اندماج نووي

	فيزياء نووية
	المواضيع الرئيسية
	انحلال مشع; انشطار نووي; اندماج نووي
	انحلالات تقليدية
انحلالات متقدمة
	انحلال بيتا مزدوج · Double electron capture · Internal conversion · Isomeric transition
عمليات الانبعاث
	Neutron emission · Positron emission · Proton emission
Capturing
	Electron capture · Neutron capture; R · S · P · Rp
الانشطار
	Spontaneous fission · Spallation · Cosmic ray spallation · Photodisintegration
تخليق نووي
	Stellar Nucleosynthesis; Big Bang nucleosynthesis; Supernova nucleosynthesis
الفهماء
	هنري بكرل · بثه · ماري كوري · پيير كوري · إنريكوفرمي ·
	• •

The deuterium-tritium (D-T) fusion reaction is considered the most promising for producing sustainable fusion power. From the top: 1. the D and T nuclei are accelerated towards each other at thermonuclear speeds/temperatures; 2. they combine to create an unstable Helium-5 nucleus; 3. the He-5 nucleus decays, resulting in the ejection of a neutron and repulsion of the He-4 nucleus, both with high energies.

الاندماج النووي هوالتفاعلات الذريه الناتجة من تفاعل اليورانيوم المخصب وذلك بإطلاقه نحوذرات الهيدروجين. أوهوتفاعل أنوية العناصر المتفاعلة مع بعضها البعض مما يؤدي إلى تكوين نواة جديدة أثقل مما يؤدي إلى انتاج عنصر جديد. ومن اهم امثلة الاندماج النووي هواندماج ذرات الهيدروجين لتكوين ذرات الهيليوم ولعل افضل مثال لهذه التفاعلات هي التفاعلات الشمسية والتي تتطلق كمية كبيرة جدا من الطاقةوإذا الطاقة التي تنتجها عملية الإندماج النووي أكبر بكثير من الطاقة التي ينتجها الإنشطار النووي.

The electrostatic force caused by positively charged nuclei are very strong over long distances, but at short distances the nuclear force is stronger. As such, the main technical difficulty for fusion is getting the nuclei close enough to fuse. Distances not to scale.

The fusion reaction rate increases rapidly with temperature until it maximizes and then gradually drops off. The DT rate peaks at a lower temperature (about 70 keV, or 800 million kelvins) and at a higher value than other reactions commonly considered for fusion energy.

'"`UNIQ--postMath-00000001-QINU`"'

If a species of nuclei is reacting with itself, such as the DD reaction, then the product '"`UNIQ--postMath-00000002-QINU`"' must be replaced by '"`UNIQ--postMath-00000003-QINU`"'.

'"`UNIQ--postMath-00000004-QINU`"' increases from virtually zero at room temperatures up to meaningful magnitudes at temperatures ofعشرة - 100 keV. At these temperatures, well above typical ionization energies (13.6 eV in the hydrogen case), the fusion reactants exist in a plasma state.

آلية الاندماج

يحدث تفاعل الاندماج النووي عندما تتداخل نواتان ذريتان. ولكي يتم هذا التداخل، لا بد من حتى تتخطى النواتان التنافر الحاصل بين شحنتيهما الموجبتين (وتعهد الظاهرة بالـحاجز الكولومبي). إذا ما طبقنا قواعد الميكانيكا الكلاسيكية وحدها، سيكون احتمال الحصول على اندماج الأنوية منخفضا للغاية، بسبب الطاقة الحركية (الموافقة للهيجان الحراري) العالية جدا اللازمة لتخطي الحاجز المذكور. وفي اللقاء، تقترح ميكانيكا الكم، وهوما تؤكده التجربة، حتى الحاجز الكولومبي يمكن تخطيه أيضا بظاهرة النفق الكمومي، بطاقات أكثر انخفاضا.

