هي العملية التي من خلالها تتحد نواتان ذريتان لتكوين نواة أثقل. عادة ما تكون هذه العملية مصحوبة بإطلاق الطاقة. الاندماج النووي هو مصدر الطاقة في النجوم والقنبلة الهيدروجينية.
لجعل النوى الذرية قريبة بما يكفي لحدوث تفاعل نووي ، حتى بالنسبة للعنصر الأخف وزناً ، الهيدروجين ، هناك حاجة إلى كمية كبيرة جدًا من الطاقة. ولكن في حالة النوى الخفيفة ، ونتيجة لاتحاد نواتين لتشكيل نواة أثقل ، يتم إطلاق طاقة أكثر بكثير مما يتطلبه الأمر للتغلب على تنافر كولوم بينهما. ونتيجة لذلك ، يعد الاندماج النووي مصدرًا واعدًا للطاقة وهو أحد المجالات الرئيسية للبحث في العلوم الحديثة.
إن كمية الطاقة المنبعثة في معظم التفاعلات النووية أكبر بكثير منها في التفاعلات الكيميائية ، لأن طاقة الارتباط للنيوكليونات في النواة أكبر بكثير من طاقة الارتباط للإلكترونات في الذرة. على سبيل المثال ، طاقة التأين التي تنتج عن ارتباط إلكترون بالبروتون لتكوين ذرة هيدروجين هي 13.6 إلكترون فولت - أقل من واحد على المليون من 17 إلكترون فولت المنبعثة من تفاعل الديوتيريوم مع التريتيوم ، الموصوف أدناه.
هناك نوعان من التفاعل يعملان في النواة الذرية: القوة القوية ، التي تربط البروتونات والنيوترونات معًا ، والتنافر الكهروستاتيكي الأضعف بكثير بين البروتونات المتساوية الشحنة للنواة ، تحاول تفكيك النواة. يتجلى التفاعل القوي فقط على مسافات قصيرة جدًا بين البروتونات والنيوترونات المتجاورة مباشرة مع بعضها البعض. هذا يعني أيضًا أن البروتونات والنيوترونات الموجودة على سطح النواة أضعف من البروتونات والنيوترونات داخل النواة. تعمل قوة التنافر الكهروستاتيكي بدلاً من ذلك على أي مسافات وتتناسب عكسياً مع مربع المسافة بين الشحنات ، أي أن كل بروتون في النواة يتفاعل مع كلبروتون آخر في النواة. يؤدي هذا إلى حقيقة أنه مع زيادة حجم النواة ، تزداد القوى التي تمسك النواة حتى تصل إلى عدد ذري ​​معين (ذرة من الحديد) ، ثم تبدأ في الضعف. بدءًا من اليورانيوم ، تصبح طاقة الارتباط سالبة وتصبح نوى العناصر الثقيلة غير مستقرة.
وبالتالي ، من أجل إجراء تفاعل الاندماج النووي ، من الضروري إنفاق طاقة معينة للتغلب على قوة التنافر الكهروستاتيكي بين نواتين ذريتين وإحضارهما إلى مسافة حيث يبدأ تفاعل قوي في الظهور. تسمى الطاقة المطلوبة للتغلب على قوة التنافر الكهروستاتيكي بحاجز كولوم.
يعتبر حاجز كولوم منخفضًا بالنسبة لنظائر الهيدروجين لأنه يحتوي على بروتون واحد فقط في النواة. بالنسبة لخليط DT ، يكون حاجز الطاقة الناتج 0.1 MeV. للمقارنة ، لا يتطلب الأمر سوى 13 فولتًا لإزالة إلكترون من ذرة الهيدروجين ، وهو أقل بمقدار 7500 مرة. عند اكتمال تفاعل الاندماج ، تنتقل النواة الجديدة إلى مستوى طاقة أقل وتطلق طاقة إضافية ، تنبعث منها نيوترونًا بطاقة 17.59 ميغا إلكترون فولت ، وهو أكثر بكثير مما هو مطلوب لبدء التفاعل. وهذا يعني أن تفاعل اندماج DT طارد للحرارة بدرجة عالية ومصدر للطاقة.
إذا كانت النواة جزءًا من البلازما بالقرب من حالة التوازن الحراري ، فإن تفاعل الاندماج يسمى الاندماج النووي الحراري. نظرًا لأن درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط ​​الطاقة الحركية للجسيمات ، فإن تسخين البلازما يمكن أن يزود النوى بطاقة كافية للتغلب على حاجز 0.1 ميغا إلكترون فولت. بتحويل eV إلى Kelvin ، نحصل على درجات حرارة أعلى من 1 GK ، وهي درجة حرارة عالية للغاية.
ومع ذلك ، هناك ظاهرتان تجعل من الممكن تقليل درجة حرارة التفاعل المطلوبة. أولا ، درجة الحرارة العاكسة وسطالطاقة الحركية ، أي حتى في درجات الحرارة المنخفضة التي تزيد عن 0.1 ميغا إلكترون فولت ، سيكون لبعض النوى طاقات أعلى بكثير من 0.1 ميغا فولت ، والباقي سيكون طاقاته أقل بكثير. ثانيًا ، يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار ظاهرة النفق الكمومي ، عندما تتغلب النوى على حاجز كولوم ، لديها طاقة غير كافية. هذا يجعل من الممكن الحصول على تفاعلات اندماج (بطيئة) في درجات حرارة منخفضة.
المهم لفهم تفاعل الاندماج هو المفهوم المقطع العرضيردود الفعل ؟: قياسات احتمالية تفاعل الاندماج كدالة للسرعة النسبية لنواتين متفاعلين. بالنسبة لتفاعل الاندماج النووي الحراري ، من الأنسب مراعاة متوسط ​​قيمة توزيع ناتج المقطع العرضي والسرعة النووية. باستخدامه ، يمكن للمرء أن يكتب معدل التفاعل (اندماج النوى لكل حجم في كل مرة) على النحو التالي

أين ن 1 و ن 2 هي كثافة المواد المتفاعلة. يزيد من الصفر في درجة حرارة الغرفة إلى قيمة كبيرة بالفعل عند درجات الحرارة)