الاندماج النووي: هل نصنع مستقبلنا أم نهايتنا؟

هل راودتك نفسُك يومًا أن تسرق طاقة الشمس لتضيء كوكبًا بأكمله؟!
أحب أن أفاجِئك أن تلك الفكرة باتت محط اهتمام العلماء حول العالم، الطاقة النووية الناتجة من الاندماج النووي تمد الشمس بالحياة من الممكن أن تكون مستقبل البشر نحو طاقةٍ نظيفةٍ وغير محدودة. وظيفتي هُنا أن أشرح لكم، ما هو تفاعل الاندماج النووي؟ وكيف يحدث داخل المفاعل النووي؟ وأسرد لكم فوائد الاندماج النووي، وما هي تحديات تطوير تكنولوجيا الاندماج النووي؟ جهزوا أنفسكم نحن على وشك الإنطلاق داخل المفاعل الاندماج النووي ونكشف أسرار الطاقة النووية وفوائد الاندماج النووي.

ما هو تفاعل الاندماج النووي؟

هو تفاعلٌ يتم فيه اندماج نواتين خفيفتين؛ لتكوين نواةٍ أثقل داخل المفاعل النووي، وينتج عن تفاعل الاندماج النووي طاقة النووية.
نعم أنا هُنا أعني نواة خفيفة، وليس ذرة خفيفة فأنت بحاجة لفصل الأنوية عن الذرات؛ ليحدث الاندماج النووي، كأن الذرة عبارة عن حبة تمر، وأنت تريد أن تفصل حبة التمر عن نواتها. بالتالي تعتبر هذه النقطة من التحديات التي تُعيق الاستفادة من فوائد الاندماج النووي.

ماذا تسمى الطاقة التي تنطلق من التفاعلات النووية داخل المفاعل النووي؟

التفاعلات النووية ينتج عنها طاقة، لنتعرف على تلك الطاقة، والتي تعتبر من أهم فوائد الاندماج النووي، يجب أن نتعرف على التفاعلات النووية يا صديقي، التفاعلات النووية نوعين:

1. تفاعل الانشطار النووي

2. تفاعل الاندماج النووي

تفاعل الانشطار النووي: هو تفاعل يحدث فيه انقسام (انشطار) نواة ذرة ثقيلة إلى قسمين، ينتج عن هذا التفاعل طاقة.

الآن أصبح بإمكاننا أن نقول أن الطاقة التي تنطلق من التفاعلات النووية تُسمى الطاقة النووية.

يتم الإستفادة من الطاقة النووية في توليد الكهرباء، وحاليًا يتم استخدام الطاقة النووية الناتجة من تفاعل الانشطار النووي، على الرغم من وجود العديد من العيوب لتفاعل الانشطار النووي. حيث أن له استخدامات عسكرية مثل تكوين قنبلة نووية مدمرة، فوائد الاندماج النووي أكبر.

يطمح المختصون في مجال الطاقة النووية إلى إنتاج الطاقة النووية من تفاعل الاندماج النووي نظرًا لفوائد الاندماج النووي الكثيرة، حيث أن هذه من أهم فوائد الاندماج النووي.

إنتاج الكهرباء من الطاقة النووية من الاندماج النووي من أهم فوائد الاندماج النووي، ولكن يحتاج لتطوير؛ لوجود تحديات تطوير تكنولوجيا الاندماج النووي داخل المفاعل النووي التي تعرقل الاستفادة من فوائد الاندماج النووي.

كيف يحدث تفاعل الاندماج النووي داخل المفاعل النووي؟

لحدوث الاندماج النووي ولكي نستفيد من فوائد الاندماج النووي، نحن بحاجة إلى معرفة الآتي:

• الوقود النووي وهو أساس تفاعل الاندماج النووي ويشمل نوعين من نظائر الهيدروجين:

1. الديوتيريوم(Deuterium): هو نظير الهيدروجين يحتوي على بروتون ونيوترون، يوجد بكثرة ويمكن استخراجه من الماء.

2. التريتيوم(Tritium): هو نظير مشع للهيدروجين نواته تحتوي على بروتون واحد واثنين من النيوترونات، نسبة تواجده بالطبيعة ضئيلة، ويتم إنتاجه من الليثيوم داخل المفاعل النووي.

نظير العنصر: هو مثل توأم غير متطابق للعنصر، حيث يكون لنظائر العنصر نفس عدد البروتونات ويختلف عدد النيوترونات.

• آلية حدوث تفاعل الاندماج النووي داخل المفاعل النووي:

تندمج كلًا من نواة الديوتيريوم والتريتيوم بفعل الضغط والحرارة داخل المفاعل النووي؛ لينتج نواة الليثيوم وطاقة النووية ونيوترون، حيث تعتبر آلية حدوث الاندماج النووي داخل المفاعل النووي، فيتوجب علينا معرفة آلية حدوث الاندماج النووي داخل المفاعل النووي؛ لكي نعرف فوائد الاندماج النووي.

