جدل الهافنيوم

كان الجدل الدائر حول الهافنيوم نقاشًا حول إمكانية "إحداث" انبعاثات طاقة سريعة، عبر انبعاث أشعة غاما، من نظير نووي للهافنيوم يُدعى ^178m2Hf . تبلغ الطاقة المنبعثة لكل حدث 100,000 ضعف الطاقة المنبعثة في تفاعل كيميائي نموذجي، ولكنها أقل بمقدار 100 ضعف من الطاقة المنبعثة في تفاعل الانشطار النووي . في عام 1998، نشر فريق بقيادة كارل كولينز في جامعة تكساس في دالاس ^{[ 1 ] [ 2 ]} ما اعتبروه دليلًا على وجود مثل هذا المحفز، إلا أن هذه النتائج لم تُعاد إنتاجها بشكل مستقل، ولا تزال مثيرة للجدل. كانت نسب الإشارة إلى الضوضاء منخفضة في تلك التجارب الأولى، ولم يتمكن أي فريق آخر حتى الآن من إعادة إنتاج هذه النتائج. وصف بيتر زيمرمان (فيزيائي نووي أمريكي وخبير في الحد من التسلح) الادعاءات المتعلقة بإمكانية استخدام الهافنيوم كسلاح بأنها تستند إلى " علم رديء للغاية ". ^{[ 3 ]}  

^{يُعدّ نظير الهافنيوم -178m2} مرشحًا مثيرًا للاهتمام بشكل خاص لتجارب انبعاث أشعة غاما المُستحث (IGE)، نظرًا لأن طاقته أعلى بمقدار 2.5 ميغا إلكترون فولت لكل نواة من طاقة ^{الهافنيوم-178 في} حالته الأرضية ، كما أنه يتمتع بعمر نصف طويل (31 عامًا) . إذا أمكن لإشعاع منخفض الطاقة أن يُحفّز انبعاث أشعة غاما في هذا النظير قبل أن تُبدد العمليات المنافسة تلك الطاقة، فقد يُؤدي ذلك، من حيث المبدأ، إلى بدء سلسلة من فوتونات غاما. قد يُتيح عمر النصف الطويل للهافنيوم ^-178m2 إمكانية هندسة مادة تحتوي على عدد كافٍ من هذه النوى النشطة اللازمة للانبعاث المُحفّز ، أي ليزر أشعة غاما. في حين أن الانبعاث المُستحث لفوتون عالي الطاقة بواسطة فوتون منخفض الطاقة يُضيف قوة إلى مجال الإشعاع، فإن الانبعاث المُحفّز يُضيف تماسكًا . ^{[ 4 ]} 

مع الأخذ بعين الاعتبار جميع التحفظات المتعلقة بتبدد الفوتون المُحفِّز، وإعادة إنتاجه بكفاءة بواسطة الفوتون عالي الطاقة الذي يتم تحفيزه، فإن هذه العملية قد تُفضي، من حيث المبدأ، إلى محركات تفاعل نووي ، إلى جانب أجهزة قياس إشعاعي أكثر دقة. وقد تمت الموافقة على اقتراح لإثبات فعالية "تحفيز" نظير الهافنيوم ^-178م 2 في ورشة عمل بحثية متقدمة تابعة لحلف الناتو (NATO-ARW) عُقدت في بريديل عام 1995. ^{[ 5 ]} ورغم أن الاقتراح كان يقضي باستخدام بروتونات ساقطة لقصف الهدف، إلا أن جسيمات ألفا كانت متوفرة عند تحديد موعد التجربة الأولى. وقد أجراها فريق فرنسي روسي روماني أمريكي. وقيل إن النتائج ^{[ 6 ]} كانت استثنائية، لكنها لم تُنشر. ومع ذلك، فقد أشير إلى أن نظير الهافنيوم ^-178م 2 ذو أهمية خاصة للتطبيقات المحتملة لتقنية IGE. سرعان ما اندلع جدلٌ واسع، لا سيما بين المؤيدين الأوائل لنظير ^{الهافنيوم-178m2} ، الذين اعتبروه ذا تطبيقات عسكرية محتملة كسلاح ليزر أشعة غاما أو مادة متفجرة غير نيوترونية ولكنها شبيهة بالمواد النووية، وبين النقاد الذين استبعدوا هذه الاحتمالات بسبب العقبات العملية التي تعترض سبيل تطويره: فتصنيع نظير ^{الهافنيوم-178m2 صعب، ويكاد يكون من المستحيل فصله عن نظير الهافنيوم -178} في حالته الأرضية ، بالإضافة إلى امتصاص الإلكترونات المرتبطة حول نواة الهافنيوم لأشعة إكس ذات الطاقة المنخفضة، وضعف احتمالية إعادة إنتاج أشعة إكس القادرة على التفجير انطلاقًا من أشعة إكس المُفجَّرة نفسها عن طريق التشتت العشوائي المتعدد. ومع ذلك، كان التطبيق العسكري المحتمل مغريًا بما يكفي لمحاولة تحويل نظير الهافنيوم ^-178m2 إلى شيء مفيد (بدلًا من كونه نواة مثيرة للاهتمام مناسبة للدراسة الأكاديمية فقط).

