ماذا تعرف عن الانشطار والانصهار النوويين – د. محمد نجم آل خميس*

‏الانشطار والانصهار عمليتان فيزيائيتان تنتجان كميات هائلة من الطاقة من الذرات من خلال التفاعلات النووية وهي تنتج طاقة أكثر بملايين المرات بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى مثل عمليات حرق المواد الكربونية او عن طريق الطاقة الشمسية والرياح والطاقة المائية.‏ في هذا المقال القصير نريد أن نسلط الضوء على هذين النوعين من الطاقة والتعرف عليهما أكثر.

الانشطار ‏النووي

الانشطار بشكل مبسط، هو عبارة عن انقسام ذرة كبيرة إلى ذرتين أو أكثر. ‏يحدث الانشطار عندما يصطدم النيوترون بذرة أكبر، مما يجبرها على الإثارة والتحول إلى ذرتين أصغر واللتان تعرفان أيضا باسم منتجات الانشطار. كما يتم إطلاق نيوترونات إضافية لتتمكن من إنشاء سلسلة من ردود الفعل لإستمرار العملية.‏

‏عندما تنقسم كل ذرة، يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة وهذه الطاقة المنبعثة من الانشطار في هذه المفاعلات يتم إستخدامها في تسخين الماء إلى بخار حيث يستعان به في تدوير التوربينات لإنتاج الكهرباء الخالية من الانبعاثات الكربونية.‏

‏عادة يستخدم اليورانيوم والبلوتونيوم أكثر من غيرهما في تفاعلات الانشطار في مفاعلات الطاقة النووية لأنه من السهل البدء بها والسيطرة عليها.‏ ويحكم عدد النيوترونات ومنتجات الانشطار المحددة من أي حدث إنشطاري “احتمال إحصائي”، حيث أنه لا يمكن التنبؤ بالتفكك الدقيق لنواة واحدة. ومع هذا تتطلب القوانين الحفاظ على العدد الإجمالي للنيوكليونات (البروتونات+النيوتزونات) والطاقة الإجمالية.

ينتج من عمليه الانشطار في اليورانيم-235 (U-235) منتجات انشطار مثل Ba و Kr و Sr و Cs و I و Xe مع كتل ذرية موزعة حول 95 و 135 مع كمية هائلة من الطاقة. يمكن إعطاء أمثلة على منتجات التفاعل الإنشطاري النموذجية على سبيل المثال:‏

U-235 + n ===> Ba-144 + Kr-90 + 2n + about 200 MeV (‏مليون فولت إلكترون*‏)

U-235 + n ===> Ba-141 + Kr-92 + 3n + 170 MeV

U-235 + n ===> Zr-94 + Te-139 + 3n + 197 MeV

*‏يعرف واحد eV على أنه مقدار ‏‏الطاقة الحركية‏‏ المكتسبة من ‏‏إلكترون‏‏ واحد أو جسيم آخر مشحون يتسارع من السكون من خلال ‏‏فرق جهد كهربائي محتمل‏‏ من ‏‏فولت‏‏ واحد في الفراغ. في الوحدات الدولية eV1 = 1.6×10^-19 جول.‏

‏‏باستخدام U-235 في مفاعل حراري كمثال، عندما يتم التقاط النيوترون يتم توزيع الطاقة الإجمالية بين 236 نيوكليونات (البروتونات +النيوترونات) الموجودة الآن في نواة المركب. هذه النواة غير مستقرة نسبيا، ومن المرجح أن تنقسم إلى جزأين من نصف الكتلة تقريبا. ويتبع إنشاء شظايا الانشطار على الفور تقريبا انبعاث عدد من النيوترونات (عادة 2 أو 3، في المتوسط 2.45)، والتي تمكن من الحفاظ على سلسلة التفاعل مستمرة.‏ ‏حوالي 85٪ من الطاقة المنبعثة في البداية هي ناتجة من الطاقة الحركية لشظايا الانشطار. ولأن في الوقود الصلب لا يمكن لهذه الشظايا الحركة إلا لمسافة مجهرية، لذلك تصبح طاقتهم محولة إلى حرارة.