• الحاجز أمام تفاعل الاندماج النووي:

أين الصعوبة بالتفاعل؟ فأنا بحوزتي نواتين خفيفتين (نظائر الهيدروجين) أجمع النواتين داخل المفاعل النووي وينتهي الاندماج النووي وأحصلُ على الطاقة النووية.
عليك أن تعلم يا صديقي المتهور أن النواة موجبة الشحنة، فعندما تقوم بدمج نواتين موجبتين، ينشأ حاجز بين النواتين يسمى حاجز كولوم، هو قوة التنافر بين الأنوية الموجبة، وهذا بدوره يقف حاجزًا أمام الاندماج النووي، وأمام فوائد الاندماج النووي.

ما هو الحل إذن؟
نحن بحاجة إلى قوة أكبر من حاجز كولوم، وهذه القوة هي القوة النووية القوية التي تنتج بسبب الضغط والحرارة الشديدين داخل المفاعل النووي، فتكون الأنوية قريبة من بعضها ويحدث الاندماج النووي ونحصل على الطاقة النووية، عندما نحصل على الطاقة النووية فهذا يعني تحقق أهم فائدة من فوائد الاندماج النووي.

ماذا ينتج عن تفاعل الاندماج النووي داخل المفاعل النووي؟

نتيجة تفاعل الاندماج النووي داخل المفاعل النووي هو عنصر الليثيوم والطاقة النووية ونيوترون، وهنا تتجلى أهمية وفوائد الاندماج النووي، حيث يمتص النيوترون 80٪ من الطاقة النووية الناتجة من تفاعل الاندماج النووي.

لماذا يرافق تفاعل الاندماج النووي داخل المفاعل النووي انطلاق الطاقة النووية بشكل هائل؟

رُبما سألت نفسك لماذا تنتج الطاقة النووية بشكل هائل داخل المفاعل النووي حيث أن هذا الجزء يعتبر من فوائد الاندماج النووي.
القانون الذي يُجيبُ عن تساؤلِك يا صديقي هو قانون آينشتاين للطاقة (E = mc²) والذي يفسر إنتاج الطاقة النووية الهائلة داخل المفاعل النووي، ويفسر فوائد الاندماج النووي حيث أن m: هي كتلة الجسم، c: هي سرعة الضوء التي هي أقصى سرعة بالكون، ويقعُ على عاتقي أن أُذكّرك أننا نحتاج مربع سرعة الضوء (سرعة الضوء تربيع)، بمعنى أن الكُتل الخفيفة مثل كتلة نواة الديوتيريوم ونواة التريتيوم عندما تندمج تُنتج الطاقة النووية الهائلة لأننا في المعادلة نعوض بمقدار مربع سرعة الضوء. لك أن تتخيل!

عندما تندمج الأنوية الخفيفة، نجد مجموع كتلة نواة الديوتيريوم مع كتلة نواة التريتيوم قبل الاندماج النووي أكبر من كتلة النواة الناتجة عن اندماج نواة التريتيوم والديوتيريوم معًا.
مقدار الفقد في الكُتل يتحول إلى الطاقة النووية، ويكون مقدار الطاقة النووية هائل، وهذه الفائدة من فوائد الاندماج النووي التي يسعى لتحقيقها أهل الاختصاص في مجال الطاقة النووية والاندماج النووي.
لو لم توجد هذه المعادلة لن نستفيد من فوائد الاندماج النووي.

مراحل إنتاج الطاقة النووية من تفاعل الاندماج النووي داخل المفاعل النووي.

يعتبر إنتاج الطاقة النووية من تفاعل الاندماج النووي داخل المفاعل النووي أهم فائدة من فوائد الاندماج النووي، وإنتاج الطاقة النووية داخل المفاعل النووي يمر بعدة مراحل للحصول على فوائد الاندماج النووي:

• المرحلة الأساسية: تواجد الوقود النووي للاندماج النووي داخل المفاعل النووي.

يجب توفير الديوتيريوم والتريتيوم داخل المفاعل النووي، حيث تعتبر هذه المرحلة هي أساس الاستفادة من فوائد الاندماج النووي.

• المرحلة التحضيرية: تعريض أنوية الوقود النووي إلى درجات حرارة عالية، للحصول على بلازما داخل المفاعل النووي.

