تفاعلات الانشطار النووي
وهوإنشطار نواة ذرة مادة الوقود النووي ( نوى الذرات الثقيلة ) لكي تعطي نواتين مجموع كتلتيهما أقل من كتلة نواة الذرة الأم المنشطرة ويتحول الفرق بين كتلة المادة المنشطرة وكتلة نواتج الإنشـــطار ( مقدار نقص الكتلة ) إلى طاقة حرارية وطاقة إشعاعية , مثال إنشطار نوى اليورانيوم 235 إلى السيزيوم 140 والروبيديوم 93
( U235 + n1 ---------------> Cs140 + Rb93 + energy + ( Rays
طاقة تفاعل الإنشطار النووي ( Fission Reaction )
أدى اكتشاف النيترون إلى ظهور اتجاه جديد في الأبحاث النووية , حيث يترافق إمتصاص النيترون من قبل معظم نويات العناصر إلى ما يسمى بالأسر الإشعاعي , وعندها تنطلق طاقة التهييج على شكل أشعة غاما γ .
ويلاحظ في عدد من العناصر الثقيلة وخاصة اليورانيوم والبلوتونيوم ظاهرة أخرى وهي انشطار النواة إلى شظيتين وتدعى هذه العملية بانشطار النواة , ويرافق عملية الإنشطار هذه انطلاق طاقة تقدر بـ 200 ميغا إلكترون فولت لكل انقسام نواة , وقد أظهرت عملية انشطار اليورانيوم أن النيوترونات الحرارية تشطر اليورانيوم 235 فقط , بينما يمتص اليورانيوم 238 الأثقل النيترونات الحرارية دون انشطار , وتعمل النيترونات الحرارية على شطر نويات البلوتونيوم 239 وكذلك اليورانيوم 233 أيضاً .
ونوضح فيما يلي الآلية التي تتم فيها عملية انشطار نواة اليورانيوم 235
حيث يتم في المرحلة الأولى :
اقتراب النيترون من نواة اليورانيوم 235
وفي المرحلة الثانية :
تتشكل نواة اليورانيوم 236 المتهيجة , وهنا عند امتصاص النيترون من قبل النواة تنتشر طاقة التهيج ( Eex ) والتي هي حاصل جمع طاقة ربط النيترون بالنواة( Enb ) وطاقة النيترون الحركية ( Env ) أي : ( Eex = Enb + Env ) , وتتميز نواة اليورانيوم 235 بأنها من أجل طاقة حركية ضعيفة جداً للنيترون فإن ( 0 = Env ) تكون طاقة ربط النيترون أكبر بكثير من القيمة الحدية ( العتبة ) وتدعى عندها الطاقة الفعالة أو طاقة التنشيط .
وب يمكن تعريف الطاقة الفعالة ( طاقة التنشيط ) أو الحد الكموني للتفاعل : وهي عبارة عن الطاقة الضرورية المكتسبة من قبل نواة اليورانيوم والتي تعاكس عمل القوى النووية وتؤدي ب إلى شطر النواة إلى شطرين أو شظيتين وتأتي هذه الطاقة من النيترون المقذوف على النواة والذي يتمتع بطاقة حركية ( 0 = Env ) .
أما في المرحلة الثالثة :
تؤدي طاقة التهيج في المرحلة الثانية للتفاعل إلى تشوه النواة وتطاولها , ثم تمر النواة في حركة اهتزازية ( شبيهة بقطرة ماء ) , ونتيجة لذلك تتغلب قوى التدافع الإلكتروستاتيكي ( الكهرباء الساكنة ) للشحنات الموجبة للبروتونات في النواة على قوى التجاذب النووي وهذا بدوره يؤدي إلى انشطار النواة .
وفي المرحلة الرابعة :
تظـهر شـظايا الإنشطار النووي وهي تحتوي على معظم الكتلة الأسـاسـية للنواة وتتضمن هذه الشـظايا القسـم الأكبر من الطـاقة المنطلقة ( 166 ميغا إلكـترون فولت من الطـاقة الكليـة 200 ميـغا إلكـترون فولت ) , وهذه هي طاقتها الحركية .ويظـهر أيضاً أشـعة غاما الكونية وإثنان من النيترونات n التي تنطلق من عملية انشـطار النواة , ويمكن لهذه النيترونات المنـطلقة أن تؤدي إلى انشطار نويات جديدة من اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم 239 فيما يعرف بتفاعلات الإنشطار النووي المتسلسلة .
