طاقة الاندماج
نبذة > الآلية

تحدث تفاعلات الاندماج عندما تقترب نواتان ذريتان أو أكثر بما يكفي لفترة كافية بحيث تتغلب القوة النووية التي تربطهم ببعض على قوة التنافر ( القوة الكهروستاتيكية ) تدفعهما بعيدًا عن بعضهما لأن شحنتيهما موجبة . في تفاعل اندماج نووي تتكون أنوية أثقل ، فمثلا عندما تتحد اربعة أنوية هيدروجين (أي 4 بروتونات ) تنتج نواة ذرة الهيليوم (وهي تتكون من بروتونين ونيوترونين ، حيث تتحلل أثنين من البروتونات إلى نيوترونين بواسطة النشاط الإشعاعي). في الشمس تتم تلك التفاعلات وهي مكونة أساسا من الهيدروجين باستمرار وتنتج حرارتها وضوئها التي تمكّن من الحياة على الأرض. ليس هذا فقط فإن تفاعلات الالتحام تحدث في الشمس بين الهيليوم والهيليوم أيضا وبهذا تتكون عناصر أثقل ، مثل الكربون والنتروجين والأكسجين وغيرها. وكل تلك التفاعلات الاندماجية التي تتم في الشمس ، وتتم أيضا في النجوم ، هي مصدر طاقة الشمس الهائلة. تستمر تلك التفاعلات الاندماجية في الشمس والنجوم إلى أن تصل إلى الحديد (الحديد-56 حيث توجد في نواته ما مجموعه 56 بروتونا ونيوترونا) . و بالنسبة إلى الأنوية الأثقل من الحديد-56 ، يكون التفاعل تفاعل ماص للحرارة ، أي لا يُصدر حرارة ويحتاج إلى حرارة أكبر من الحرارة التي ينتجها. بالنسبة إلى النوى الأخف من حديد-56 ، يكون التفاعل مولّدا للحرارة ، وتطلق طاقة (حرارية) عندما تندمج. نظرًا لأن الهيدروجين يحتوي على بروتون واحد في نواته ، فإنه يتطلب أقل جهد لتحقيق الاندماج ، وباندماجه ينتج أكبر قدر من صافي إنتاج الطاقة. أيضًا نظرًا لأنه يحتوي على إلكترون واحد ، فإن الهيدروجين هو أسهل وقود للتأين الكامل (تأين الهيدروجين يحتاج إلى حرارة عالية جدا ، تبلغ في قلب الشمس نحو 14 مليون درجة مئوية . وفي هذه الظروف عالية الحرارة وعالية الضغط تنفصل الإلكترونات عن الذرات ويصبح ما يسمى بلازما. فالبلازما في الفيزياء هي حالة غريبة في الطبيعة تنفصل فيها الشحنات عن بعضها البعض. في الشمس والنجوم لا يوجد الهيدروجين أو الهيليوم وغيرهم كغازات وإنما كبلازما شديدة السرعة تتصادم ببعضها البعض وينتج من إلتحامها عناصر أثقل .
تعمل القوة النووية القوية فقط على مسافات قصيرة جدا جدا (فيمتومتر واحد على الأكثر ، قطر بروتون واحد أو نيوترون) ، بينما تعمل القوة الكهروستاتيكية على التنافر بين مكونات الأنوية الذرية - لأن شحنة البروتونات موجبة - على مسافات أطول. من أجل الخضوع للاندماج ، يجب إعطاء ذرات الوقود (الهيدروجين) طاقة حركية كافية للاقتراب من بعضها البعض بشكل كافٍ حتى تتغلب القوة النووية القوية على التنافر الكهروستاتيكي بين البروتونات. تُعرف كمية الطاقة الحركية اللازمة لتقريب ذرات الوقود بدرجة كافية باسم "حاجز كولوم". تشمل طرق توفير هذه الطاقة تسريع الذرات في معجل الجسيمات ، أو تسخينها إلى درجات حرارة عالية جدا، فيصطدم بعضها ببعض وقد يلتحم اثنان منهما ويكوّنا نواة ذرية أثقل.
بمجرد تسخين الذرة فوق طاقة التأين ، يتم تجريد الإلكترون الخاص بها. تُعرف النواة المجردة الناتجة باسم أيون. هذا التأين يصنع سحابة ساخنة من الأيونات والإلكترونات الحرة المرتبطة بها سابقًا ، والمعروفة باسم البلازما. لأن الشحنات منفصلة ، فإن البلازما موصلة كهربيًا ويمكن التحكم فيها مغناطيسيًا. تستفيد العديد من أجهزة الاندماج من هذا لحصر الجسيمات أثناء تسخينها.
التصاميم الرائدة الحالية في آلات البحوث هي توكاماك والحبس بالقصور الذاتي (ICF) بواسطة الليزر. كلا التصميمين قيد البحث بمقاييس كبيرة جدًا ، وأبرزها المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي توكاماك في فرنسا ، و منشأة الإشعال الوطنية (NIF) في الولايات المتحدة. يدرس الباحثون أيضًا تصميمات أخرى قد تقدم أساليب أرخص. من بين هذه البدائل ، هناك اهتمام متزايد بـ اندماج بحصر القصور الذاتي بالليزر ، والـ ستيلاراتور.