVE Core
Chimie

Un abonnement à JoVE est nécessaire pour voir ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre essai gratuit.

JoVE Core Chimie

Nuclear Fusion

Vidéo précédente
19.7: Nuclear Power

Vidéo suivante
19.10: Biological Effects of Radiation

Langues

Diviser

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

اتحاد نويات صغيرة كالهيدروجين لإنتاج نويات أكبر مثل الهيليوم،يُسمى اندماج نووي. لأن على النويات أن تتغلب على التنافر الناتج عن الكهرباء الساكنة،فإن تفاعلات الاندماج تتطلب درجات حرارة،تصل إلى 40 مليون كلفن أو أكثر،وبالتالي،تُعرف بالتفاعلات النووية الحرارية. النوكليدات التي تتراوح أعدادها الكتلية بين 40 إلى 100،تمتلك طاقات ارتباط مرتفعة لكل نويّة وتكون عادة مستقرة.بالتالي،فالنويات ذات طاقة ارتباط المتدنية وغير الواضحة لكل نويّة تميل إلى الاتحاد،منتجة نويات أثقل تمتلك طاقات ارتباط أعلى. الفرق بين طاقات الارتباط النووية في نوكليدات النواتج والمواد المتفاعلة،يولّد كمية هائلة من الطاقة. ومن الملفت أن الطاقة المنبعثة أثناء تشكّل غرام واحد من الهيليوم-4 أكبر بكثير من تلك المنبعثة من انشطار غرام واحد من اليورانيوم-235.إذًا فهل يُستخدم الاندماج في إنتاج الكهرباء؟حسنًا،ليس بعد! في درجات الحرارة المرتفعة اللازمة للاندماج،تتفكك جميع الجزيئات إلى ذرات،التي تتأين لتشكل بلازما. في مثل هذه التفاعلات،يؤدي حقل مغناطيسي على شكل طارة دور المُفاعل.و مع ذلك،استخداماته بصورة فاعلة لا تزال تحديًا تكنولوجيًا للعلماء. في الحقيقة،اندماج الهيدروجين لتكوين الهيليوم واحد من أكبر عمليات حرق-الهيدروجين في نجوم النسق الأساسي كالشمس. عندما تبدأ النجوم باندماج الهيليوم،تتحد نواتين من الهيليوم لتشكلا بريليوم-8.بخلاف الهيليوم-4،بريليوم-8 مستقر بدرجة عالية،مما يجعل هذا التفاعل تفاعل اندماج ممتص للحرارة،ويسهل عكسه. عندما يتسارع اندماج الهيليوم،يصبح بريليوم-8 أكثر وفرة،ويندمج مع الهيليوم-4 منتجًا كربون-12 مُثار،والذي يتحول أحيانًا من حالة الإثارة إلى كربون-12 مستقر. في النجوم الضخمة،تبدأ سلسلة من تفاعلات الاندماج من اتحاد كربون-12 والهيليوم-4 فتنتج تسلسلًا من العناصر يصل إلى مغنيسيوم-24.بما أن مزيدًا من تفاعلات الاندماج يولّد نوكليدات أثقل،فإن تناقص الفرق في طاقات الارتباط بين المواد المتفاعلة والنواتج،يتسبب بانخفاض كمية الطاقة الناتجة عن هذه التفاعلات. ينتهي التسلسل عند النيكل-56،الذي يملك واحدة من أعلى طاقات الارتباط لكل نوية. أما العناصر الثقيلة فتنتج،بدلًا عن ذلك،نتيجة التقاط النيوترونات أو البروتونات المتعددة،قبل وأثناء الانفجارات الفريدة من نوعها في النجوم والمستعرات العظمى.

19.8:

الإندماج النووي

إن عملية تحويل النوى الخفيفة جدًا إلى نوى أثقل مصحوبة أيضًا بتحويل الكتلة إلى كميات كبيرة من الطاقة ، وهي عملية تسمى الاندماج. والمصدر الرئيسي للطاقة في الشمس هو تفاعل اندماج صافي يتكون فيه أربعة هيدروجين تندمج النوى وتنتج في النهاية نواة هيليوم واحدة واثنين من البوزيترونات.

كتلة نواة الهليوم تقل بنسبة 0.7٪ عن كتلة نوى الهيدروجين الأربعة؛ يتم تحويل هذه الكتلة المفقودة إلى طاقة أثناء الاندماج. ينتج هذا التفاعل حوالي1.7 × 10⁹ إلى 2.6 × 10⁹ كيلوجول من الطاقة لكل مول من الهليوم-4 يتم إنتاجه، اعتمادًا على مسار الاندماج. هذا أقل إلى حد ما من الطاقة الناتجة عن الانشطار النووي لمول واحد من اليورانيوم-235 (1.8 × 10¹⁰ كيلوجول). ومع ذلك، فإن اندماج جرام واحد من الهليوم-4 ينتج حوالي 6.5 × 10⁸ كيلوجول، وهي أكبر من الطاقة الناتجة عن انشطار غرام واحد من U-235 (8.5 × 10⁷ كيلوجول). هذا ملحوظ بشكل خاص لأن المواد المتفاعلة لانصهار الهيليوم أقل تكلفة وأكثر وفرة بكثير من U-235.

لقد تم تحديد أن نوى النظائر الثقيلة للهيدروجين، والديوترون والتريتون، تخضع للانصهار النووي الحراري في درجات حرارة عالية للغاية لتكوين نواة الهيليوم والنيوترون. يستمر هذا التغيير مع خسارة كتلة قدرها 0.0188 amu، المقابلة لإصدار 1.69 × 10⁹ كيلوجول لكل مول من الهيليوم -4 المتكون. تعتبر درجة الحرارة العالية جدًا ضرورية لإعطاء النوى طاقة حركية كافية للتغلب على قوى التنافر القوية جدًا الناتجة عن الشحنات الموجبة على نواتها حتى يمكن أن تتصادم.

تتطلب تفاعلات الاندماج المفيدة درجات حرارة عالية جدًا لبدءها &#8212؛ حوالي 15.000.000 كلفن أو أكثر. في درجات الحرارة هذه، تتفكك جميع الجزيئات إلى ذرات، وتتأين الذرات مكونة البلازما. تحدث هذه الظروف في عدد كبير جدًا من المواقع في جميع أنحاء الكون ، حيث تعمل النجوم عن طريق الاندماج.

يعد إنشاء مفاعلات الاندماج مهمة صعبة لأنه لا توجد مواد صلبة مستقرة عند درجات الحرارة العالية ولا يمكن للأجهزة الميكانيكية احتواء البلازما التي تحدث فيها تفاعلات الاندماج. تركز الجهود البحثية المكثفة حاليًا على تقنيتين لاحتواء البلازما بالكثافة ودرجة الحرارة اللازمتين لتفاعل الاندماج: الاحتواء بواسطة مجال مغناطيسي في مفاعل توكاماك واستخدام حزم الليزر المركزة. ومع ذلك، في الوقت الحالي، لا توجد مفاعلات اندماج ذاتية الاستدامة تعمل في العالم، على الرغم من تشغيل تفاعلات الاندماج التي يتم التحكم فيها على نطاق صغير لفترات قصيرة جدًا.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.

Tags

Nuclear Fusion Small Nuclei Larger Nuclei Thermonuclear Reactions Binding Energies Nucleons Energy Release Electricity Production Plasma Magnetic Field Technical Challenge Hydrogen Fusion Helium Fusion Beryllium-8