وتتوزع الطاقة المتحررة نتيجة انقسـام النواة بين الأشكال المختلفة من الشظايا والجسيمات على الشكل :
ـ الطاقة الحركية لشظايا الإنشـطار --------------------- 166 Mev
ـ النيتـرونات ------------------------------------------- 5 Mev
ـ أشـعة غاما γ اللحظية --------------------------------- 7 Mev
ـ أشعة غاما γ لنواتج الإنشطار ------------------------- 7 Mev
ـ طاقة جسيمات بيتا ----------------------------------- 5 Mev
ـ نيترينو ----------------------------------------------- 10 Mev
__________________________________________________ __________
Mev
تفاعلات الإنشطار النووي المتسلسل ( Chain Fission Reaction )
قام العالم الأمريكي من أصل إيطالي وهو ( إنريكو فيرمي ) في عام 1934 بقذف اليورانيوم بالنيترونات وهو يتوقع أنه سيحصل على نظير آخر لليورانيوم , حيث إن اليورانيوم هو آخر العناصر الطبيعية في الجدول الدوري . وظن أن الناتج هو عنصر صنعي جديد يحمل الرقم الذري 93 أو 94 , ولكن التحاليل لم تبين ذلك , وكانت الحيرة بالغة لفترة ما حتى قام بحلها عالمان ألمانيان هما ( هان وسترتسمان ) عندما تبينا وجود أحد نظائر الباريوم ( Ba ) ذي الرقم الذري 56 ونظير الكريبتون ( Kr ) ذي الرقم الذري 36 , وهو من الغازات الخاملة في نواتج التفاعل .
وبعد التدقيق والأخذ بعين الإعتبار أن مجموع كل من العدد الذري للباريوم والكريبتون هو 92 وهو العدد الذري لليورانيوم , بيينا أن الذي حدث بالفعل هو أن نواة اليورانيوم قد انشطرت إلى شطرين وتوزعت بروتوناتها على هذين الشطرين فحصل أحدهما على 56 بروتون فكان الباريوم وحصل الآخر على 36 بروتون فكان الكريبتون , وأن مقدار الطاقة المنطلقة من هذا التفاعل أكبر من التفاعلات النووية الأخرى , والأهم من هذا كله أن هذا التفاعل يحمل في طياته إمكانية جعله تفاعلاً متسلسلاً , إذاً فقد أصبح اليورانيوم يشكل مشروع وقود نووي .
فما هو الأمر الذي يجعل من تفاعل الإنشطار النووي تفاعلاً متسلسلاً ( أي مستمراً ) ؟
سبق أن بيّنت في مشاركة سابقة بعنوان ( المادة من وجهة نظر علم الكيمياء ) أن عدد النيوترونات في النواة يتزايد مع تزايد الرقم الذري للعنصر حتى نصل إلى اليورانيوم ( وهنا سنسمي عدد النيوترونات الذي يزيد عن عدد البروتونات في أي نواة بالنيوترونات الزائدة , فنجد أنه في نواة ذرة اليورانيوم 235 يوجد 92 بروتون و 143 نيوترون , أي يوجد 51 نيوترون زائدة أي حوالي 55 % من الرقم الذري .
فما علاقة هذه النيوترونات الزائدة في تفاعلات الإنشطار النووي المتسلسل ؟
إن إنشطار نواة اليورانيوم يؤدي إلى تكوين شطرين يحتويان على نيوترونات زائدة بنسبة تقل عن 55 % , أي أن مجموع ما يحصل عليه الشطرين الناتجين من النيوترونات حتى الإشباع أقل من 143 نيوترون بـ 2إلى 3 نيوترونات وهذه النيوترونات تبقى حرة , تسمى هذه النيوترونات الحرة ( بنيوترونات الإنشطار أو النيترونات الحرارية ) , فإذا كانت الظروف ملائمة سيقوم كل نيوترون بإحداث تفاعل انشطاري آخر في أنوية مجاورة أخرى من اليورانيوم وب سينتج عن هذه الإنشطارات الجديدة أيضاً نيوترونات حرة أخرى ستقوم أيضاً بشطر نوى يورانيوم أخرى وهكذا دواليك حتى نفاذ كمية اليورانيوم , ويصبح تفاعل الإنشطار متسلسلاً ومتسارعاً بشكل كبير خلال زمن قصير جداً مع انطلاق طاقة هائلة وإذا لم تكن هناك وسيلة للتحكم فيه فيمكن أن يصل إلى مرحلة الإنفجار وهذا ما يحصل في القنبلة النووية , ومن هذه الخاصية التي تميز التفاعلات النووية الإنشطارية المتسلسلة كان السعي الدؤوب لإيجاد الوسيلة للتحكم بالتفاعل المتسلسل حتى لا يتسارع ويصل إلى مرحلة الإنفجار , وكذلك إيجاد وسيلة تستطيع وقف التفاعل إذا ما استدعت الضرورة لذلك الأمر الذي اقتضى من علماء الفيزياء النووية إختراع وتطوير تكنولوجيا نووية فيما يعرف الآن باسم المفاعلات النووية
وهوإنشطار نواة ذرة مادة الوقود النووي ( نوى الذرات الثقيلة ) لكي تعطي نواتين مجموع كتلتيهما أقل من كتلة نواة الذرة الأم المنشطرة ويتحول الفرق بين كتلة المادة المنشطرة وكتلة نواتج الإنشـــطار ( مقدار نقص الكتلة ) إلى طاقة حرارية وطاقة إشعاعية , مثال إنشطار نوى اليورانيوم 235 إلى السيزيوم 140 والروبيديوم 93
( U235 + n1 ---------------> Cs140 + Rb93 + energy + ( Rays
طاقة تفاعل الإنشطار النووي ( Fission Reaction )
أدى اكتشاف النيترون إلى ظهور اتجاه جديد في الأبحاث النووية , حيث يترافق إمتصاص النيترون من قبل معظم نويات العناصر إلى ما يسمى بالأسر الإشعاعي , وعندها تنطلق طاقة التهييج على شكل أشعة غاما γ .