وبالرغم من ذلك، فإن الطاقة اللازمة للاندماج تظل مرتفعة جداً، وهوما يقابله حرارة أكثر من عشرات أومن الممكن مئات الملايين من الدرجات المئوية حسب طبيعة الأنوية. وفي داخل الشمس على سبيل المثال، يجري تفاعل اندماج الهيدروجين المؤين عبر مراحل إلى تولد الهليوم، في ظل حرارة تقدر ب 15 مليون درجة مئوية، ويحدث ذلك ضمن عدة تفاعلات مختلفة تنتج عنها حرارة الشمس. وتُدرس بعض تلك التفاعلات بين نظائر الهيدروجين بغرض إنتاج الطاقة عبر الاندماج مثل الديوتيريوم-ديوتيريوم أوالديوتيريوم-تريتيوم (انظر أسفله). أما في الشمس فتتواصل عملية الاندماج إلى العناصر الخفيفة ثم المتوسطة ثم ينتج منها العناصر الثقيلة مثل الحديد، الذي يحتوي في نواته على 26 بروتون ونحو30 من النيوترونات. وفي بعض النجوم الأكثر كتلة عن الشمس، تتم عمليات اندماج لأنوية أضخم تحت درجات حرارة أكبر.

وعندما تندمج أنوية صغيرة، تنتج نواة غير مستقرة تسمي أحيانا نواة مركبة، ولكي تعود إلى حالة استقرار ذات طاقة أقل، تـُطلق جسيم أوأكثر (فوتون، نيوترون، بروتون، على حسب التفاعل)، وتتوزع الطاقة الزائدة بين النواة والجسيمات المطلقة في شكل طاقة حركيّة. وطبقاً للرسم التوضيحي تنطلق نواة ذرة الهيليوم بطاقة قدرها 5و3 MeV وينطلق النيوترون بطاقة قدرها 14,1 MeV (ميجا إلكترون فولت). وفي المفاعلات الاندماجية الجاري تطبيقها حاليا يجتهد الفهماء للحصول على مردود جيد من الطاقة خلال الاندماج، أي من الضروري حتى تكون الطاقة الناتجة أكبر من الطاقة المستهلكة لتواصل التفاعلات واستغلال الحرارة الناتجة في إنتاج الطاقة الكهربائية. كما يجب عزل محيط التفاعل ومواد المحيط في المفاعلات الاندماجية.

عندما لا يوجد أي وضع مستقر، تقريبا، قد يحدث من المحال حتى نقوم بإدماج نواتين (على سبيل المثال : ⁴He + ⁴He).

إن التفاعلات الاندماجية التي تطلق أكبر قدر من الطاقة هي تلك التي تستخدم أكثر الأنوية خفّة لإنتاج الهيليوم، لأن الهيليوم ونواته جسيم ألفا هي أقوى نواة ذرة هلى الإطلاق من جهة تماسكها، فهي تحتوي على 2 بروتون و2 نيوترون وهؤلاء الأربعة شديدوالتماسك بحيث يتحول جزء يعادل 005و0 من كتلتهم كما في التفاعل المشروح بالرسم ،إلى طاقة حركة تتوزع بين نواة الهيليوم الناتجة والنيوترون. ومجموع الطاقتين الموزعتين = 3,5 + 14,1 = 17,6 ميجا إلكترون فولت. وبالتالي فإن أنوية الدويتيريوم (بروتون واحد ونيوترون واحد) والتريتيوم (بروتون واحد ونيوترونان)، مستخدمة في التفاعلات التالية :

ديوتيريوم + ديوتيريوم -> هيليوم ثلاثة + نيوترون
ديوتيريوم + ديوتيريوم -> تريتيوم + بروتون
ديوتيريوم + تريتيوم -> هيليوم أربعة + نيوترون
ديوتيريوم + هيليوم-3 -> هيليوم-4 + بروتون

وهذه التفاعلات هي أكثر التفاعلات دراسة في المخابر عند تجارب الاندماج المراقبة، وكل منها ينتج نحو17 ميجا إلكترون فولت من الطاقة.

