ثلاثة مليارات ونصف درجة، والجميع لا يعبأ...

ثلاثة مليارات ونصف من الدرجات، ولا أحد يهتم...

3.7 مليارات درجة، ولا أحد يهتم

2 يوليو 2006

في 19 يونيو الماضي، نشر أحد القراء مقالاً على منتدى Agoravox بعنوان:

مليارا درجة. البشرية تكتشف النار المطلقة، ولا أحد يهتم!

أثار هذا المقال أكثر من 300 تعليق. وبما أن أحد القراء قد نبهني إلى وجود هذا المنتدى، فقد شاركت فيه. يمكن للقارئ المهتم بما دار من نقاشات الاطلاع على الأرشيف عبر الرابط التالي:

http://www.agoravox.fr/article.php3?id_article=10680

أقف أمام صفحة بيضاء، أحاول تحديد ما يجب كتابته، والنبرة التي يجب اعتمادها، والمستوى الذي يجب أن أتحدث منه. صحيح أنه أمام وضع كهذا، يشعر المرء بأنه متجاوز قليلاً للأحداث، أو بالأحرى لـ... عدم الأحداث في هذه الحالة.

قبل العودة إلى هذا الموضوع، ولأولئك الذين تابعوا ما قلته أو كتبته على موقعي حول "آلة Z" وهذا الاكتشاف، سأقول إنني استضفت صحفياً حوالي 25 يونيو. غادر قائلاً إنه سيقدم مقالاً لرئيس التحرير. كانت الردود فورية وبسيطة:

- لم أرَ هذا الخبر في وكالة فرانس برس AFP أو وكالة تاس TASS، ولا في أي وكالة أنباء أخرى.

هذا صحيح. ومع ذلك، مرت ثلاثة أشهر منذ نشر هذا الخبر دون أن تتفاعل الصحافة في جميع البلدان، ولا وكالات الأنباء. الأمر... مُذهل و... مُخيف أيضاً.

لذلك، سأعيد سرد هذه القصة من الصفر، للقراء الذين ينضمون إلينا الآن.

بدأ كل شيء في 9 مارس 2006 بخبر نُشر على موقع Futura-Science:

http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php

في الواقع، انطلق هذا المقال من إعلان رسمي صادر عن موقع مختبرات سانديا، الواقعة في نيومكسيكو، الولايات المتحدة الأمريكية. لمن لا يعرف، سانديا هي مجمع ضخم من المختبرات يعمل بشكل كبير على مشاريع أسلحة من جميع الأنواع. لتوضيح الصورة، يوجد مختبران في الولايات المتحدة، منذ عقود، في منافسة منهجية لتصميم الأسلحة النووية (وغيرها):

• سانديا
• لوس ألاموس (هناك صُممت أول قنبلة ذرية، على "الميسا")

موقع لوس ألاموس، نيومكسيكو، الولايات المتحدة الأمريكية، حيث صُممت أول قنبلة ذرية

بالعودة إلى خيط القصة والرجوع بالزمن إلى الوراء، نجد هذا الإعلان من مختبرات سانديا، بتاريخ 8 مارس 2006:

http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/index.html

إليك الإعلان المعني:

"Two billions degrees Kelvin" بالإنجليزية تعني "مليارا درجة مطلقة"

في الواقع، يأتي هذا الإعلان مباشرة بعد نشر مقال مدوٍّ وقّعه مالكولم هاينز (كلية إمبريال، لندن)، المتخصص المعروف دولياً في فيزياء البلازما، ودينّي (المسؤول عن التجارب على آلة Z في سانديا)، وأربعة باحثين آخرين، نُشر في مجلة Physical Review Letters المرموقة في 24 فبراير 2006. الروابط المذكورة أعلاه تشير فقط إلى إعلانات إعلامية. الوثيقة الأساسية هي المقال المذكور. نظراً لأهميته، وبعد شرائه، قمت بتوفيره للتحميل على موقعي.