عند تعريض الأنوية الخفيفة لدرجات حرارة عالية داخل المفاعل النووي، تنشأ البلازما.
لإنتاج البلازما على كوكب الأرض نحتاج إلى تسخين الذرات إلى 150 مليون درجة مئوية التي تعادل 10أضعاف حرارة الشمس، بالتالي تنفصل الذرات فتنتج البلازما داخل المفاعل النووي التي هي عبارة عن أيونات موجبة وإلكترونات حرة الحركة، هذه المرحلة من التحديات التي تعيق الاستفادة من فوائد الاندماج النووي.

• مرحلة تعزيز التصادمات النووية: زيادة الضغط والكثافة؛ لحدوث الاندماج النووي.

بعد أن أصبح لدينا بلازما داخل المفاعل النووي، تأتي مرحلة التغلب على حاجز كولوم الذي تحدثنا عليه سابقًا؛ لضمان حدوث الاندماج النووي داخل المفاعل النووي،وضمان استمرار فوائد الاندماج النووي، بالتالي يتم زيادة الضغط والكثافة لتسريع تفاعل الاندماج النووي داخل المفاعل النووي، وإنتاج الطاقة النووية.

• مرحلة إطلاق الطاقة النووية: اندماج الأنوية.

وأخيرًا تندمج أنوية الديوتيريوم والتريتيوم، وتنتج الطاقة النووية ونيوترون، النيوترون يمتص 80٪ من الطاقة النووية الناتجة من تفاعل الاندماج النووي داخل المفاعل النووي، ونستفيد من فوائد الاندماج النووي.

• مرحلة الإنتاج: التعامل مع نتائج الاندماج النووي؛ لتوليد الكهرباء.

الطاقة النووية الناتجة من تفاعل الاندماج النووي، تساهم في تسخين الماء المتواجد في المفاعل النووي، فيتكون بخار الماء الذي يساعد في تحريك التوربينات وإنتاج الكهرباء، والتي تعتبر من فوائد الاندماج النووي.

• مرحلة الاستقرار: حصر البلازما داخل المفاعل النووي، والحفاظ على فتيل تفاعل الاندماج النووي.

كما ذكرنا أن درجة حرارة البلازما تصل إلى 150 درجة مئوية داخل المفاعل النووي فنحن بحاجة لشيء يحتوي البلازما الساخنة وحصرها في مكان واحد، الحل هُنا هو استخدام تقنيات الحصر المغناطيسي، التي تتم باستخدام مجال مغناطيسي هائل يساهم في حصر البلازما والحفاظ عليها لفترات طويلة داخل المفاعل النووي؛ لضمان استمرار الاندماج النووي، والحفاظ على فوائد الاندماج النووي.

قام العلماء باختراع جهاز التوكاماك (Tokamak)، هو اختصار لمصطلح روسي يعني غرفة فارغة على شكل حلقة مثل (الدونات) توجد في المفاعل النووي، وهذه الغرفة محاطة بملفات مغناطيسية تقوم بصناعة مجال مغناطيسي حلقي هائل الذي بدوره يقوم بحصر البلازما في مكانٍ واحد داخل المفاعل النووي لضمان استمرار الاندماج النووي واستمرار فوائد الاندماج النووي.

فوائد الاندماج النووي: لماذا يعد الاندماج النووي أفضل مصدرمن مصادر الطاقة النووية في المستقبل.

• مصدر طاقة نظيفة.

ينتج عن الاندماج النووي داخل المفاعل النووي انبعاثات كربونية شبه معدومة على عكس الانبعاثات الكربونية الناتجة من الوقود الأحفوري والانشطار النووي، حيث ينتج عن إنتاج الطاقة النووية من الانشطار النووي والوقود الأحفوري انبعاثات كربونية تؤثر على المناخ، بالتالي الاندماج النووي هو الحل المثالي لمشكلة تغير المناخ من الانبعاثات الكربونية، الغازات الناتجة من الاندماج النووي غازات خاملة وآمنة، وهذه الفائدة من أهم فوائد الاندماج النووي.

• تأمين الطاقة: الاندماج النووي مصدر الطاقة النووية غير محدود.

يعود هذا إلى وفرة الوقود النووي داخل المفاعل النووي اللازم لتفاعل الاندماج النووي، حيث يمكن الحصول على الديوتيريوم من الماء، وإنتاج التريتيوم من الليثيوم داخل المفاعل النووي، فالوقود النووي يكفي ملايين السنين، وهذا يعني استمرار الاستمتاع بفوائد الاندماج النووي ملايين السنين.

• النفايات المشعة الناتجة عن تفاعل الاندماج النووي تكون أقل.

ينتج عن التفاعلات النووية نفايات مشعة، فالنفايات المشعة الناتجة من الاندماج النووي تكون أقل من النفايات المشعة الناتجة من الانشطار النووي، بالتالي تُقام أبحاث حاليًا لتقليل النفايات المشعة الناتجة من الاندماج النووي؛ للحفاظ على دوام فوائد الاندماج النووي.

