Electrohydraulic Shock-Induced Plasma Pinch Dynamics and Fast Neutron Generation Using Novel Composite Refractory Electrodes
تُظهر هذه الدراسة أن الأقطاب الكهربائية الحرارية المركبة المصنوعة من مصفوفات كربيد التنغستن/هيدريد الليثيوم-6 (أو الليثيوم-6 النقي) المدمجة هيدروستاتيكيًا، عند تعرضها لتفريغات صدمة كهروهيدروليكية في الماء الثقيل، تولد ظروف بلازما قصوى تتجاوز 100 جيجا باسكال و35 مليون كلفن، مما ينتج عائدًا ملموسًا من نيوترونات بطاقة 14.1 ميجا إلكترون فولت ورماد الهيليوم، حيث تُظهر كل من تكوينات الهيدريد والليثيوم المعدني بصمات نووية وحرارية متكافئة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم فيزياء الطاقة العالية المتطرف، يسعى الباحثون غالباً إلى إعادة تهيئة الظروف الموجودة في أعماق النجوم أو داخل الأسلحة النووية، ولكن على نطاق ضيق ومسيطر عليه. وللقيام بذلك، يجب عليهم ضغط المادة بعنف شديد حتى تتحول إلى بلازما، وهي حالة شديدة السخونة حيث تُجرد الذرات من إلكتروناتها. وتتمثل إحدى الطرق الشائعة لتحقيق ذلك في إرسال دفعة هائلة من الكهرباء عبر سائل، مما يخلق موجة صدمية تضغط البلازما الناتجة لتتحول إلى خيط مضيء وضيق. هذه العملية، المعروفة باسم "القرص" (pinch)، تولد حرارة وضغطاً شديدين، قد يصل أحياناً إلى حد كافٍ لتحفيز التفاعلات النووية. لقد كان التحدي دائماً يكمن في إيجاد مواد يمكنها الصمود أمام الانفجار الأولي للكهرباء دون أن تتفتت، مع الاحتفاظ أيضاً بالمكونات المحددة اللازمة لإحداث تلك التفاعلات النووية. وقد عانى العلماء طويًا من خلط السيراميك الصلب المقاوم للحرارة مع العناصر الخفيفة والمتطايرة مثل الليثيوم، لأن الحرارة عادة ما تسبب انفصال هذه المواد أو تكسرها قبل بدء التجربة حتى.
لقد أظهر فريق من الباحثين من أوكرانيا والولايات المتحدة الآن طريقة للتغلب على هذه الحواجز باستخدام نوع جديد من الأقطاب الكهربائية المصنوعة من خليط متخصص من كربيد التنغستن والليثيوم. بدأوا بأخذ مساحيق ذات جودة صناعية من كربيد التنغستن، وهو مادة مشهورة بصلابتها، وخلطوها مع هيدريد الليثيوم-6، وهو مركب يحتوي على نظير نادر من الليثيوم. وعادةً ما تفشل محاولة خبز هذين المادتين معاً لأن مركب الليثيوم يتبخر قبل أن يتمكن السيراميك من الاندماج. ومع ذلك، استخدم الفريق مكبساً هيدروليكياً ضخماً لضغط الخليط تحت ضغط قدره 7.6 جيجاباسكال مع تسخينه. عمل هذا الضغط الشديد كدرع، مما منع الليثيوم من الهروب وأجبر المواد على الاندماج في كتلة صلبة ذات بنية نانوية كانت شبه مثالية، مع وجود شبه انعدام للثقوب الصغيرة بداخلها. وقد صنعوا نسختين من هذه الكتل: إحداهما تحتوي على مركب هيدريد الليثيوم، والأخرى تحتوي على ليثيوم معدني نقي، وذلك فقط لمعرفة ما إذا كان الشكل الكيميائي لليثيوم يؤثر على النتيجة.
وُضعت هذه الأقطاب الكهربائية الجديدة داخل غرفة مليئة بالماء الثقيل، وعُرِّضت لدفعة مفاجئة من الكهرباء عالية الجهد تستغرق أقل من ميكروثانية. وعندما ضربت الكهرباء القطب الكهربائي، قامت بتبخير السطح فوراً، مما خلق قناة من البلازما تُضغط فوراً بواسطة مجالها المغناطيسي لتصبح خيطاً ضئيلاً فائق الكثافة. كان هذا الضغط عنيفاً لدرجة أنه ولد ضغوطاً تتجاوز 100 جيجاباسكال، وهو ما يزيد عن مليون مرة من الضغط الجوي للأرض. وداخل هذا اللب الصغير فائق السخونة، ارتفعت درجة الحرارة إلى حوالي 35 مليون درجة كلفن. عند درجات الحرارة هذه، تُجرد الذرات من إلكتروناتها، وتصبح البلازما عبارة عن حساء هائج من الجسيمات المشحونة. وقاس الباحثون الضوء المنبعث من هذا اللب وأكدوا أن الإلكترونات كانت تتحرك بطاقة كافية لدفع التفاعلات النووية.
