مفاعل نووي

مصادر الطاقة النظائرية المشعة التي تعمل باضمحلال ألفا للبلوتونيوم-238، ظلت لأكثر من ستين عامًا تغذي أجهزة تنظيم ضربات القلب والمركبات الفضائية. ومع ذلك، فإن المواد الخام لها شحيحة للغاية: الإنتاج العالمي للبلوتونيوم-238 يبلغ بضعة كيلوغرامات فقط في السنة، وهو ما يكفي بالكاد لتغطية احتياجات المهام الرئيسية.

عادةً ما يُتصوَّر النواة الذرية على أنها كرة كثيفة تختلط فيها البروتونات والنيوترونات. لكن في بعض النظائر، يمكن للنيوترونات أن تمتد بعيدًا خارج حدود هذه الكرة، مشكّلة غلافًا منخفض الكثافة يُعرف بالهالة النيوترونية. هذه الظاهرة شائعة بشكل خاص في النوى التي تعاني فائضًا كبيرًا من النيوترونات مقارنة بالبروتونات.

في عام 1976، تنبأ الفيزيائيون بأن الإلكترون قد لا يمر بجوار النواة فحسب، بل يصطدم بها وينقل إليها طاقة تجعلها "ترتجف". سُمي هذا التأثير NEEC — الإثارة النووية بالتقاط الإلكترون (Nuclear Excitation by Electron Capture). لكن على مدى خمسين عامًا تقريبًا، لم يتمكنوا من رصده في التجارب. الإشارة ضعيفة جدًا، وتغرقها إلكترونات أخرى تتشتت على النواة دون التقاط. جاء الحل من جهة غير متوقعة.

السباق نحو طاقة الاندماج النووي يشبه محاولة حبس البرق في قارورة. لعقود، يسعى الفيزيائيون لإعادة إنتاج العمليات التي تغذي الشمس على الأرض. الصعوبة الرئيسية هي جعل النوى الخفيفة تندمج، متغلبةً على التنافر الكولومبي المتبادل، وفي الوقت نفسه الحصول على طاقة أكثر مما يُستهلَك في تسخين البلازما واحتجازها.

الفضاء الفارغ ليس فارغًا كما يبدو. وفق نظرية الكم، يمتلئ الفراغ بجسيمات تُولد وتختفي باستمرار. في عام 1976، أظهر الفيزيائي ويليام أونروه أنه إذا تحرك راصد بتسارع، فإن هذا «الحساء الكمومي» يتحول بالنسبة له إلى حمام دافئ حقيقي — تأثير أونروه.

في أعماق النجم النيوتروني، تكون المادة مضغوطة بشدة لدرجة أن البروتونات والنيوترونات المألوفة تفسح المجال للاعبين جدد. هناك تولد الهايبرونات (hyperons) — وهي جسيمات يعيش داخلها كوارك غريب. السؤال عن مقدار الطاقة اللازمة لإخراج مثل هذا الهايبرون من الوسط النووي ليس سؤالاً عابراً: فالإجابة عليه تحدد ما إذا كان النجم سيصمد أم ينهار ليتحول إلى ثقب أسود.

أدق بندول في العالم ليس قضيبًا فولاذيًا، بل نواة ذرية صغيرة. لنظير الثوريوم-229 حالة مثارة خاصة: لتحويل النواة إليها، نحتاج طاقة قليلة جدًا — تقريبًا مثل طاقة ليزر فوق بنفسجي. هذا أشبه بهزّ ثريا ثقيلة ليس برافعة، بل بنقرة خفيفة من الإصبع.

بندول لا يكاد أي شيء أن يزيحه عن مساره، لا يخاف لا من الاهتزاز ولا من الحرارة ولا من المجالات المغناطيسية — لأنه مخبأ في صميم الذرة. هذا البندول بالتحديد هو ما استخدمه الفيزيائيون عندما شغّلوا لأول مرة ساعة نووية. في السابق، كانت أفضل الساعات — البصرية — تعمل على انتقالات الإلكترونات. لكن الإلكترونات تعيش على أطراف الذرة، مثل فراشات في مهب الريح: أي تأثير خارجي يزعجها.

أكثر الساعات الحديثة دقة تحسب الوقت من خلال تذبذبات الإلكترونات في الذرات. لكن حركتها يمكن أن تتأثر — كما يتأثر نابض الساعة الميكانيكية بالاهتزاز. وجد الفيزيائيون بندولاً أكثر موثوقية: نواة الذرة. أخذوا نواة الثوريوم-229، ووضعوها في بلورة، وجعلوها تتذبذب بتسليط ليزر بتردد محدد بدقة.