مقال مالكولم هاينز ودينّي وآخرين، بصيغة PDF

إليك الصفحة الأولى منه:

"Over 2 x 109 Kelvin" تعني "أكثر من ملياري درجة كلفن"

لاحظ تاريخ التقديم الأول للمقال، 13 مايو 2005. يشير هذا البحث إذن إلى نتائج تجريبية سابقة لهذا التاريخ.

هذا هو، في الواقع، الوثيقة المثيرة للاهتمام، وقد حللتها بدقة. أجريت هذا التحليل موجهاً للعلماء (وللصحفيين العلميين)، وسبقته بملخص مبسط. يمكن للقارئ العلمي أو "الموجه علمياً" الرجوع إلى هذا التحليل. لكن هذه الصفحة، وهذا الملف، موجهان لأكبر شريحة ممكنة من الجمهور. على غير العلميين أو "الموجهين علمياً" تخطي هذا الرابط.

تحليلي لورقة هاينز ودينّي، 24 فبراير 2006

قبل العودة إلى نقاط عامة حول الاندماج (المولد للنيوترونات و"غير النيوتروني")، والاندماج في جهاز توكاماك مثل ITER أو عن طريق "الحصر بالقصور الذاتي"، إلخ، وهو موضوع هذا الملف الذي سأحاول تقديمه بأكثر الطرق تبسيطاً ممكنة، بعض الكلمات حول الجوهر في الورقة المذكورة.

• منذ عام 1998، أجريت تجارب ضغط البلازما في سانديا (وفي دول أخرى مختلفة، نووية: روسيا، الصين، إنجلترا، فرنسا، لكن ليس بنفس الإمكانيات الكبيرة). كان الهدف، من خلال ضغط المادة بقوى كهرومغناطيسية (سيتم التطرق لذلك لاحقاً)، تسخينها وجعلها تبعث أشعة سينية. لم تكن آلة Z وجميع الآلات من هذا النوع مصممة في البداية لاستهداف الاندماج. كانت ببساطة مصادر قوية للأشعة السينية، للاستخدام العسكري بنسبة 100%، وكان الهدف اختبار مقاومة الرؤوس الحربية للتدفق العالي من الأشعة السينية الناتجة عن انفجار قنبلة ذرية في الفراغ الفضائي، وهي العنصر الأساسي في الأسلحة المضادة للصواريخ التي تهدف إلى تدمير أنظمة التوجيه والتفجير الدقيقة للقنابل عبر هذا الإشعاع القوي. منذ عام 1998، أظهرت التجارب في سانديا أن درجة حرارة الأيونات يجب أن تكون مرتفعة بشكل غير طبيعي. لكن لم تكن تُقاس. ما كان يُقاس، انطلاقاً من انبعاث الأشعة السينية، هو درجة الحرارة الإلكترونية. كانت درجة حرارة الأيونات تُستنتج. سنرى لاحقاً كيف. الغريب أن هذه التجارب أدت إلى درجات حرارة أيونية يجب أن تكون أعلى، وبفارق كبير، من درجة الحرارة الإلكترونية (مئة ضعف!). أنظمة "درجتي حرارة" لديك منها... في مطبخك. إنها... أنابيب النيون. أيونات النيون (ذرات النيون التي فقدت إلكترونات) باردة، في درجة الحرارة العادية. يمكنك وضع يدك على الأنبوب دون أن تحترق. لكن الإلكترونات تكون بآلاف الدرجات (سنعود لذلك لاحقاً). في تجارب سانديا، لم يكن يمكن تفسير الأمور إلا إذا كان "غاز الأيونات" أكثر سخونة بكثير من غاز الإلكترونات.