• إنتاج كمية وفيرة من الطاقة النووية.

يوفر تفاعل الاندماج النووي كمية وفيرة من الطاقة النووية داخل المفاعل النووي، حيث أن كيلو واحد من الوقود النووي ينتج نفس كمية الطاقة التي ينتجها 10 ملايين كيلوغرام من الوقود الأحفوري، وهذه فائدة عظيمة من فوائد الاندماج النووي.

تحديات تطوير تكنولوجيا الاندماج النووي.

كالعادة يا صديقي، الأمور لا تسير بهذه السهولة، توجد العديد من العقبات في طريق تطوير تكنولوجيا الاندماج النووي، قد يؤخر وجود تحديات على استمرار الاستفادة من فوائد الاندماج النووي.
ما هي تحديات تطوير تكنولوجيا الاندماج النووي؟

• الحفاظ على الاستقرار: التحكم في درجات الحرارة العالية.

يلزم تفاعل الاندماج النووي درجات حرارة استثنائية تصل إلى 10 أضعاف حرارة الشمس.
حيث أن درجات الحرارة العالية ضرورية لإنتاج البلازما، التي بدورها تستمر فوائد الاندماج النووي، بالتالي نحن بحاجة إلى تقنيات متطورة للحفاظ على الاستقرار الحراري، وضمان استمرار التفاعل داخل المفاعل النووي، واستمرار الاستفادة من فوائد الاندماج النووي.

• احتجاز البلازما

لضمان حدوث الاندماج النووي وإنتاج الطاقة النووية، والاستفادة من فوائد الاندماج النووي، يجب حصر البلازما شديدة الحرارة وتوفير الضغط والكثافة اللازمة لحدوث التفاعل، بطريقة آمنة داخل المفاعل النووي
بالتالي لجأ المختصون في هذا المجال إلى استخدام تقنية التوكاماك داخل المفاعل النووي؛ لحصر البلازما عن طريق مجالات مغناطيسية هائلة تقوم باحتجاز البلازما ومنع تسريبها؛ للحصول على فوائد الاندماج النووي على أكمل وجه.

• إنتاج الطاقة النووية أكثر من الطاقة المستهلكة

هي واحدة من أكبر التحديات في تطوير تكنولوجيا الاندماج النووي، التي بدورها تعيق التمتع بفوائد الاندماج النووي، إنتاج الطاقة النووية من الاندماج النووي يفوق الطاقة المستخدمة لتشغيل المفاعل النووي.
وجد المختصون في مجال الطاقة النووية والاندماج النووي، أن جميع التجارب الحالية لم تصل إلى تحقيق هذا الهدف بشكل مستدام وفعّال والتي تضعف من فرصة الاستفادة من فوائد الاندماج النووي.

• التكلفة المالية العالية.

يلزم تطوير تكنولوجيا الاندماج النووي مليارات الدولارات، البنية التحتية لتطوير مفاعل النووي تتطلب مبالغ هائلة، فأصبح الاعتماد على الشراكات الدولية أمرًا ضروريًا؛ لإنتاج الطاقة النووية من تفاعل الاندماج النووي، ورؤية فوائد الاندماج النووي.

• مستوى الأمان والضمانات البيئية

يعتبر إنتاج الطاقة النووية من تفاعل الاندماج النووي داخل المفاعل النووي أكثر أمانًا من الانشطار النووي.
إلا أن هناك العديد من التحديات التي تخص الأمان من الناحية البيئية، والتي تؤثر على فوائد الاندماج النووي، وعن كيفية التعامل مع الإشعاعات الثانوية والتخلص من النفايات النووية الناتجة من الاندماج النووي.

يبقى الإنسان باحثًا شغوفًا نحو مستقبلٍ أكثر راحة، فنحن ننتظر رؤية فوائد الاندماج النووي على أرض الواقع، واستخدام الطاقة النووية الناتجة من الاندماج النووي كمصدر طاقة فعّال.
من الممكن أنك لم تقتنع بفوائد الاندماج النووي، ولا بكفاءة الاندماج النووي، وكلمة الطاقة النووية وجدها مرعبة نوعًا ما، من وجهة نظري إن إنتاج الطاقة النووية من الاندماج النووي داخل المفاعل النووي من أعظم فوائد الاندماج النووي، ومن الممكن أن تكون حل مناسب لمشاكلنا المتعلقة بالطاقة، والمختصون في مجال الطاقة النووية والاندماج النووي، يسعون لتطبيق فوائد الاندماج النووي على أرض الواقع، حينها نستطيع أن نحكم هل غلبت فوائد الاندماج النووي أم العيوب. متى يأتي اليوم الذي نضيء كوكب الأرض بتفاعل الاندماج النووي ونتمتع بفوائد الاندماج النووي؟