الرئيسية
أحدث الصور
المختار
الأنشطار النووي هي عملية انشطار نواة ذرة ما إلى قسمين أو أكثر ويتحول بهذه العملية مادة معينة إلى مواد أخرى وينتج عن عملية الأنشطار هذه نيوترونات وفوتونات عالية الطاقة(بالاخص اشعة جاما) ودقائق نووية مثل جسيمات ألفا وأشعة بيتا. يؤدي انشطار العناصر الثقيلة إلى تولد كميات ضخمة من الطاقة الحرارية والإشعاعية.
تستعمل عملية الأنشطار النووي في إنتاج الطاقة الكهربائية في المفاعلات النووية كما تستعمل لإنتاج الأسلحة النووية. ومن الموادالنووية الانشطارية الهامة والتي تستخدم كثيرا في المفاعلات الذرية مادتي اليورانيوم-235 وبلوتونيوم-239. والتي هي عماد الوقود النووي. وفي الوقود النووي يتم ما يسمى بالتفاعل المتسلسل حيث يصتدم نيوترونا مع نواة ذرة اليورانيوم-235 فتنقسم إلى قسمين ويصاحب هذا الانقسام انطلاق عددا من النيوترونات
يقدر ب 2و5 نيوترونا في المتوسط. ويمكن لتلك النيوترونات الناتجة أن تصتدم
بأنوية أخرى من اليورانيوم-235 وتتفاعل معها وتعمل على انشطارها. بذلك
يزيد معدل التفاعل زيادة تسلسلي قد يؤدي إلى الانفجار إذا لم ننجح في
ترويضه والتحكم فيه.
وفي المفاعلات النووية التي تستخدم لإنتاج الطاقة الكهربائية يُستعمل اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239 بنسبة 5و3 % في مخلوط أكسيد اليورانيوم لإنتاج الطاقة. ويحتاج مفاعل نووي كبير يعمل بقدرة 1000 ميجاوات إلى نحو 100 طن
من أكسيد اليورانيوم تكفيه لمدة ثلاثة سنوات. إلا أن الطريقة الاقتصادية
لتشغيل المفاعل النووي تتطلب إيقاف تشعيل المفاعل كل سنة لمدة عدة أسابيع،
تجري خلالها أستبدال ثلث كمية الوقود النووي المستهلك بوقود جديد، وكذلك
لإجراء أعمال الصيانة والتفتيش عن أي خلل قد يحدث زمعالجة الخلل.
[عدل] تاريخ اكتشاف الانشطار النووي
هذه هي المنضدة التي كان يجري اتو هان عليها ابحاثه مع زملائه ليزا مايتنر
وفرسيتس شتراسمان عام 1938، وهي معروضة الآن بالمتحف الألماني في ميونيخ
انشطار اليورانيوم-235,Uran235. ينتج عن الانشطار طاقة قدرها 200 مليون إلكترون فولت.
كان إنريكو فيرمي أول من قام بتصويب النيوترونات على اليورانيوم عام 1934 ولكنه لم ينجح في تفسير النتائج. وقام العالم الكيميائي الألماني أوتو هان وزميلته ليز مايتنر وزميلهما شتراسمان
بتلك الأبحاث وقاموا بتحليل المواد الناتجة عن التفاعل. وكانت مفاجأة لم
يستطيعوا أولا تفسيرها إذ أنهم وجدوا عناصر جديدة تكونت من خلال التفاعل.
وكان أن أعادوا التجربة باستخدام يورانيوم عالى النقاوة، فكانت النتيجة هي
ما وجدوه من قبل وتكوّن عنصر الباريوم. والباريوم عدده الذري تقريبا نصف العدد الذري لليورانيوم. كان ذلك عام 1938 وبعدها بدأت الحرب العالمية الثانية
واضطرت ليزا مايتنر مغادرة ألمانيا نظرا لاضطهاد النازية لليهود. وسافرت
ليزا إلى السويد حيث كان أحد أقربائها يعمل هناك وهو روبرت فريتش. وقصت
عليه نتائج تجربة اليورانيوم.