• في عام 2005، تمكن الباحثون العاملون على آلة Z من إجراء قياسات مباشرة لدرجة حرارة الأيونات هذه، وهي موصوفة في ورقة هاينز ودينّي وآخرين. أكدت القياسات ما كان يُحسب سابقاً. هذه الحرارة، كما يشير العنوان، هي "أكثر من ملياري درجة كلفن". لكن إذا تعمقنا في الورقة (وفي تحليلي لها، على مستويين)، نرى أن هذه الحرارة تزداد أثناء القياسات وتنتقل في الواقع من 2.66 مليار درجة إلى 3.77 مليار درجة. هذه القياسات موثوقة بنسبة 100% (قياس الحرارة عن طريق قياس اتساع الخطوط الطيفية بتأثير دوبلر هو أمر كلاسيكي في الفيزياء والفيزياء الفلكية على وجه الخصوص. يجب استبعاد أي خطأ في القياس).

• بشكل ثانوي، يتساءل هاينز وزملاؤه (هو نظري) حول الآلية التي تضمن تسخين الأيونات بهذه الطريقة. يستشهدون بعدم استقرار الديناميكا المغناطيسية الهيدروديناميكية MHD. سنعيد النظر في كل ذلك لاحقاً أيضاً.

أظهرت محتوى النقاشات أن الغالبية العظمى من القراء والمشاركين يختزلون الاندماج في اندماج نظيري الهيدروجين:

ديتيريوم + تريتيوم يعطي هيليوم + نيوترون، يمثل طاقة قدرها 14 ميغا إلكترون فولت (MeV).

انظر على سبيل المثال ملف ويكيبيديا:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire

في هذا الملف، لن تجد سوى رسم توضيحي واحد لمخطط الاندماج:

مخطط اندماج نظيري الهيدروجين، الديتيريوم والتريتيوم، عند مئة مليون درجة

نرى أن النيوترون هو الذي يحمل أكبر قدر من الطاقة: أربعة أضعاف ما يحمله نواة الهيليوم المنتجة.

سيضطر القراء الآن إلى ترسيخ مخططات اندماج أخرى في أذهانهم.

بدءاً من 500 مليون درجة، اندماج الليثيوم والهيدروجين (الخفيف):

اندماج "غير نيوتروني" ليثيوم - هيدروجين

بدءاً من مليار درجة، اندماج البورون والهيدروجين (الخفيف):

اندماج "غير نيوتروني" بورون - هيدروجين

غير نيوتروني لأن لا نيوترونات. هذه النيوترونات، المنبعثة بسرعة نسبية، هي ما يجعل أجهزة التوكاماك (ITER هو توكاماك) تجعل هذا الاندماج يولد إشعاعية عن طريق "تنشيط" الهياكل المحيطة. هذه النيوترونات، بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن إيقافها بـ"الحصر المغناطيسي". لا شيء يوقفها، إلا العوائق المادية. كما أشار الحائز على جائزة نوبل دي جين، فإنها ستثبت عدوانية شديدة تجاه هيكل المغناطيس فائق التوصيل الذي يضمن الحصر، والذي يكلف ثروة ولا يمكن استبداله دورياً.

الطاقة تنقل ببساطة بواسطة نوى الهيليوم، الهيليوم البسيط. أين الإشعاعية؟ لا توجد. أين "النفايات النووية"؟ الجواب: الهيليوم. يمكنك العيش بجانب محطة اندماج غير نيوترونية. إما أنها ستطرح الهيليوم عبر مداخن، وعندها سيرتفع هذا الغاز. الهيليوم خفيف. أو سيتم استرداده لملء البالونات، رخيصاً. حالياً، الهيليوم مكلف جداً. هناك يمكن تخيل مركبات على شكل بالونات مملوءة بالهيليوم، مدفوعة بالطاقة الشمسية، على سبيل المثال. إلا إذا كانت هذه الطائرات أو المركبات تعمل بمولدات كهربائية اندماجية غير نيوترونية مصغرة.