الاندماج المتحكم فيه

يمكن التفكير في عدة طرق تمكّننا من احتجاز محيط التفاعل للقيام بتفاعلات اندماج نووية، ويقوم الفهماء عملا بتلك التجارب بواسطة الاحتجاز المغناطيسي لما يسمى البلازما في جهاز مفرغ من الهواء مع حمل درجة حرارة البلازما إلى عشرات الملايين درجة مئوية . ولكن احتجاز البلازما - وهي أنوية التريتيوم والديوتيروم الخالية من الإلكترونات - تحت هذه الحرارة العالية قاسي جدا إذ كلها تحمل شحكة كهربائية موجبة تجعلهم يتنافرون عن بعضهم . فما يلبث التفاعل حتى يبدأ بينهم لمدة أجزاء من الثانية حتى يتنافرون ويتوقف التفاعل . وينصب حاليا اهتمام الفهماء على ابتكار وسيلة يستطيعون بها إطالة مدة انحصار البلازما وإطالة مدة التفاعل . وتلك المجهودات ما هي إلا بغرض استغلال طاقة الاندماج النووي لإنتاج الطاقة الكهربائية .

الاندماج بالاحتجاز المغناطيسي

التوكاماك، حيث يحتجز خليط من نظائر الهيدروجين بواسطة حقل مغناطيسي بالغ الشدة.
الستيلاتور، حيث تؤمن الحواث (inductors) الاحتجاز بالكامل.

بلازما الإندماج

رسم بياني يوضح العلاقة بين درجة الحرارة ومعدل التفاعل لثلاثة أنواع من التفاعلات الاندماجية .

عندما تصل الحرارة الدرجة التي يحصل فيها الإندماج، تكون المادة في حالة بلازما. إنها حالة خاصة للمادة الأولية، تكوّن فيها الذرات أوالجزيئات غازا أيونيا.

تحت درجات الحرارة العالية يتم إقتلاع إلكترون أوأكثر من السحابة الإلكترونية المحيطة بكل نواة ، مما ينتج عنه أيونات موجبة وإلكترونات طليقة.

ينتج عن التحرك الكبير للأيونات والإلكترونات داخل بلازما حرارية ، عدة اصطدامات بين الجسيمات الموجبة الشحنة الكهربية . ولكي تكون هذه الإصطدامات قوية بما فيه الكفاية لإنشاء تفاعل اندماجي ، تتدخل ثلاث عوامل :

الحرارة T ;
الكثافة N ;
زمن الاحتجاز τ.

حسب لوسون فإن المعامل Nτ يجب حتى يصل حدا فاصلا للحصول على الـ breakeven حيث تكون الطاقة الناتجة عن الاندماج مساوية للطاقة المستخدمة. يحدث الإيقاد إثر ذلك في فترة أكثر إنتاجا للطاقة (لم يتوصل الفهماء لإيجادها حتى اليوم في المفاعلات التجريبية الحالية). إنه الحد الذيقد يكون التفاعل إثره قادرا على المواصلة من تلقاء ذاته من دون انقطاع . لتفاعل ديتوريوم + تريسيوم، يقدّر هذا الحد بـ 10¹⁴ ثانية/سم³.

التفاعلات الهامة

سلاسل التفاعل الفيزيائية الفلكية

The proton-proton chain dominates in stars the size of the Sun or smaller.

The CNO cycle dominates in stars heavier than the Sun.

(1)

D

+

T

→

⁴He

(3.5 MeV)

+

n

(14.1 MeV)

(2i)

D

+

D

→

T

(1.01 MeV)

+

p

(3.02 MeV)

50%

(2ii)

→

³He

(0.82 MeV)

+

n

(2.45 MeV)

50%

(3)

D

+

³He

→

⁴He

(3.6 MeV)

+

p

(14.7 MeV)

(4)

T

+

T

→

⁴He

+

2

n

+ 11.3 MeV

(5)

³He

+

³He

→

⁴He

+

2

p

+ 12.9 MeV

(6i)

³He

+

T

→

⁴He

+

p

+

n

+ 12.1 MeV

51%

(6ii)

→

⁴He

(4.8 MeV)

+

D

(9.5 MeV)