وفي مطلع عام 1939 فطن أتوهان وشتراسمان إلى تفسير التفاعل الذي حدث
وانه انشطار لنواة ذرة اليورانيوم وتكون الباريوم ونشر نتيجة ابحاثه في
المجلة العلمية. وفي نقس الوقت استطاعت مايتنر بمساعدة فريتش على تفسير
تجربة اليورانيوم بأنها انشطار نووي ن واستطاعا الإثنان تكملة التفسير بأنه
من خلال أنقسام نواة اليورانيوم يحدث فقدا في الكتلة بين وزن اليورانيوم
ووزن الباريوم والمنتجات الأخرى الناتجة عن الانقسام، وقدرا تلك الكتلة
بأنها نحو 1/5 من كتلة البروتون،
أي أن طاقة تقدر بنحو 200 MeV تتحرر من كل انقسام. وهي طاقة بالغة للغاية.
وسافرا الأثنان بعد ذلك إلى الولايات المتحدة واجتمعا مع أينشتاين وقصا
عليه نتيجة أبحاثهما.
وكانت مجموعة من العلماء تعمل في فرنسا تحت رئاسة فريدريك كوري زوج ماري كوري- مكتشفة البولونيوم
- واكتشفوا أنه خلال انشطار نواة اليورانيوم ينطلق عدد من البيوترونات
قدروه 5و3 في المتوسط إلا أنهم عدّلوا ذلك العدد إلى 6و2 نيوترونات في
المتوسط لكل انشطار فيما بعد.
ولما عرف أينشتاين وزميله زيلارد بأمريكا نتائج مايتنر وفريتش بالإضافة
إلي نتائج المجموعة الفرنسية عن النيوترونات المصاحبة للانشطار قام
أينشتاين وزيلارد بتوجيه خطابا إلى الرئيس الأمريكي آنذاك روزفيلت
يعرفوه بتلك النتائج العلمية الخطيرة والتحذير من إمكانية سعي الألمان
باستغلال تلك المعلومات لصنع قنبلة ذرية يكون لها مفعولا فظيعا، خصوصا وأن
الحرب قد بدأت في أوروبا بهجوم الألمان على بولندا. ووصل خطاب أينشتاين
وزيلاد إلى الرئيس الأمريكي في يناير 1939.
قامت الحكومة الأمريكية في البدء بتشجيع الأبحاث النووية، وقام إنريكو فيرمي وكان يعمل في جامعة شيكاغو آنذاك ببناء أول كومة ذرية مكونة من اليورانيوم والجرافيت، واختار الجرافيت كمهدئ لسرعة النيوترونات، ونجح في توصيل الكومة الذرية إلى الحالة الحرجة، وكان ذلك في ديسمبر عام 1942.
ثم دخلت الولايات المتحدة الحرب وكان هناك خوفا كبيرا من أن يركز الألمان بحوثهم لصناعة قنبلة ذرية، فبدأت الولايات المتحدة مشروع مانهاتن عام 1942 بغرض إنتاج السلاح النووي وعينت اوبنهايمر
لرئاسة المشروع ،وجمع أوبنهايمر العلماء من جميع أنحاء البلاد للتركيز على
ذلك العمل وكان العمل يسير بتكتم شديد. واتضح أن صناعة القنبلة الذرية
يحتاج إلى اليورانيوم-235 عالى النقاوة، كما توصلوا إلى أن عنصر
البلوتونيوم-239 وهو من منتجات الكومة الذرية التي بناها فيرمي في جامعة
شيكاغو له نفس خواص اليورانيوم-235، فعزم العاملون في مشروع مانهاتن على
اتباع الطريقتين في نفس الوقت لضمان التوصل إلى صنع القنبلة. وكان أن قاموا
بمشروع لتخصيب اليورانيومخ235 وفصله عن اليورانيوم-238، وقاموا في نفس
الوقت بتوليد البلوتونيوم-239 في مفاعل نووي بنوه لذلك الغرض. وادت تلك
المجهودات إلى إنتاج قنبلتي هيروشيما ونجازاكي التي ألقيتا من الجو على اليابان في 6 أغسطس و 11 اغسطس 1945، واستسلمت على أثرهما اليابان وأنهت الحرب مع أمريكا.