أما الطاقة المتبقية في هذه الحالة تأتي من أشعة غاما المنبعثة أثناء أو مباشرة بعد عملية الإنشطار ومن الطاقة الحركية للنيوترونات. بعض هذه الطاقة المنتجة فورية (ما يسمى النيوترونات الفورية)، ولكن يتم تأخير نسبة صغيرة (0.66 في U-23  ، 0.27٪ في U-233, 0.23٪ في Pu-239) لأنها ترتبط بالاضمحلال الإشعاعي لبعض منتجات الانشطار و أطول مجموعة نيوترونية متأخرة لديها نصف عمر حوالي 56 ثانية.‏

‏حوالي 6٪ من الحرارة المتولدة في قلب المفاعل تنبع من الاضمحلال الإشعاعي لمنتجات الانشطار والعناصر المشعه المتولده من العملية (عناصر برقم ذري أكبر من 92 وهو الرقم الذري لليورانيوم) بسبب إندماج عدد من النيوترانات بنواة ذرية ومعظم هذه الحرارة يكون ناتج من الأمر الأول. على هذا الأساس تستمر الحرارة في التولد عند إغلاق المفاعل لأن توليد الحرارة يستمر حتى بعد توقف الإنشطار. على هذا الأساس، المفاعلات النووية تحتاج إلى تبريد حتى بعد التوقف عن العمل لأن عملية الاضمحلال الإشعاعي تستمر في توليد الحرارة كما اتضح في حادث فوكوشيما في 11 مارس 2011م عندما فقد التبريد بعد ساعة من الإغلاق وكان الوقود لا يزال ينتج حوالي 1.5٪ من حرارة الطاقة الكاملة وحتى بعد مرور عام واحد يولد الوقود المستخدم حوالي 10 كيلووات من حرارة الاضمحلال للطن الواحد، وينخفض إلى حوالي 1 كيلووات/طن بعد عشر سنوات.‏

‏إجمالي الطاقة التي يتم إطلاقها في انشطار نواة ذرية واحدة يختلف من مادة الى مادة أخرى ويبلغ متوسطة حوالي 200MeV هذه هي مجموع الطاقة المنتجة والتي تتكون من قيم الطاقة الحركية من شظايا الانشطار بالإضافة إلى النيوترون وأشعة غاما أما الطاقة المتأخرة المرتبطة بالاضمحلال الإشعاعي فتضيف حوالي 30 MeV من U-235 أو 3.2×10‏^–11‏ جول (حوالي 82 ترليون جول/كجم) وهذا هو نفسه تقريبا من U-233 وفي Pu-239 حوالي 210 MeV لكل انشطار نواة ذرية واحدة. بالمقارنة، الطاقة المنتجة من احتراق كل ذرة من الكربون من الوقود الأحفوري هي 4 eV أو 6.5X10‏^–19 جول.‏ بمعنى آخر، كل 1 كجم من اليورانيم يمكنه أن ينتج طاقة كهربائية تقدر بي 24,000,000 كيلو وات بينما نفس الكمية من الفحم الحجري تنتج فقط 8 كيلو وات تقريبا.

من الأمور المهمة في المفاعلات النووية التي تعمل بعملية الانشطار النووي التحكم بتأخير إطلاق النيوترونات وهو العامل الحاسم الذي يمكن نظام تفاعل السلسلة (أو المفاعل) من التحكم فيه والقدرة على الاحتفاظ به بشكل حاسم على وجه التحديد. من المهم جدا ان يقوم نظام تفاعل السلسلة بعمليه موزونة ومضبوطة بحيث أن عدد النيوترونات المنتجة في الانشطارات تكون ثابته ويمكن حساب هذا العدد من النيوترونات بالكامل من خلال مجموع تلك التي تسبب المزيد من الانشطارات، وتلك التي تم امتصاصها خلاف ذلك، وتلك التي تسربت من النظام. وفي ظل هذه الظروف، تظل الطاقة التي يولدها المفاعل ثابتة. ولرفع أو خفض الطاقة، يجب تغيير التوازن (باستخدام نظام التحكم) بحيث يتم تخفيض أو زيادة عدد النيوترونات الموجودة (وبالتالي معدل توليد الطاقة) بإستخدام نظام التحكم لاستعادة التوازن عند تحقيق مستوى الطاقة الجديد المطلوب.‏