أنوية الذرات مغطاة بأغلفة رقيقة من الإلكترونات — في مثل هذه الأغلفة لا يمكن التحامها. لكن استبدل الغلاف الخفيف بآخر ثقيل: الميون، وهو جسيم من النموذج المعياري، يضغط السحابة الإلكترونية بحوالي 200 مرة.

نواة الذرة تشبه نابضًا طبيعيًا ذا قوة هائلة. عندما تعيد البروتونات والنيوترونات داخلها ترتيب نفسها، تنتقل النواة إلى حالة خاصة طويلة الأمد تُسمى أيزومر نووي. فيه تُختزن الطاقة كما لو أن النابض مضغوط إلى أقصى حد. ولإعداد هذه الآلية، تُضرب النواة بنبضة فائقة القصر من ليزر الأشعة السينية، مع ضبط الضربة بدقة لتكون في رنين.

النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الأولية هو الإطار النظري الذي يصف جميع الجسيمات الأساسية المعروفة وتفاعلاتها. ومع ذلك، فهو لا يفسر طبيعة المادة المظلمة، التي تشكل حوالي ربع كتلة-طاقة الكون. للبحث عن مظاهرها، لا نحتاج دائمًا إلى مسرعات عملاقة.

الأرجوحة لا تتأرجح إلا إذا دفعتَها في اللحظة المناسبة. وما أن تخرج عن الإيقاع حتى تذهب جهودك سدى. وهكذا تقريبًا يتفاعل الضوء مع النواة الذرية: عادةً ما يُمتص الفوتون فقط عندما تتطابق طاقته تمامًا مع الفرق بين مستويين نوويين. لكن ماذا لو لم تكن طاقة الفوتون مناسبة؟ وجد مؤلفو الدراسة الجديدة طريقًا ملتويًا. لقد درسوا ذرة البلاتين-193.

يضرب الليزر هدفًا من أسلاك رفيعة — وخلال عشرات الفيمتوثواني (أجزاء من مليار جزء من المليار من الثانية) يقذف منها تيارًا من البروتونات. تدخل هذه البروتونات إلى محوّل من الليثيوم والديوتيريوم، حيث تولد النيوترونات. في تجربة باستخدام ليزر بقدرة بيتاواط واحد (مليون مليار واط)، حصلوا على ما يصل إلى ثمانية ملايين نيوترون لكل جول من طاقة الليزر.

نواة ذرة الثوريوم-229 تشبه وتر العود المشدود: فهي تهتز بتردد محدد بدقة. 'لإصدار النغمة'، نحتاج إلى ضربة دقيقة - شعاع ليزر ذي لون محدد بدقة. وتعود جذور الفكرة إلى اكتشاف النشاط الإشعاعي على يد إرنست رذرفورد وماري كوري. ومثل جسم العود، يقوم تجويف بلوري مجهري بتضخيم الضوء القادم من الليزر عدة مرات، ويثير نوى الثوريوم بفعالية.

يجري النهر نحو الدوامة، لكن في طريقه سدٌّ به فتحة. معظم الماء يتجمع أمام السد، لكن جزءًا منه، بعد أن يرتفع، يعبر فوقه ويسقط مباشرة في القمع. هكذا هو الحال مع الغاز في المجرة: إنه يتدفق نحو المركز، لكنه يصطدم بحلقة من النجوم والغاز — إنها مثل السد. عادةً ما يتوقف كل شيء هناك، ملتفًا في دوامة كثيفة.

شعاع ليزر بقوة تعادل همسة من الضوء نقل نواة الثوريوم-229 إلى حالة مثارة ذات طاقة أعلى. تتطلب معظم النوى الذرية دفعة طاقة قوية لمثل هذا الانتقال، لكن الثوريوم-229 يمتلك فجوة طاقة صغيرة بشكل فريد بين الحالة الأرضية وأول حالة مثارة، مما يسمح بإحداث الانتقال حتى بهذا التأثير اللطيف.

النيوترينوات هي جسيمات صغيرة تخترق سمك الكوكب كما يخترق الضوء زجاج النافذة. في كل ثانية، تمر مليارات من هذه الجسيمات عبر ظفر إصبعك الصغير، لكن التقاط حتى جسيم واحد منها ليس بالمهمة السهلة. لهذا الغرض، حُفر منجم في كندا بعمق كيلومترين ووُضع فيه كاشف SNO+. العمق ضروري للاختباء من الأشعة الكونية التي تسبب تشويشًا. يوجد في الكاشف كرة ضخمة مملوءة بسائل وميضي (scintillator).