[عدل] تفاصيل تفاعل االانشطار النووي
تفاعل الانشطار النووي لليورانيوم-235 بواسطة النيوترون.
يختلف الانشطار النووي عن عملية التحلل الإشعاعي من ناحية انه يمكن السيطرة على عملية الأنشطار النووي خارجيا. تقوم النيوترونات
الحرة الناتجة من كل عملية انشطار وهي في المتوسط 5و2 نيوترونا، بالتفاعل
مع اليورانيوم أو البلوتونيوم وتتسبب في انشطارها. وهذا بالتالى يؤدي إلى
تحرير نيوترونات أخرى. وتستمر هذه السلسلة من التفاعلات التي تسمى تفاعل متسلسل.
يطلق على نظائر عناصر كيميائية لها القدرة على تحمل هذه السلسلة الطويلة من الأنشطارات النووية اسم الوقود النووي. من أكثر أنواع الوقود النووي استعمالا هي اليورانيوم ذو كتلة ذرية رقم 235 (يورانيوم-235) وبلوتونيوم ذو كتلة ذرية رقم 239 (بلوتونيوم-239)، هذين العنصرين ينشطران بصورة بطيئة جدا تحت الظروف الطبيعية التي تسمى ب الانشطار التلقائي وتاخذ هذة العملية التلقائية ما يقارب 550 مليون سنة عمر النصف لليورانيوم. أما في المفاعل النووي فتجمع كمية من الوقود النووي فوق الكتلة الحرجة ويجري التحكم فيها بواسطة قضبان تتخللها من الكادميوم الماصة للنيوترونات. بذلك يمكن المحافظة على معدل سير التفاعل لإنتاج الطاقة ومنعه من الانفلات وأحداث الدمار.
[عدل] نواتج الانشطار
ينتج عن انشطار نواة اليورانيوم نواتين صغيرتين في أغلب التفاعلات ، كما
من الممكن أن ينتج عن الانشطار أكثر من نواتين . وقد تكون "أنصاف" نواة
اليورانيوم الناتجة زوجا من نوكليدات مختلفة . وغالبا ما تنتج نواة لها كتلة ذرية خفيفة نسبيا (نحو 90 ) مصحوبة بنواة ثقيلة ( كتلة ذرية
140) . ولذلك يبين منحنى توزيع الأنوية الناتجة عن الانشطار قمتين (توزيع
كتلة الأنوية الناتجة ) .ويبقى مجموع البروتونات والنيوترونات قبل التفاعل
وبعده ثابتا. وعل سبيل المثال نذكر هنا حالتين ممكنتان للانشطار النووي للبلوتونيوم-239 بواسطة امتصاصه لأحد النيوترونات :
توزيع الأنوية الناتجة عن الانشطار بحسب كتلهم الذرية A
نواتج الانشطار تكون أنوية ذرية متوسطة الكتلة ، وفي نفس الوقت غنية
بالنيوترونات . وهي لذلك عناصر غير مستقرة ويصدرون في العادة نيوترونات
زائدة عن مقدرتهم الاحتفاظ بها خلال عدة ثوان من بعد تكونهم ، وتكون لهم
أهمية في ضبط معدل التفاعل الجاري في مفاعل نووي . وتتحلل بعض تلك الأنوية الناتجة عن الانشطار عن طريق تحلل بيتا
إلى عناصر أخرى. و تحلل بيتا لا يغير من الكتلة الذرية وينتهي تحلل بيتا
المتتابع عند نواة مستقرة ، وقد تستغرق تحللات بيتا الأخيرة قرب الوصول إلى
العنظر المستقر أعمار النصف
طويلة على مدي مئات السنين أو آلاف السنين . ولمعرفة سلاسل نواتج تحلل
بيتا التالية للانشطار يمكن الرجوع إلى المصادر العلمية مثل : [1].
ينتج عن كل عملية انشطار قدر هائل من الطاقة يبلغ نحو 200 مليون إلكترون فولت تظهر في صورة حرارة وإشعاع ،و يمكن استغلال الحرارة لتوليد بخار ماء ، ومن بخار الماء توليد كهرباء وهذا ما يجري في مفاعل نووي .