‏إلى غاية أبريل 2020، يوجد 440 مفاعل طاقة قابلة للتشغيل في العالم، بسعة كهربائية مجمعة تبلغ 390 جيجاوات. وبالإضافة إلى ذلك، هناك 55 مفاعلا قيد الإنشاء و109 مفاعلا مخطط لها، بقدرة إجمالية تبلغ 63 جيجاوات و 118 جيجاوات، على التوالي، و 329 مفاعل مقترحة‏ في أكثر من 45 بلد حول العالم. ‏جميع هذه المفاعلات النووية التجارية تستخدم عملية ‏‏الانشطار النووي.‏

‏ الإنصهار ‏النووي

يحدث الانصهار النووي عندما تتصل ذرتان معا لتشكيل ذرة أثقل، مثل عندما تندمج ذرتان من الهيدروجين لتشكيل ذرة هيليوم واحدة.‏ هذه العمليه تتطلب وقود ‏وبيئة محصورة مع ‏‏درجة حرارة ‏‏عالية جدا و ضغط‏‏ ووقت لإنشاء ‏‏البلازما‏‏ التي تمكن من إحداث الإنصهار ‏حيث تنصهر فيها النوى الذرية بسرعات لا تصدق‏.‏ عملية الانصهار النووي هي نفس العملية التي تحدث في الشمس وتنتج كميات هائلة من الطاقة و أكبر بعدة مرات من عملية الانشطار النووي. عندما يتم دمج ذرتان معا، يتم تحويل جزء من الكتلة إلى طاقة هائلة. كما هو معروف من معادلة أينشتاين أن الطاقة (E) و الكتلة (M) مرتبطة بعامل تحويل كبير و هو سرعة الضوء (E=Mc²) حيث أن العامل c عبارة عن سرعة الضوء و التي تساوي حوالي 3×10⁸ متر في الثانية.

‏عندما تنصهر ذرة من عنصر ‏‏الديوتريوم‏‏ ‏‏و أخرى من التريتيوم‏‏ تشكل نواة من ‏‏الهيليوم‏‏ ‏‏(جسيم ألفا)‏‏ ‏‏و ينتج من العملية نيوترون‏‏ عالي الطاقة:

²₁D + ³₁T → ⁴₂He + ¹₀n + 17.59 MeV

‏في حين أن ما يقرب من جميع ‏‏النظائر المستقرة‏‏ في الجدول الدوري والأخف وزنا‏ من ‏‏الحديد-56‏‏ ‏‏و النيكل-62‏‏، والتي لديها أعلى ‏‏طاقة رابطة لكل نواة‏‏ سوف تندمج مع بعض النظائر الأخرى وتطلق الطاقة، فإن عنصر الديوتريوم والتريتيوم هما الأكثر مناسبة لتوليد الطاقة لأنها تتطلب أقل طاقة تنشيط (وبالتالي أقل درجة حرارة) للقيام بذلك مع إنتاج أكبر قدر من الطاقة لكل وحدة وزن.‏ عملية إنصهار الديوتريوم-تريتيوم تطلق ما يقرب من ثلاثة أضعاف الطاقة الناتجة من إنشطار اليورانيوم-235، وملايين المرات أكثر من الطاقة الناتجة من حرق الفحم و على هذا الأساس يسعى العلماء على دراسة هذه العملية و التوصل الى طريقة تمكنهم من الاستفادة من هذه الطاقة الهائلة لتوليد الطاقة الكهربائية.

من فوائد عملية الانصهار الحراري إن هذه العملية لا تنتج منتجات انشطارية عالية الإشعاع كما هو الحال في عملية الانشطار النووي ولا تنتج ملوثات كما هو الحال في عملية احتراق المواد الهيدروكربونية والعنصر الأساسي الناتج من هذه العملية هو غاز الهليوم.‏ الأمر المهم الأخر ان هذه العملية لا ينتج عنها سلسلة مستمرة من التفاعلات كما يحدث في عملية الانشطار النووي كما هو الحال في عملية الاضمحلال الإشعاعي لمنتجات الانشطار والعناصر المشعة المتولدة من عملية الانشطار النووي كما حدث في مفاعل فوكوشيما باليابان. كما أن عملية الانصهار النووي تحتاج إلى بلازما محصورة وتحت درجة حرارة عالية وأي توقف في عملية التحكم بهذه البلازما ينهي التفاعل وتنتهي البلازما وعلى هذا الأساس لا توجد توابع تفاعلات في هذه العملية كما هو الحال في عملية الانشطار النووي.