عند تصادم النوى الثقيلة في المسرعات، تولد العديد من الجسيمات، ويريد الفيزيائيون فهم كيفية تحرك الشحنة الكهربائية في هذه الفوضى. قطاران يصطدمان ببعضهما: الركاب (الكواركات) يتناثرون، لكن أمتعتهم (الشحنة) قد تكون بعيدة عن موقع الحادث. لقياس مدى انتقال الشحنة، يقترح المؤلفون مقارنة تصادمات نوى الروثينيوم (Ru) والزركونيوم (Zr).

داخل الشمس، تجري كل ثانية تحولات نووية غير مرئية. أحدها هو ولادة البورون-8: نواة البريليوم-7 تلتقط بروتونًا عابرًا وتصبح للحظة عنصرًا جديدًا. هذه الخطوة تطلق سلسلة تنتهي بانبعاث نيوترينو — جسيم قادر على اختراق الأرض بالكامل. سابقًا، كانت سرعة هذا التفاعل تُقدَّر من بيانات المسرعات، حيث الظروف بعيدة عن الظروف الشمسية.

المفاعل النووي التقليدي يشبه المرجل حيث يحترق الوقود بالتساوي في كامل حجمه. هنا الصورة مختلفة: على طول قضيب أسطواني من كربيد اليورانيوم تزحف ببطء موجة انشطار — منطقة ضيقة تنشطر فيها الذرات وتطلق حرارة. أمام الموجة، الوقود لم يمس بعد؛ خلفها، استُنفد بالفعل. هكذا ينتقل النار على فتيل الشمعة، تاركًا الشمع خلفه. الحيلة الأساسية تكمن في طيف النيوترونات.

لا يستطيع موظف الجمارك تفكيك حقيبة سفر ليعرف ما بداخلها. إنه يفحصها بالأشعة السينية، ومن خلال الظلال على الشاشة يدرك: هذا معدن، وهذا مادة عضوية. وبالمثل، يجب على مفتش معاهدات نزع السلاح النووي المستقبلية أن يفحص الرأس الحربي — دون فتحه ودون رؤية المحتويات السرية. النيوترونات أنسب من الأشعة السينية لمثل هذا الفحص.

في غرفة مظلمة، حيث تبلغ درجة الحرارة أربع درجات فقط فوق الصفر المطلق، توجد بلورة ياقوت بحجم حبة أرز. عندما يمر عبرها نيوترينو — جسيم شبح لا يكاد يتفاعل مع المادة — تهتز البلورة وترتفع حرارتها بمقدار ضئيل جدًا من الدرجة. تلتقط أجهزة استشعار فائقة الحساسية عند حواف البلورة هذا الاستجابة الحرارية. لكن الجهاز لا يسمع النيوترينوات فقط.

في أعماق النجم المحتضر قبل انفجار المستعر الأعظم، تجري تفاعلات نووية تحدد أي العناصر الكيميائية ستنتشر في الفضاء. أحد هذه التفاعلات هو اصطدام نواة الأكسجين مع بروتون، ينتج عنه نواة النيتروجين وجسيم ألفا (نواة الهيليوم).

في كل مرة يندمج فيها الديوتيريوم والتريتيوم داخل مفاعل الاندماج النووي، ينطلق نيوترون سريع. يمكن لهذا النيوترون أن يحول بعض المواد إلى أخرى، على سبيل المثال، إنتاج نظائر ثمينة للطب. اليوم، هذه النيوترونات باهظة الثمن بشكل خيالي، لأن عدد المنشآت التجريبية قليل وهي تعمل نادرًا.

داخل مفاعل الاندماج النووي المستقبلي، سوف يطفو مغناطيس بوزن سيارة صغيرة. إنه يمسك البلازما شديدة الحرارة كما تمسك يد خفية سحابة. في السابق، كان يُعتقد أن مثل هذا المغناطيس غير مناسب لوقود الديوتيريوم والتريتيوم: فتدفقات النيوترونات كانت تدمره بسرعة. الآن، ابتكر المهندسون طريقة لحماية المغناطيس واستبدال الجزء التالف.

في أبريل 2023، رصدت الأقمار الصناعية اليابانية توهجاً فائق القوة بالأشعة السينية على النجم النيوتروني MAXI J1752–457. برد النجم في 4 أيام — أسرع بخمس مرات من المعتاد. كما لو أن أحداً فتح نافذة كونية. هذه النافذة فتحتها 'عملية أوركا' النووية. في محيط من النوى الذرية بسمك مئات الأمتار، تتبادل البروتونات والنيوترونات الإلكترونات مولدّةً النيوترينوات.