43%

(6iii)

→

⁴He

(0.5 MeV)

+

n

(1.9 MeV)

+

p

(11.9 MeV)

6%

(7i)

D

+

⁶Li

→

2

⁴He

+ 22.4 MeV

__%

(7ii)

→

³He

+

⁴He

+

n

+ 2.56 MeV

__%

(7iii)

→

⁷Li

+

p

+ 5.0 MeV

__%

(7iv)

→

⁷Be

+

n

+ 3.4 MeV

__%

(8)

p

+

⁶Li

→

⁴He

(1.7 MeV)

+

³He

(2.3 MeV)

(9)

³He

+

⁶Li

→

2

⁴He

+

p

+ 16.9 MeV

(10)

p

+

¹¹B

→

3

⁴He

+

8.7 MeV

تخليق نووي

Stellar nucleosynthesis
Big Bang nucleosynthesis
Supernova nucleosynthesis
Cosmic ray spallation

مواضيع متعلقة

فيزياء فلكية
اندماج نووي
- R-process
- S-process
انشطار نووي

تعديل

p (protium), D (deuterium), and T (tritium) are shorthand notation for the main three isotopes of hydrogen.

fuel	T [keV]	<σv>/T² [m³/s/keV²]
D-T	13.6	1.24×10^-24
D-D	15	1.28×10^-26
D-³He	58	2.24×10^-26
p-⁶Li	66	1.46×10^-27
p-¹¹B	123	3.01×10^-27

Neutronicity, confinement requirement, and power density

The only fusion reactions thus far produced by humans to achieve ignition are those which have been created in hydrogen bombs; the first of which, Ivy Mike, is shown here.

fuel	Z	E_fus [MeV]	E_ch [MeV]	neutronicity
D-T	1	17.6	3.5	0.80
D-D	1	12.5	4.2	0.66
D-³He	2	18.3	18.3	~0.05
p-¹¹B	5	8.7	8.7	~0.001

We can now compare these reactions in the following table.

fuel	<σv>/T²	penalty/bonus	reactivity	Lawson criterion	power density
D-T	1.24×10^-24	1	1	1	1
D-D	1.28×10^-26	2	48	30	68
D-³He	2.24×10^-26	2/3	83	16	80
p-¹¹B	3.01×10^-27	1/3	1240	500	2500

fuel	T_i (keV)	P_fusion/P_{Bremsstrahlung}
D-T	50	140
D-D	500	2.9
D-³He	100	5.3
³He-³He	1000	0.72
p-⁶Li	800	0.21
p-¹¹B	300	0.57

أنظر أيضا

سلسلة تفاعل بروتون-بروتون
تفاعل نووي
تخليق العناصر
كربون-12
طاقة الارتباط
توكاماك
اندماج في محفظة القصور الذاتي

تقانة نووية تحرير
فيزياء نووية	انشطار نووي - اندماج نووي - إشعاع - إشعاع مؤين - نواة ذرية - مفاعل نوي - أمان نووي
مواد نووية	وقود نووي - مادة مخصبة - يورانيوم - يورانيوم منشط - يورانيوم منضب - بلوتونيوم
طاقة نووية	معمل طاقة نووية - فضلات نووية مشعة - طاقة الاندماج - تطوير طاقة مستقبلية - مفاعل الماء المضغوط - مفاعل الماء المغلي - مفاعلات الجيل الخامس - Fast breeder reactor - مفاعل النيوترون المسرع - Gas cooled fast reactor - Molten salt reactor - Lead cooled fast reactor - Supercritical water reactor - Very high temperature reactor - Pebble bed reactor - Integral Fast Reactor - Nuclear propulsion
طب نووي	X-ray - PET - MRI - Radiation therapy - Thomotherapy - Brachytherapy
قنابل نووية	تاريخ القنابل النووية - Nuclear warfare - سباق التسلح النووي - Nuclear weapon design - تأثيرات الانفجارات النووية - اختبار نووي - Nuclear delivery - Nuclear proliferation - قائمة الدول التي تملك قنابل نووية