يجب الآن الإجابة على الأسئلة التي يطرحها القراء، بشكل مشروع. ما هي الحرارة؟

سنعرّف الحرارة المطلقة T لغاز. أوضح أن هذه هي تعريفها. الغاز هو مجموعة من الجسيمات ذات كتلة m. جسيمات تتحرك في جميع الاتجاهات. نسمي هذه الحركة الاضطراب الحراري. الهواء الذي تتنفسه يتكون من جزيئات تتجول، في المتوسط، بسرعة 400 متر في الثانية. هذه قيمة متوسطة. هناك أسرع وأبطأ، لكننا لا نخطئ كثيراً إذا تخيلنا أنها جميعاً تتحرك بنفس السرعة. لماذا لا تمزق جزيئات الهواء هذه حويصلاتك الهوائية؟ لأنها أجسام ذات كتلة ضعيفة جداً. جزيء هواء بسرعة قصوى لن يؤذي ذبابة. هل تشعر بذلك؟

في جهاز توكاماك، الحرارة المطلقة هي 100 مليون درجة. نوى الهيدروجين تسير بسرعة تقارب ألف كيلومتر في الثانية. هذه هي سرعة اضطرابها الحراري. للمبتدئين في الفيزياء، انظر الإطار المجاور:

جميع الفيزيائيين

تعريف الحرارة المطلقة في غاز:

k هي ثابت يسمى ثابت بولتزمان وقيمته

k = 1.38 10

سنقوم بفيزياء عالية. كتلة ذرة هيدروجين، بروتون، هي:

m = 1.67 10

كيلو

لندخل إلى توكاماك. الحرارة (طالما يعمل): 100 مليون درجة مطلقة. المحتوى:

• ديتيريوم. كتلة النواة: 3.34 10

كيلو

• تريتيوم. كتلة النواة: 5 10

كيلو

نصف ونصف. متوسط كتلة النوى. 4.17 10

كيلو

بدرجة حرارة مطلقة قدرها مئة مليون درجة كلفن، السرعة المتوسطة للاضطراب الحراري لهذه النوى هي:

كسر، قوى عشرة، جذر تربيعي. لديك بالفعل أكثر من نصف الفيزياء في متناول خلاياك العصبية. الآن، ما يوجد في توكاماك هو مزيج من نوى ذات شحنة موجبة وإلكترونات ذات شحنة سالبة. الوسط تصادمي. هذا يعني أن الأيونات والإلكترونات تتبادل الكثير من الطاقة مع بعضها البعض. يمكن القول إن محتوى التوكاماك هو مزيج من غازين:

• غاز الأيونات، نوى هيدروجين ثقيل بمتوسط كتلة 4.17 10

كيلو

• "غاز الإلكترونات"، المكون من جسيمات كتلتها 0.9 10-30 كيلو

التصادمات تميل إلى إرساء حالة من التوازن الديناميكي الحراري. هذا يعني أنه إذا كان الوسط مزيجاً من أنواع مختلفة، فجميعها تكون بنفس الحرارة. لها نفس الحرارة المطلقة: هنا مئة مليون درجة. لكن ما هي الحرارة الإلكترونية، حرارة "غاز الإلكترونات"؟ نعرّفها بنفس الطريقة.

ثابت بولتزمان لا يتغير. إذا كان الغازان اللذان "يتعايشان" في حالة "توازن ديناميكي حراري"، فإن درجات الحرارة متساوية. وهذا يعني أن متوسطات الطاقة الحركية (من الاضطراب الحراري) متساوية.

بما أن الإلكترونات أخف، فهي أسرع، لكننا لسنا بعد في نطاق النسبية، بعيداً عن ذلك.

جميع الفيزيائيين

:

ت

عريف الحرارة المطلقة في غاز:

k هي ثابت يسمى ثابت بولتزمان وقيمته

k = 1.38 10

-23

N

سنقوم بفيزياء عالية. كتلة ذرة هيدروجين، بروتون، هي:

m = 1.67 10

-27

كيلو

لندخل إلى توكاماك. الحرارة (طالما يعمل): 100 مليون درجة مطلقة. المحتوى:

• ديتيريوم. كتلة النواة: 3.34 10

-27

كيلو

• تريتيوم. كتلة النواة: 5 10

-27

كيلو

نصف ونصف. متوسط كتلة النوى. 4.17 10

-27

كيلو

بدرجة حرارة مطلقة قدرها مئة مليون درجة كلفن، السرعة المتوسطة للاضطراب الحراري لهذه النوى هي:

كسر، قوى عشرة، جذر تربيعي. لديك بالفعل أكثر من نصف الفيزياء في متناول خلاياك العصبية. الآن، ما يوجد في توكاماك هو مزيج من نوى ذات شحنة موجبة وإلكترونات ذات شحنة سالبة. الوسط تصادمي. هذا يعني أن الأيونات والإلكترونات تتبادل الكثير من الطاقة مع بعضها البعض. يمكن القول إن محتوى التوكاماك هو مزيج من غازين:

• غاز الأيونات، نوى هيدروجين ثقيل بمتوسط كتلة 4.17 10

-27

كيلو

• "غاز الإلكترونات"، المكون من جسيمات كتلتها 0.9 10-30 كيلو

التصادمات تميل إلى إرساء حالة من التوازن الديناميكي الحراري. هذا يعني أنه إذا كان الوسط مزيجاً من أنواع مختلفة، فجميعها تكون بنفس الحرارة. لها نفس الحرارة المطلقة: هنا مئة مليون درجة. لكن ما هي الحرارة الإلكترونية، حرارة "غاز الإلكترونات"؟ نعرّفها بنفس الطريقة.

ثابت بولتزمان لا يتغير. إذا كان الغازان اللذان "يتعايشان" في حالة "توازن ديناميكي حراري"، فإن درجات الحرارة متساوية. وهذا يعني أن متوسطات الطاقة الحركية (من الاضطراب الحراري) متساوية.

بما أن الإلكترونات أخف، فهي أسرع، لكننا لسنا بعد في نطاق النسبية، بعيداً عن ذلك.

رفع وسط غازي إلى حرارة عالية يعني زيادة سرعة الاضطراب الحراري للأيونات. في بلازما الليثيوم عند 500,000 كلفن، سرعة الاضطراب الحراري لنوى الليثيوم هي 1,330 كم/ث. في بلازما البورون عند مليار درجة، هي 1,516 كم/ث.

تفاصيل الحساب في الإطار:

الليثيوم عند 500,000 كلفن

حرارة مطلقة في غاز:

k هي ثابت يسمى ثابت بولتزمان وقيمته

k = 1.38 10

سرعة الاضطراب الحراري في غاز عند حرارة مطلقة T:

• كتلة نواة الليثيوم: 7 أضعاف كتلة النوكليون (بروتون ونيوترون) أي:

1.67 10

كيلو = 1.17 10

كيلو

ما يعطينا سرعة اضطراب حراري قدرها:

1,330 كم/ث

البورون عند مليار كلفن

سرعة الاضطراب الحراري في غاز عند حرارة مطلقة T:

• كتلة نواة الليثيوم: 11 أضعاف كتلة النوكليون (بروتون ونيوترون) أي:

1.67 10

كيلو = 1.83 10

كيلو

ما يعطينا سرعة اضطراب حراري قدرها:

1,516 كم/ث

ألا ترى أن الصورة أصبحت أوضح قليلاً؟

الليثيوم عند 500,000 كلفن

:

ح

رارة مطلقة في غاز:

k هي ثابت يسمى ثابت بولتزمان وقيمته

k = 1.38 10

-23

س

رعة الاضطراب الحراري في غاز عند حرارة مطلقة T:

• كتلة نواة الليثيوم: 7 أضعاف كتلة النوكليون (بروتون ونيوترون) أي:

7

x

1.67 10

-27

كيلو = 1.17 10

-26

كيلو

ما يعطينا سرعة اضطراب حراري قدرها:

1,330 كم/ث

البورون عند مليار كلفن

:

س

رعة الاضطراب الحراري في غاز عند حرارة مطلقة T:

• كتلة نواة الليثيوم: 11 أضعاف كتلة النوكليون (بروتون ونيوترون) أي:

11

x

1.67 10

-27

كيلو = 1.83 10

-26

كيلو

ما يعطينا سرعة اضطراب حراري قدرها:

1,516 كم/ث

ألا ترى أن الصورة أصبحت أوضح قليلاً؟

لكن كيف نخلق سرعات الاضطراب الحراري هذه؟ حسنًا، إذا نجحت في جعل بلازما تنفجر للداخل (implosion) ووصلت سرعة الانفجار الداخلي إلى هذه القيم، فستتحول هذه الطاقة الحركية إلى سرعة اضطراب حراري. الأمر بسيط جداً. يجب أن تحفظ الطاقة. سيحدث هذا إذا لم تكن هناك خسائر إشعاعية كبيرة أثناء العملية.