مضاد البروتون هو توأم البروتون، لكن بشحنة سالبة. عندما يقترب هذا التوأم من نواة، لا يرتد عنها فحسب؛ بل ينشأ بينهما رقصة كاملة من التجاذب والتنافر. تعلّم فيزيائيون في سيرن (CERN) حساب هذه الرقصة لأخف النوى: الديوتيريوم (بروتون زائد نيوترون)، والتريتيوم، والهيليوم-3.

تعيش النواة الذرية عادةً في حالة طاقة واحدة، مثل كرة ملقاة على الأرض. لكن لدى الثوريوم-229 استثناء نادر: يمكن للنواة أن تعلق على درجة صغيرة فوق الأرض — فيما يسمى الحالة الأيزومرية. هذه الدرجة منخفضة جداً لدرجة أنه يمكن الوصول إليها بضوء عادي، وليس بإشعاع قاسٍ. ولهذا السبب أصبح أيزومر الثوريوم-229 المرشح الرئيسي للساعات النووية — وهو جهاز يقيس الزمن بناءً على اهتزازات النواة نفسها، وليس الإلكترونات المحيطة بها.

في كل عام، في الولايات المتحدة وحدها، يجري الأطباء أكثر من 16 مليون فحص باستخدام النظير المشع التكنيشيوم-99m. فهو يُظهر القلب والعظام والرئتين في الصور، ويساعد في اكتشاف الأورام أو فحص تدفق الدم. لكن عمر النظير نفسه لا يتجاوز ست ساعات، لذا لا يمكن تخزينه للاستخدام لاحقًا — بل يحتاج إلى إمداد مستمر.

إن إشعال شمس مصغرة هو حلم قديم للبشرية. عادةً ما يحاول العلماء احتجاز بلازما ملتهبة (غاز من جسيمات مشحونة) عند درجات حرارة تصل إلى مئات الملايين من الدرجات. لكن البلازما تسعى للانفلات من المصائد المغناطيسية، ويكلف احتجازها نفقات هائلة. يقدم بحث جديد مسارًا آخر: عدم تسخين كل الوقود، بل إطلاق شعاع من الجسيمات السريعة نحو هدف.

النجم المحتضر يشبه مبنى متعدد الطوابق ينهار على نفسه. ينضغط القلب إلى كثافة لا يمكن تصورها، بينما تسقط الطبقات الخارجية عليه بسرعات تصل إلى عشرات الآلاف من الكيلومترات في الثانية. في هذه اللحظة تولد النيوترينوات – وهي جسيمات لا تكاد تلاحظ المادة العادية وتحمل الطاقة بعيدًا. لكن في بعض الأحيان لا تكتفي بالهروب، بل تتدخل في مسار الانفجار.

الألومنيوم-26 هو نظير لا يعمر طويلاً بالمقاييس الكونية: حوالي مليون سنة فقط. عندما ينفجر نجم ضخم كمستعر أعظم، يقذف هذا الألومنيوم إلى الفضاء. لاحقًا، يتحلل باعثًا أشعة غاما يمكن التقاطها بالتلسكوبات. أعاد الباحثون حساب كمية الألومنيوم-26 التي يجب أن يقذفها نجم كتلته 20 كتلة شمسية.

لكي تندمج نواتان ذريتان، لا بد من التغلب على تنافرهما الكهربائي الشديد، تماماً كمحاولة تقريب قطبين مغناطيسيين متشابهين. في الظروف العادية، لا يساعد على ذلك إلا طاقة هائلة، كما في أنوية النجوم، حيث شرح هانز بيته آلية الاندماج في ثلاثينيات القرن الماضي. لكن العلماء وجدوا حديثاً طريقة لإنشاء "حظيرة" معدنية.

في أعماق النجوم، تندمج النوى الخفيفة منتجة الهيليوم وتيارات من النيوترونات. على الأرض، تُعاد هذه العملية عبر دمج الديوتيريوم والتريتيوم — وهما نظيران خاصان من الهيدروجين، يحتويان على نيوترون واحد ونيوترونين على التوالي.

ارتفع بالون ATIC فوق القارة القطبية الجنوبية والتقط جسيمات أقدم من الأرض نفسها. من بينها نوى ذرية من الكبريت إلى الكروم، وكلما زادت طاقتها، زادت نسبتها مقارنة بالحديد. النموذج القياسي "الصندوق المثقوب" توقع العكس: كان يجب أن تذوب النوى الثقيلة مثل الملح في الماء. لكن البيانات أصرت على الارتفاع.