[عدل]
تستعمل عملية الأنشطار النووي في إنتاج الطاقة الكهربائية في المفاعلات النووية كما تستعمل لإنتاج الأسلحة النووية. ومن الموادالنووية الانشطارية الهامة والتي تستخدم كثيرا في المفاعلات الذرية مادتي اليورانيوم-235 وبلوتونيوم-239. والتي هي عماد الوقود النووي. وفي الوقود النووي يتم ما يسمى بالتفاعل المتسلسل حيث يصتدم نيوترونا مع نواة ذرة اليورانيوم-235 فتنقسم إلى قسمين ويصاحب هذا الانقسام انطلاق عددا من النيوترونات
يقدر ب 2و5 نيوترونا في المتوسط. ويمكن لتلك النيوترونات الناتجة أن تصتدم
بأنوية أخرى من اليورانيوم-235 وتتفاعل معها وتعمل على انشطارها. بذلك
يزيد معدل التفاعل زيادة تسلسلي قد يؤدي إلى الانفجار إذا لم ننجح في
ترويضه والتحكم فيه.
وفي المفاعلات النووية التي تستخدم لإنتاج الطاقة الكهربائية يُستعمل اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239 بنسبة 5و3 % في مخلوط أكسيد اليورانيوم لإنتاج الطاقة. ويحتاج مفاعل نووي كبير يعمل بقدرة 1000 ميجاوات إلى نحو 100 طن
من أكسيد اليورانيوم تكفيه لمدة ثلاثة سنوات. إلا أن الطريقة الاقتصادية
لتشغيل المفاعل النووي تتطلب إيقاف تشعيل المفاعل كل سنة لمدة عدة أسابيع،
تجري خلالها أستبدال ثلث كمية الوقود النووي المستهلك بوقود جديد، وكذلك
لإجراء أعمال الصيانة والتفتيش عن أي خلل قد يحدث زمعالجة الخلل.
محتويات [أخف]
|
هذه هي المنضدة التي كان يجري اتو هان عليها ابحاثه مع زملائه ليزا مايتنر
وفرسيتس شتراسمان عام 1938، وهي معروضة الآن بالمتحف الألماني في ميونيخ
انشطار اليورانيوم-235,Uran235. ينتج عن الانشطار طاقة قدرها 200 مليون إلكترون فولت.
كان إنريكو فيرمي أول من قام بتصويب النيوترونات على اليورانيوم عام 1934 ولكنه لم ينجح في تفسير النتائج. وقام العالم الكيميائي الألماني أوتو هان وزميلته ليز مايتنر وزميلهما شتراسمان
بتلك الأبحاث وقاموا بتحليل المواد الناتجة عن التفاعل. وكانت مفاجأة لم
يستطيعوا أولا تفسيرها إذ أنهم وجدوا عناصر جديدة تكونت من خلال التفاعل.
وكان أن أعادوا التجربة باستخدام يورانيوم عالى النقاوة، فكانت النتيجة هي
ما وجدوه من قبل وتكوّن عنصر الباريوم. والباريوم عدده الذري تقريبا نصف العدد الذري لليورانيوم. كان ذلك عام 1938 وبعدها بدأت الحرب العالمية الثانية
واضطرت ليزا مايتنر مغادرة ألمانيا نظرا لاضطهاد النازية لليهود. وسافرت
ليزا إلى السويد حيث كان أحد أقربائها يعمل هناك وهو روبرت فريتش. وقصت
عليه نتائج تجربة اليورانيوم.
وفي مطلع عام 1939 فطن أتوهان وشتراسمان إلى تفسير التفاعل الذي حدث
وانه انشطار لنواة ذرة اليورانيوم وتكون الباريوم ونشر نتيجة ابحاثه في
المجلة العلمية. وفي نقس الوقت استطاعت مايتنر بمساعدة فريتش على تفسير
تجربة اليورانيوم بأنها انشطار نووي ن واستطاعا الإثنان تكملة التفسير بأنه
من خلال أنقسام نواة اليورانيوم يحدث فقدا في الكتلة بين وزن اليورانيوم
ووزن الباريوم والمنتجات الأخرى الناتجة عن الانقسام، وقدرا تلك الكتلة
بأنها نحو 1/5 من كتلة البروتون،
أي أن طاقة تقدر بنحو 200 MeV تتحرر من كل انقسام. وهي طاقة بالغة للغاية.