حاليا ‏يتم دراسة ردود فعل الانصهار النووي من قبل العلماء ولكن يجدون صعوبة في الحفاظ على استمرار العملية لفترات طويلة من الزمن بسبب الكم الهائل من الضغط ودرجة الحرارة اللازمة للتمكن من إنضمام النوى معا.‏ على هذا الأساس لا يزال رؤية استخدام الانصهار النووي لأنتاج الطاقة الكهربائية في مرحلته النظرية فقط.

حول العالم يوجد العديد من المعامل التي تدرس عملية الانصهار النووي و مؤخرا تمكنت الصين من تسجيل رقما قياسيا جديدا قدره 120 مليون درجة مئوية ( 216 مليون درجة فهرنهايت) للبلازما الساخنة والحفاظ عليها لمدة 101 ثانية. وفي تجارب منفصلة بما يسمى “الشمس الاصطناعية” كما يطلق عليها، تمكنوا من الوصول إلى بلازما ساخنة إلى 160 مليون درجة مئوية (288 مليون درجة فهرنهايت) لمدة 20 ثانية وهدفهم في نهاية المطاف هو الحفاظ على البلازما في حوالي 100 مليون درجة مئوية لأكثر من 1000 ثانية، أو حوالي 17 دقيقة.‏

هذه الأنواع من التجارب ليست مصممة لتوليد الكهرباء الصالحة للاستخدام، ولكن للنهوض بمجال فيزياء الاندماج النووي لأجهزة الجيل القادم مثل المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي (ITER) ، والذي سيكون أكبر مفاعل اندماج نووي في العالم عند الانتهاء منه في عام 2025م. وعلى غرار الصين، فإن التجارب على مفاعل (KSTAR) الكوري، الذي سجل هو نفسه ‏‏رقما قياسيا عالميا‏‏ من خلال الحفاظ على البلازما عند أكثر من 100 مليون درجة مئوية لمدة 20 ثانية في العام الماضي. هذه التجارب سوف تساعد بالنهوض بعملية تطوير (ITER) والذي من المتوقع أن يبدأ التشغيل الكامل في عام 2035م.‏

*دكتوراه في هندسة البترول

المصادر:

1. Fission and Fusion: What is the Difference?gov. (n.d.). https://www.energy.gov/ne/articles/fission-and-fusion-what-difference.
2. Physics of Uranium and Nuclear Energy – World Nuclear Association. (n.d.). https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/introduction/physics-of-nuclear-energy.aspx.
3. Wikimedia Foundation. (2021, June 6). Nuclear fission. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fission.
4. (n.d.). Physics. Lumen. https://courses.lumenlearning.com/physics/chapter/32-6-fission/#:~:text=Self%2Dsustained%20fission%20is%20possible,the%20number%20of%20neutrons%20produced.
5. Jun 1, 2020 by T. O. (2020, June 9). Fusion Energy Is Coming, and Maybe Sooner Than You Think. POWER Magazine. https://www.powermag.com/fusion-energy-is-coming-and-maybe-sooner-than-you-think/.
6. Wikimedia Foundation. (2021, June 10). Fusion power. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_power.
7. Wikimedia Foundation. (2021, June 10). List of commercial nuclear reactors. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_commercial_nuclear_reactors.
8. Encyclopædia Britannica, inc. (n.d.). Fusion reactor. Encyclopædia Britannica. https://www.britannica.com/technology/fusion-reactor.
9. Delbert, C. (2021, May 28). This Reactor May Have Finally Solved Nuclear Fusion’s Biggest Problem. Popular Mechanics. https://www.popularmechanics.com/science/energy/a36559078/nuclear-fusion-breakthrough-uk-reactor-experiment/.
10. Wikimedia Foundation. (2021, June 8). List of fusion experiments. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_fusion_experiments#cite_note-1.
11. SergeyNivens/Depositphotos, & Ipp. (2021, May 31). China claims new fusion record with its “artificial sun” nuclear reactor. New Atlas. https://newatlas.com/energy/china-claims-fusion-record-artificial-sun-nuclear-reactor/.
12. Gibney, E. (2021, February 22). Fuel for world’s largest fusion reactor ITER is set for test run. Nature News. https://www.nature.com/articles/d41586-021-00408-1.