كان الاكتشاف الأكثر أهمية هو أن هذه التفاعلات حدثت بالفعل. فعندما تشكلت البلازما، أنتجت دفعة من النيوترونات السريعة، وهي جسيمات دون ذرية تنطلق بسرعات هائلة. ومن خلال قياس الوقت الذي استغرقته هذه الجسيمات لقطع مسافة قصيرة، حدد الفريق أن طاقتها تبلغ حوالي 14.1 مليون إلكترون فولت. هذا التوقيع الطاقي المحدد هو العلامة المميزة لتفاعل اندماجي بين الديوتيريوم، وهو شكل ثقيل من الهيدروجين موجود في الماء الثقيل، والليثيوم-6 الموجود داخل القطب الكهربائي. أنتجت التجربة حوالي 120,000 من هذه النيوترونات مع كل نبضة واحدة. وللتأكد من أن هذه النيوترونات جاءت من تفاعل نووي وليس مجرد ضوضاء عشوائية، قام الفريق أيضاً بتحليل الغاز المتبقي في الغرفة بعد عملية الإطلاق. ووجدوا أدلة واضحة على وجود الهيليوم-3 والهيليوم-4، وهي "الرماد" أو النواتج الثانوية المحددة التي يجب أن تتبقى بعد اندماج الليثيوم والديوتيريوم معاً.
ولعل النتيجة الأكثر إثارة للدهشة هي أن الشكل الكيميائي لليثيوم لم يغير النتيجة. فقد اختبر الباحثون أقطاباً كهربائية مصنوعة من مركب هيدريد الليثيوم وقارنوها مباشرة بأقطاب مصنوعة من الليثيوم المعدني النقي. ورغم أن أحدهما بدأ كمركب والآخر كفلز نقي، إلا أن كلاهما أنتج نتائج متطابقة تقريباً؛ فقد ولدا نفس درجات الحرارة القصوى، ونفس الضغوط الساحقة، ونفس عدد النيوترونات. وأظهرت البيانات أن الفرق بين المادتين كان صغيراً جداً لدرجة أنه ضاع ضمن التباينات الطبيعية للتجربة. وهذا يشير إلى أنه بمجرد حدوث موجة الصدمة الشديدة، تتفكك الروابط الكيميائية الأولية لليثيوم بسرعة كبيرة لدرجة أن البلازما تتصرف بنفس الطريقة بغض النظر عما إذا كان الليثيوم قد بدأ كهيدريد أو كمعدن.
كما كشفت الدراسة أيضاً أن هذه المواد المركبة الجديدة متينة للغاية. ففي التجارب السابقة باستخدام المواد التقليدية ذات الحبيبات الخشنة، كانت الأقطاب الكهربائية غالباً ما تتشقق أو تتفتت تحت تأثير الإجهاد الحراري للتفريغ. وفي المقابل، تآكلت هذه الأقطاب الكهربائية ذات البنية النانوية الجديدة بشكل بطيء ومنتظم، حيث فقدت حوالي ميكرون واحد فقط من المادة في كل نبضة. هذا التآكل المنتظم، بدلاً من التكسر العنيف، يثبت أن المادة يمكنها تحمل البيئة القاسية لتوليد البلازما عالية الطاقة. وخلص الباحثون إلى أنه باستخدام التوحيد تحت الضغط العالي لإنشاء هذه المركبات الفريدة، فقد نجحوا في بناء مكون يمكنه الصمود أمام الظروف القاسية اللازمة لتحفيز تفاعلات الاندماج النووي في بيئة سائلة. ويمهد هذا العمل طريقاً واضحاً نحو إنشاء أقطاب كهربائية أكثر متانة لتجارب فيزياء الطاقة العالية، موضحاً أن الشكل البدئي لليثيوم أقل أهمية من القدرة على الصمود أمام الصدمة الأولية والحفاظ على البنية تحت الضغط الشديد.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.