الانشطار النووي والاندماج النووي

الانشطار النووي والاندماج النووي كلاهما يقدمان إمكانيات لتوليد الطاقة النووية، ولكن بطريقتين مختلفتين.

الفرق الرئيسي بين هاتين العمليتين هو أن الانشطار هو تقسيم الذرة إلى ذرتين أصغر أو أكثر بينما الاندماج هو دمج ذرتين أو أكثر أصغر في ذرة أكبر.

تشكل البروتونات والنيوترونات النواة، وهي أساس العلوم النووية. يتضمن الانشطار والاندماج تشتت واتحاد نواة العناصر والنظائر، وجزء من العلوم النووية هو فهم العملية الكامنة وراء هذه الظاهرة.

إن جمع الكتل الفردية لكل من هذه الجسيمات دون الذرية لأي عنصر معين سيعطيك دائمًا كتلة أكبر من كتلة النواة ككل. الفكرة المفقودة في هذه الملاحظة هي المفهوم المسمى طاقة الربط النووية.

طاقة الربط النووي هي الطاقة اللازمة للحفاظ على البروتونات والنيوترونات سليمة، والطاقة التي يتم إطلاقها أثناء الانشطار النووي أو الاندماج النووي هي الطاقة النووية.

الانشطار النووي

العديد من العناصر الأثقل ذات طاقات ربط أصغر لكل نيوكليون يمكن أن تتحلل إلى عناصر أكثر استقرارًا لها أرقام كتلة متوسطة وطاقات ربط أكبر لكل نيوكليون .

في بعض الأحيان يتم إنتاج النيوترونات أيضًا. يسمى هذا التحلل بالانشطار ، وهو تقسيم نواة كبيرة إلى أجزاء أصغر. يكون الكسر عشوائيًا إلى حد ما مع تكوين عدد كبير من المنتجات المختلفة. عادة لا يحدث الانشطار بشكل طبيعي، ولكنه يحدث عن طريق قصف النيوترونات.

حدث أول انشطار نووي تم الإبلاغ عنه في عام 1939 عندما قام ثلاثة علماء ألمان، ليز مايتنر و أوتو هانو فريتز ستراسمان، بقصف ذرات اليورانيوم 235 بنيوترونات بطيئة الحركة مما أدى إلى تقسيم نوى اليورانيوم 235 إلى أجزاء أصغر تتكون من عدة نيوترونات وعناصر. بالقرب من منتصف الجدول الدوري.

ومنذ ذلك الحين، لوحظ الانشطار في العديد من النظائر الأخرى، بما في ذلك معظم نظائر الأكتينيدات التي تحتوي على عدد فردي من النيوترونات. يظهر في الشكل تفاعل انشطار نووي نموذجي

في المفاعلات النووية، يستخدم الانشطار النووي لتوليد الطاقة الكهربائية. تُسخّن الطاقة الناتجة عن الانشطار الماء لتكوين البخار، الذي يدفع التوربينات لتوليد الكهرباء. ولضمان الأمان والتحكم في التفاعل التسلسلي، تستخدم المفاعلات قضبان تحكم تمتص النيوترونات الزائدة.

الانشطار النووي له استخدامات أخرى، مثل الأسلحة النووية، حيث يمكن للتفاعل التسلسلي غير المنضبط أن ينتج انفجارًا هائلًا. لهذا السبب، يعتبر التحكم في الانتشار النووي أمرًا بالغ الأهمية لضمان السلامة الدولية.

الاندماج النووي

إن أهم عملية اندماج في الطبيعة هي تلك التي تزود النجوم بالطاقة. في القرن العشرين، تم إدراك أن الطاقة المنطلقة من تفاعلات الاندماج النووي مسؤولة عن طول عمر الشمس والنجوم الأخرى كمصدر للحرارة والضوء.

إن اندماج النوى في النجم، بدءًا من وفرة الهيدروجين والهيليوم الأولية، يوفر تلك الطاقة وينتج نوى جديدة كمنتج ثانوي لعملية الاندماج تلك.

المنتج الرئيسي للطاقة في الشمس هو اندماج الهيدروجين لتكوين الهيليوم، والذي يحدث عند درجة حرارة قلب الشمس البالغة 14 مليون كلفن. والنتيجة النهائية هي اندماج أربعة بروتونات في جسيم ألفا واحد، مع إطلاق اثنين من البوزيترونات، واثنين من النيوترينوات (مما يحول اثنين من البروتونات إلى نيوترونات)، والطاقة

تتطلب تفاعلات الاندماج المفيدة درجات حرارة عالية جدًا لبدء حدوثها — حوالي 15,000,000 كلفن أو أكثر. عند درجات الحرارة هذه، تتفكك جميع الجزيئات إلى ذرات، وتتأين الذرات لتشكل البلازما.

تحدث هذه الظروف في عدد كبير للغاية من المواقع في جميع أنحاء الكون، حيث تستمد النجوم طاقتها من الاندماج النووي. لقد اكتشف البشر بالفعل كيفية خلق درجات حرارة عالية بما يكفي لتحقيق الاندماج على نطاق واسع في الأسلحة النووية الحرارية.

يحتوي السلاح النووي الحراري مثل القنبلة الهيدروجينية على قنبلة انشطارية نووية، والتي عند انفجارها تعطي طاقة كافية لإنتاج درجات الحرارة المرتفعة للغاية اللازمة لحدوث الاندماج.

أهمية الانشطار والاندماج النووي

الانشطار النووي يلعب دورًا مهمًا في توليد الطاقة الكهربائية في العديد من الدول، مما يقلل من الاعتماد على الوقود الأحفوري. ومع ذلك, يثير الانشطار النووي مخاوف بشأن الأمان والتخلص من النفايات النووية.

أما الاندماج النووي، فلو تم تحقيقه بشكل مستدام، فقد يكون مصدرًا لا ينضب للطاقة النظيفة. ستشكل هذه التقنية، في حال نجاحها، طفرة في مجال الطاقة، مع آثار إيجابية على البيئة والاقتصاد العالمي.

كلا العمليتين تسهمان في فهمنا للطاقة النووية، وكلتاهما تحمل وعودًا وأخطارًا. يلعب العلماء والمهندسون دورًا حاسمًا في تطوير تقنيات آمنة ومستدامة تستفيد من مزايا هذه العمليات مع تقليل مخاطرها.