ويلاحظ في عدد من العناصر الثقيلة وخاصة اليورانيوم والبلوتونيوم ظاهرة أخرى وهي انشطار النواة إلى شظيتين وتدعى هذه العملية بانشطار النواة , ويرافق عملية الإنشطار هذه انطلاق طاقة تقدر بـ 200 ميغا إلكترون فولت لكل انقسام نواة , وقد أظهرت عملية انشطار اليورانيوم أن النيوترونات الحرارية تشطر اليورانيوم 235 فقط , بينما يمتص اليورانيوم 238 الأثقل النيترونات الحرارية دون انشطار , وتعمل النيترونات الحرارية على شطر نويات البلوتونيوم 239 وكذلك اليورانيوم 233 أيضاً .
ونوضح فيما يلي الآلية التي تتم فيها عملية انشطار نواة اليورانيوم 235
حيث يتم في المرحلة الأولى :
اقتراب النيترون من نواة اليورانيوم 235
وفي المرحلة الثانية :
تتشكل نواة اليورانيوم 236 المتهيجة , وهنا عند امتصاص النيترون من قبل النواة تنتشر طاقة التهيج ( Eex ) والتي هي حاصل جمع طاقة ربط النيترون بالنواة( Enb ) وطاقة النيترون الحركية ( Env ) أي : ( Eex = Enb + Env ) , وتتميز نواة اليورانيوم 235 بأنها من أجل طاقة حركية ضعيفة جداً للنيترون فإن ( 0 = Env ) تكون طاقة ربط النيترون أكبر بكثير من القيمة الحدية ( العتبة ) وتدعى عندها الطاقة الفعالة أو طاقة التنشيط .
وب يمكن تعريف الطاقة الفعالة ( طاقة التنشيط ) أو الحد الكموني للتفاعل : وهي عبارة عن الطاقة الضرورية المكتسبة من قبل نواة اليورانيوم والتي تعاكس عمل القوى النووية وتؤدي ب إلى شطر النواة إلى شطرين أو شظيتين وتأتي هذه الطاقة من النيترون المقذوف على النواة والذي يتمتع بطاقة حركية ( 0 = Env ) .
أما في المرحلة الثالثة :
تؤدي طاقة التهيج في المرحلة الثانية للتفاعل إلى تشوه النواة وتطاولها , ثم تمر النواة في حركة اهتزازية ( شبيهة بقطرة ماء ) , ونتيجة لذلك تتغلب قوى التدافع الإلكتروستاتيكي ( الكهرباء الساكنة ) للشحنات الموجبة للبروتونات في النواة على قوى التجاذب النووي وهذا بدوره يؤدي إلى انشطار النواة .
وفي المرحلة الرابعة :
تظـهر شـظايا الإنشطار النووي وهي تحتوي على معظم الكتلة الأسـاسـية للنواة وتتضمن هذه الشـظايا القسـم الأكبر من الطـاقة المنطلقة ( 166 ميغا إلكـترون فولت من الطـاقة الكليـة 200 ميـغا إلكـترون فولت ) , وهذه هي طاقتها الحركية .ويظـهر أيضاً أشـعة غاما الكونية وإثنان من النيترونات n التي تنطلق من عملية انشـطار النواة , ويمكن لهذه النيترونات المنـطلقة أن تؤدي إلى انشطار نويات جديدة من اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم 239 فيما يعرف بتفاعلات الإنشطار النووي المتسلسلة .