• ^{يمتلك نظير الهافنيوم 178m2} أعلى طاقة إثارة بين جميع النظائر الأخرى ذات العمر الطويل المماثل. يحتوي غرام واحد من الهافنيوم ^{178m2 النقي على ما يقارب 1330} ميغا جول من الطاقة، أي ما يعادل حوالي 300 كيلوغرام (660 رطلاً) من مادة تي إن تي . ^{[ 7 ]} يبلغ عمر النصف للهافنيوم ^178m2 حوالي 31 عامًا، أو 1  جيجا ثانية (1,000,000,000 ثانية)، وبالتالي فإن النشاط الإشعاعي الطبيعي لغرام واحد منه يبلغ 2.40 تيرا بيكريل (65 كوري) . وينتج هذا النشاط الإشعاعي عن سلسلة من أشعة غاما النافذة، تبلغ طاقة أقواها 0.574 ميغا إلكترون فولت. ^{[ 8 ]} لذا ، سيتطلب الأمر حماية كبيرة لضمان سلامة الإنسان إذا كانت العينة عبارة عن غرام واحد من هذا النظير النقي. ومع ذلك، حتى الآن لا يوجد النظير النووي إلا بتركيزات منخفضة (<0.1٪)، داخل الهافنيوم متعدد النظائر.   
• ستكون كل الطاقة المنبعثة على شكل فوتونات: أشعة سينية وأشعة جاما.
• في التقديرات النظرية، إذا تم إطلاق كل الطاقة المخزنة بسرعة، فقد ينبعث من غرام واحد من الهافنيوم النقي ^{178 م 2} انفجار فوتوني مكثف ؛ ومع ذلك، لم يتم تحقيق هذه الظروف تجريبياً.
• تُعدّ الأطر الزمنية المميزة للعمليات المُستخدمة في التطبيقات مُلائمة لاستهلاك كامل النشاط الإشعاعي الأولي. وتعتمد عملية تحفيز العينة بواسطة IGE على استخدام الفوتونات لتحفيزها وإنتاج فوتونات أخرى كناتج. ينتشر الفوتونات بسرعة الضوء ، بينما يتم التفكيك الميكانيكي للهدف بسرعة تُقارب سرعة الصوت. قد لا تتمكن مادة الهافنيوم غير المُحفّزة التي تبلغ مساحتها ^{178 مترًا مربعًا} من الإفلات من حدث مُحفّز إذا لم تتفاعل الفوتونات أولًا مع الإلكترونات.
• أشار كل من المقترح المقدم إلى حلف الناتو-ARW والنتائج الجزئية للتجربة اللاحقة إلى أن طاقة الفوتون اللازمة لبدء تفاعل IGE من ^{178 مترًا} مربعًا من الهافنيوم ستكون أقل من 300  كيلو إلكترون فولت. وتتوفر مصادر اقتصادية عديدة لهذه الأشعة السينية منخفضة الطاقة، مما يسمح بتوفير تدفقات كبيرة نسبيًا لعينات مستهدفة ذات أبعاد متوسطة.
• كانت عينات من ^{178 متر مربع} من الهافنيوم ولا تزال متاحة فقط بتركيزات منخفضة (<0.1٪)، دون وجود أي طريقة واضحة لزيادة هذا التركيز.