ستصطدم الذرات ببعضها. التصادمات ستعيد توزيع هذه الطاقة الحركية في جميع الاتجاهات. على أي حال، عملية الانفجار الداخلي ستسخن الوسط. لكن هل ستستمر هذه الحرارة لفترة كافية لحدوث الاندماج؟

ماذا يعني "لفترة كافية"؟

سؤال جيد. وهذا يقودنا للتفكير في الظروف التي يمكن فيها خلق تفاعلات اندماج. سنتحدث إذن عن معيار لوسون. إنه مصطلح كبير لوصف شيء بسيط وبديهي في مجمله. يقولون إنه لا يمكن صنع أومليت دون كسر البيض. تخيل أنك تريد كسر بيضات كتلتها m (لا أعرف وزن البيضة، لكن لا يهم). لنفترض أن لدينا غرفة تتدحرج فيها بيضات وتتصادم. لكي يؤدي تصادم بين بيضتين إلى كسر، يجب:

• أن تصطدم البيضان فعلياً.
• أن تكون سرعتهما النسبية كافية لكسر القشور.

لنفترض M كتلة البيضات. ربما يقوم أحدهم بتجربة (مثيرة للاهتمام، بالمناسبة) لتحديد السرعة التي يجب أن يكون عليها بيضان متصادمان لبدء صنع أومليت. لنسمِ هذه السرعة V. إذا كانت هذه سرعة اضطراب للبيض، فيمكننا اعتبارها سرعة اضطراب حراري. إذا لم تكن السرعة كافية، ستقاوم القشرة حتى التصادم الأمامي. ومن يقول سرعة اضطراب حراري يقول حرارة. استبدل البيض بالنوى وكسر القشرة بتفاعل اندماج. سيحدث اندماج إذا تجاوزت حرارة الوسط حداً معيناً. لمزيج ديتيريوم-تريتيوم، هذه الحرارة الدنيا هي 100 مليون درجة. في الواقع، لكي يحدث اندماج الديتيريوم والتريتيوم، يجب أن تتمكن هذه النوى من الاقتراب بما يكفي لـ"حدوث تفاعل الاندماج". ما يمنعها من الاقتراب هو أن كليهما يحمل شحنة موجبة، فيتنافران تحت تأثير القوة الكهروستاتيكية.

رأينا أعلاه أن سرعة الاضطراب الحراري هذه، وبالتالي سرعة التصادم، المرتبطة بحرارة نوى هيدروجين قدرها 100 مليون درجة، كانت تقارب 1000 كم/ث. لدمج الليثيوم والهيدروجين، يجب تقريب بروتون يحمل شحنة كهربائية ونواة ليثيوم تحمل ثلاث شحنات. الشغل المطلوب أكبر. لذا ستكون حرارة الاندماج أعلى: 500 مليون درجة. وهذا سيكون بالأحرى مع نواة بورون (5 شحنات وحدة) وبروتون (نواة هيدروجين عادي). يحدث أن هذه الحرارة تكون حينها مليار درجة.

قد تبدو درجات حرارة الاندماج هذه: 100 مليون درجة، 500 مليون، مليار، غير واقعية، لكن الأمور تبدو أكثر ملموسية إذا فكرنا في سرعات الاضطراب الحراري:

1000 كم/ث، 1300 كم/ث، 1500 كم/ث.

وصول المكونات إلى سرعات الاضطراب هذه شرط ضروري لكنه غير كافٍ.

سرعات الاضطراب هي