وتتوزع الطاقة المتحررة نتيجة انقسـام النواة بين الأشكال المختلفة من الشظايا والجسيمات على الشكل :
ـ الطاقة الحركية لشظايا الإنشـطار --------------------- 166 Mev
ـ النيتـرونات ------------------------------------------- 5 Mev
ـ أشـعة غاما γ اللحظية --------------------------------- 7 Mev
ـ أشعة غاما γ لنواتج الإنشطار ------------------------- 7 Mev
ـ طاقة جسيمات بيتا ----------------------------------- 5 Mev
ـ نيترينو ----------------------------------------------- 10 Mev
__________________________________________________ __________
Mev
تفاعلات الإنشطار النووي المتسلسل ( Chain Fission Reaction )
قام العالم الأمريكي من أصل إيطالي وهو ( إنريكو فيرمي ) في عام 1934 بقذف اليورانيوم بالنيترونات وهو يتوقع أنه سيحصل على نظير آخر لليورانيوم , حيث إن اليورانيوم هو آخر العناصر الطبيعية في الجدول الدوري . وظن أن الناتج هو عنصر صنعي جديد يحمل الرقم الذري 93 أو 94 , ولكن التحاليل لم تبين ذلك , وكانت الحيرة بالغة لفترة ما حتى قام بحلها عالمان ألمانيان هما ( هان وسترتسمان ) عندما تبينا وجود أحد نظائر الباريوم ( Ba ) ذي الرقم الذري 56 ونظير الكريبتون ( Kr ) ذي الرقم الذري 36 , وهو من الغازات الخاملة في نواتج التفاعل .
وبعد التدقيق والأخذ بعين الإعتبار أن مجموع كل من العدد الذري للباريوم والكريبتون هو 92 وهو العدد الذري لليورانيوم , بيينا أن الذي حدث بالفعل هو أن نواة اليورانيوم قد انشطرت إلى شطرين وتوزعت بروتوناتها على هذين الشطرين فحصل أحدهما على 56 بروتون فكان الباريوم وحصل الآخر على 36 بروتون فكان الكريبتون , وأن مقدار الطاقة المنطلقة من هذا التفاعل أكبر من التفاعلات النووية الأخرى , والأهم من هذا كله أن هذا التفاعل يحمل في طياته إمكانية جعله تفاعلاً متسلسلاً , إذاً فقد أصبح اليورانيوم يشكل مشروع وقود نووي .
فما هو الأمر الذي يجعل من تفاعل الإنشطار النووي تفاعلاً متسلسلاً ( أي مستمراً ) ؟
سبق أن بيّنت في مشاركة سابقة بعنوان ( المادة من وجهة نظر علم الكيمياء ) أن عدد النيوترونات في النواة يتزايد مع تزايد الرقم الذري للعنصر حتى نصل إلى اليورانيوم ( وهنا سنسمي عدد النيوترونات الذي يزيد عن عدد البروتونات في أي نواة بالنيوترونات الزائدة , فنجد أنه في نواة ذرة اليورانيوم 235 يوجد 92 بروتون و 143 نيوترون , أي يوجد 51 نيوترون زائدة أي حوالي 55 % من الرقم الذري .
فما علاقة هذه النيوترونات الزائدة في تفاعلات الإنشطار النووي المتسلسل ؟
إن إنشطار نواة اليورانيوم يؤدي إلى تكوين شطرين يحتويان على نيوترونات زائدة بنسبة تقل عن 55 % , أي أن مجموع ما يحصل عليه الشطرين الناتجين من النيوترونات حتى الإشباع أقل من 143 نيوترون بـ 2إلى 3 نيوترونات وهذه النيوترونات تبقى حرة , تسمى هذه النيوترونات الحرة ( بنيوترونات الإنشطار أو النيترونات الحرارية ) , فإذا كانت الظروف ملائمة سيقوم كل نيوترون بإحداث تفاعل انشطاري آخر في أنوية مجاورة أخرى من اليورانيوم وب سينتج عن هذه الإنشطارات الجديدة أيضاً نيوترونات حرة أخرى ستقوم أيضاً بشطر نوى يورانيوم أخرى وهكذا دواليك حتى نفاذ كمية اليورانيوم , ويصبح تفاعل الإنشطار متسلسلاً ومتسارعاً بشكل كبير خلال زمن قصير جداً مع انطلاق طاقة هائلة وإذا لم تكن هناك وسيلة للتحكم فيه فيمكن أن يصل إلى مرحلة الإنفجار وهذا ما يحصل في القنبلة النووية , ومن هذه الخاصية التي تميز التفاعلات النووية الإنشطارية المتسلسلة كان السعي الدؤوب لإيجاد الوسيلة للتحكم بالتفاعل المتسلسل حتى لا يتسارع ويصل إلى مرحلة الإنفجار , وكذلك إيجاد وسيلة تستطيع وقف التفاعل إذا ما استدعت الضرورة لذلك الأمر الذي اقتضى من علماء الفيزياء النووية إختراع وتطوير تكنولوجيا نووية فيما يعرف الآن باسم المفاعلات النووية