• في حوالي عام 1997، استمعت المجموعة الاستشارية لمشروع جيسونز إلى شهادات حول تحفيز النظائر النووية. ونشرت المجموعة الاستشارية للدفاع عن جيسونز تقريرًا عامًا ذا صلة ^{[ 9 ]} ، خلصت فيه إلى أن مثل هذا الأمر مستحيل ولا ينبغي محاولة القيام به. وعلى الرغم من نشر مقالات في مجلات علمية محكمة، كتبها فريق دولي، تُفيد بتحفيز النظائر النووية من نظير الهافنيوم ^178m2 ، إلا أن وكالة الدفاع الدولية استمعت في حوالي عام 2003 إلى شهادات، مرة أخرى من علماء معنيين، حول مصداقية النتائج المنشورة. ولم يُدلِ البروفيسور كارل كولينز، العضو الأمريكي الرئيسي في الفريق الذي نشر النتائج الناجحة، بشهادته.

• في حوالي عام 2003، بدأت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) بحثًا استكشافيًا أطلق عليه اسم إطلاق الطاقة المحفز للأيزومرات (SIER)، وقد أثار ذلك اهتمامًا عامًا، على المستويين الشعبي ^{[ 10 ]} والمهني. ^{[ 11 ]}

• كان التركيز الأول لمشروع SIER هو إمكانية إنتاج كميات كبيرة من الهافنيوم ^{(178 م²)} بتكاليف مقبولة لتطبيقات محتملة. وكُلِّفت لجنة مغلقة تُدعى HIPP بهذه المهمة، وخلصت إلى إمكانية ذلك. مع ذلك، قام أحد العلماء في لجنة مراجعة DARPA HIPP السرية بتسريب مخاوف أولية، وإن كانت متحيزة، إلى الصحافة. ^{​​[ 12 ]} أدى هذا الادعاء غير المُثبت إلى سلسلة من التقارير غير الدقيقة حول ما يُسمى "التكاليف الباهظة" لتحفيز النظائر.
• بعد أن أوفى برنامج SIER بتكليف لجنة HIPP بدراسة مشكلة الإنتاج بتكلفة مقبولة، انتقل إلى مسألة التأكيد النهائي لتقارير IGE من ^{178 مترًا} مربعًا من الهافنيوم. وقد كلفت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) فريقًا مستقلًا تمامًا عن الفريق الذي أبلغ عن نجاح سابق بمهمة إثبات وجود النظائر المشعة (TRIP). واعتُبرت أطروحة روسو المعيار الذهبي لإثبات وجود نظائر الهافنيوم. ^{[ 13 ]} تطلبت تجربة TRIP تأكيدًا مستقلًا لأطروحة روسو. وقد تكللت بالنجاح، ولكن لم يُنشر البحث.
• بحلول عام 2006، نشر فريق كولينز العديد من الأوراق البحثية التي تدعم ملاحظاتهم الأولية لـ IGE من ^178m2 Hf. ^{[ 14 ] [ 15 ]} وتصف النسخ المعاد طباعتها (المتاحة على الرابط) من المقالات التي نُشرت بعد عام 2001 العمل الذي تم إجراؤه باستخدام حزم الأشعة السينية أحادية اللون القابلة للضبط من مصادر ضوء السنكروترون SPring-8 في هيوغو و SLS في فيليجن.
• فشلت تجارب السنكروترون المستقلة، التي استخدمت أطيافًا أوسع للأشعة السينية، في رصد انبعاث أشعة غاما المستحثة، كما شككت التحليلات النظرية في جدوى الآلية المقترحة. وبحلول عام 2006، نُشرت مقالتان ^{[ 16 ] [ 17 ]} تزعمان دحض إمكانية حدوث انبعاث أشعة غاما المستحثة من نظير الهافنيوم ^178m2 ، وثلاث مقالات نظرية كتبها نفس الباحث تشرح لماذا لا يمكن حدوث ذلك بالخطوات التي تصورها. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} وصفت المقالتان الأوليان تجارب السنكروترون التي لم تكن فيها الأشعة السينية أحادية اللون.
