الانشطار والاندماج النووي – الفيزياء النووية

الانشطار والاندماج النووي – شرح شامل

مقدمة

التفاعلات النووية تُعد من أهم الظواهر الفيزيائية التي يتم فيها تغيير بنية نواة الذرة، وتحرير كميات هائلة من الطاقة. من أبرز هذه التفاعلات: الانشطار النووي والاندماج النووي، وهما أساس كثير من التطبيقات في توليد الطاقة، الطب، والصناعات العسكرية. ورغم اشتراكهما في كونهما تفاعلين نوويين، إلا أنهما يختلفان في آلية الحدوث والطاقة الناتجة والمتطلبات البيئية.

أولاً: الانشطار النووي (Nuclear Fission)

تعريف الانشطار النووي

الانشطار النووي هو عملية انقسام نواة ثقيلة غير مستقرة إلى نواتين أصغر، مع انبعاث نيوترونات وطاقة هائلة. يُستخدم هذا النوع من التفاعلات بشكل رئيسي في المفاعلات النووية والأسلحة النووية.

كيف يحدث الانشطار؟

يتم قذف نواة عنصر ثقيل مثل اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239 بنيوترون بطيء، فتمتصه النواة وتصبح غير مستقرة، ثم تنقسم إلى نواتين أصغر وتُطلق نيوترونات جديدة.

مثال على تفاعل انشطار:

$${}^{235}_{92}U + {}^1_0n \rightarrow {}^{141}_{56}Ba + {}^{92}_{36}Kr + 3\,{}^1_0n + \text{طاقة}$$

الناتج: نواتان متوسطتا الكتلة + 3 نيوترونات + طاقة.

خصائص الانشطار النووي

• تحرير طاقة كبيرة جدًا بسبب فقدان جزء من الكتلة (Δm) وتحولها إلى طاقة حسب معادلة أينشتاين:

  $$E = \Delta m \cdot c^2$$

• إمكانية حدوث تفاعل تسلسلي إذا استُغلت النيوترونات الناتجة لإحداث انشطارات جديدة.
• التحكم في التفاعل في المفاعلات باستخدام قضبان تحكم تمتص النيوترونات (مثل البورون والكادميوم).

التطبيقات

1. المفاعلات النووية: تُستخدم لتوليد الكهرباء، حيث تُسخن الطاقة الناتجة الماء وتُنتج بخارًا يدير التوربينات.
2. الأسلحة النووية: حيث يُستغل التفاعل التسلسلي غير المسيطر عليه لإنتاج انفجار هائل.
3. إنتاج نظائر مشعة تُستخدم في الطب والصناعة.

عيوب الانشطار

• نفايات مشعة تحتاج إلى تخزين طويل الأمد.
• خطر الحوادث النووية مثل تشيرنوبل وفوكوشيما.
• احتمال استخدامه عسكريًا لصناعة الأسلحة النووية.

ثانيًا: الاندماج النووي (Nuclear Fusion)

تعريف الاندماج النووي

الاندماج النووي هو عملية يتم فيها دمج نواتين خفيفتين لتكوين نواة أثقل، وتحرير كمية هائلة من الطاقة. يُعد هذا التفاعل أساس الطاقة المنبعثة من الشمس والنجوم.

كيف يحدث الاندماج؟

عند درجات حرارة وضغط عالٍ، تمتلك النوى طاقة كافية لتجاوز قوة التنافر الكهروستاتيكية بينها، فتندمج.

مثال على تفاعل اندماج:

$${}^2_1D + {}^3_1T \rightarrow {}^4_2He + {}^1_0n + \text{طاقة}$$

(الديوتيريوم + التريتيوم → هيليوم + نيوترون + طاقة)

خصائص الاندماج النووي

• ينتج طاقة أكبر من الانشطار النووي.
• لا يُنتج نفايات مشعة طويلة الأمد.
• يحتاج إلى حرارة وضغط عاليين جدًا (مثل ظروف قلب الشمس).
• صعب التطبيق عمليًا، ولكن تُجرى تجارب ضخمة لتوليده على الأرض (مثل مفاعل ITER في فرنسا).

شروط حدوث الاندماج

1. درجة حرارة مرتفعة جدًا (ملايين الدرجات).
2. ضغط عالي لجعل النوى قريبة من بعضها.
3. وقت احتجاز كافٍ للنوى الساخنة لتتفاعل.

الفرق بين الانشطار والاندماج

تطبيقات مستقبلية للاندماج

• طاقة نظيفة وآمنة: لا تنتج عنها نفايات مشعة.
• مصدر دائم للطاقة: الوقود متوفر مثل الهيدروجين.
• حل لأزمة الطاقة العالمية: إذا تحقق بنجاح تجاري.

تحديات استخدام الاندماج

1. التكلفة العالية لبناء مفاعلات تجريبية.
2. صعوبة الحفاظ على البلازما الساخنة.
3. عدم توفر تقنية تجارية حتى الآن رغم التقدم في التجارب.

خاتمة

الانشطار والاندماج النووي يمثلان حجر الأساس لفهم التفاعلات داخل الذرة واستخلاص الطاقة منها. بينما يُعد الانشطار هو التقنية المتاحة حاليًا لتوليد الكهرباء، فإن الاندماج هو حلم المستقبل نحو طاقة نظيفة، غير محدودة، وآمنة. ومع التطور العلمي، قد نصل في العقود القادمة إلى عصر الاندماج النووي، مما سيغير وجه العالم في مجالات الطاقة والبيئة والتنمية المستدامة.