• في عام 2007، قدّر بيريرا وآخرون ^{[ 21 ]} أن تكلفة الطاقة الكهربائية اللازمة لتخزين الطاقة في النظائر النووية تبلغ حوالي دولار واحد لكل جول؛ أما بناء وصيانة مسرّع الجسيمات اللازم لهذا الغرض فيُعدّ تكلفة إضافية. ويمكن لأي جهاز متفجر معقول، كالقنبلة اليدوية مثلاً، أن يحتوي على ما بين 10 إلى 100 غرام من مادة تي إن تي، ما يعادل 40 إلى 400 كيلوجول، بتكلفة تُقدّر بعشرات الدولارات، أو أقل بعشرة آلاف مرة على الأقل من هذا التقدير لمحتوى الطاقة في النواة. هذه التكلفة الباهظة تجعل أي جهاز يعتمد على النظائر النووية مكلفاً للغاية وغير عملي، وتجعل الأبحاث التي تُجرى بدافع التطبيقات المحتملة له مضيعة للمال (على عكس الأبحاث التي تُجرى على النظائر النووية لأغراض علمية بحتة دون أي ادعاءات عملية).
• في 29 فبراير 2008، وزّعت وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA) بعضًا من النسخ الـ 150 للتقرير النهائي لتجربة TRIP التي أكدت بشكل مستقل المعيار الذهبي لتحفيز نظائر الهافنيوم. وقد خضع التقرير، المؤلف من 94 صفحة، لمراجعة الأقران، وهو متاح للاستخدام الرسمي فقط (FOUO) من قِبل مكتب المعلومات التقنية التابع لوكالة DARPA، الكائن في 3701 شمال فيرفاكس درايف، أرلينغتون، فيرجينيا 22203، الولايات المتحدة الأمريكية.
• في 9 أكتوبر 2008، نشر مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) تقييمًا من 110 صفحات لتجربة TRIP التابعة لوكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA). ^{[ 22 ]} وجاء في الصفحة 33: "بشكل عام، تُعد تجارب الأشعة السينية على نظير الهافنيوم ^178m2 التي أجراها كولينز وزملاؤه هامشية وغير متسقة إحصائيًا. لم تؤكد أي من نتائج التحفيز الإيجابية المُبلغ عنها من قِبل مجموعات مستقلة، بما في ذلك التجارب التي أجراها متعاونون سابقون (كارول)." ^{[ 14 ]} بالإضافة إلى ذلك، ينص ملخص التقرير، في الصفحة 65: "نستنتج أن استخدام النظائر النووية لتخزين الطاقة غير عملي من وجهة نظر البنية النووية والتفاعلات النووية وآفاق إطلاق الطاقة المُتحكم فيه. ونشير إلى أن تكلفة إنتاج النظير النووي من المرجح أن تكون باهظة للغاية، وأن التقنيات المطلوبة لإنجاز هذه المهمة تتجاوز أي شيء تم إنجازه سابقًا ويصعب تحديد تكلفتها في الوقت الحالي."
• في عام 2009، نشر إس. إيه. كاراميان وآخرون نتائج القياسات التجريبية التي أجراها فريق من أربع دول في المعهد المشترك للأبحاث النووية لإنتاج كميات من ^178m2 Hf عن طريق التفتت عند طاقات منخفضة تصل إلى 80 ميغا إلكترون فولت. ^{[ 23 ]} بالإضافة إلى خفض التكلفة المتوقعة للإنتاج بشكل كبير، أثبتت هذه النتيجة التجريبية إمكانية الوصول إلى مصادر ^178m2 Hf ضمن قدرات العديد من أجهزة السيكلوترون غير المستخدمة المنتشرة حول العالم.

ملاحظة أخرى:

• واينبرغر، شارون (2006). أسلحة وهمية: رحلة عبر العالم السفلي العلمي للبنتاغون . دار نشر نيشن بوكس . رقم ISBN 1-56025-849-7.