وسافرا الأثنان بعد ذلك إلى الولايات المتحدة واجتمعا مع أينشتاين وقصا
عليه نتيجة أبحاثهما.
وكانت مجموعة من العلماء تعمل في فرنسا تحت رئاسة فريدريك كوري زوج ماري كوري- مكتشفة البولونيوم
- واكتشفوا أنه خلال انشطار نواة اليورانيوم ينطلق عدد من البيوترونات
قدروه 5و3 في المتوسط إلا أنهم عدّلوا ذلك العدد إلى 6و2 نيوترونات في
المتوسط لكل انشطار فيما بعد.
ولما عرف أينشتاين وزميله زيلارد بأمريكا نتائج مايتنر وفريتش بالإضافة
إلي نتائج المجموعة الفرنسية عن النيوترونات المصاحبة للانشطار قام
أينشتاين وزيلارد بتوجيه خطابا إلى الرئيس الأمريكي آنذاك روزفيلت
يعرفوه بتلك النتائج العلمية الخطيرة والتحذير من إمكانية سعي الألمان
باستغلال تلك المعلومات لصنع قنبلة ذرية يكون لها مفعولا فظيعا، خصوصا وأن
الحرب قد بدأت في أوروبا بهجوم الألمان على بولندا. ووصل خطاب أينشتاين
وزيلاد إلى الرئيس الأمريكي في يناير 1939.
قامت الحكومة الأمريكية في البدء بتشجيع الأبحاث النووية، وقام إنريكو فيرمي وكان يعمل في جامعة شيكاغو آنذاك ببناء أول كومة ذرية مكونة من اليورانيوم والجرافيت، واختار الجرافيت كمهدئ لسرعة النيوترونات، ونجح في توصيل الكومة الذرية إلى الحالة الحرجة، وكان ذلك في ديسمبر عام 1942.
ثم دخلت الولايات المتحدة الحرب وكان هناك خوفا كبيرا من أن يركز الألمان بحوثهم لصناعة قنبلة ذرية، فبدأت الولايات المتحدة مشروع مانهاتن عام 1942 بغرض إنتاج السلاح النووي وعينت اوبنهايمر
لرئاسة المشروع ،وجمع أوبنهايمر العلماء من جميع أنحاء البلاد للتركيز على
ذلك العمل وكان العمل يسير بتكتم شديد. واتضح أن صناعة القنبلة الذرية
يحتاج إلى اليورانيوم-235 عالى النقاوة، كما توصلوا إلى أن عنصر
البلوتونيوم-239 وهو من منتجات الكومة الذرية التي بناها فيرمي في جامعة
شيكاغو له نفس خواص اليورانيوم-235، فعزم العاملون في مشروع مانهاتن على
اتباع الطريقتين في نفس الوقت لضمان التوصل إلى صنع القنبلة. وكان أن قاموا
بمشروع لتخصيب اليورانيومخ235 وفصله عن اليورانيوم-238، وقاموا في نفس
الوقت بتوليد البلوتونيوم-239 في مفاعل نووي بنوه لذلك الغرض. وادت تلك
المجهودات إلى إنتاج قنبلتي هيروشيما ونجازاكي التي ألقيتا من الجو على اليابان في 6 أغسطس و 11 اغسطس 1945، واستسلمت على أثرهما اليابان وأنهت الحرب مع أمريكا.
[عدل] تفاصيل تفاعل االانشطار النووي
تفاعل الانشطار النووي لليورانيوم-235 بواسطة النيوترون.
يختلف الانشطار النووي عن عملية التحلل الإشعاعي من ناحية انه يمكن السيطرة على عملية الأنشطار النووي خارجيا. تقوم النيوترونات
الحرة الناتجة من كل عملية انشطار وهي في المتوسط 5و2 نيوترونا، بالتفاعل
مع اليورانيوم أو البلوتونيوم وتتسبب في انشطارها. وهذا بالتالى يؤدي إلى
تحرير نيوترونات أخرى. وتستمر هذه السلسلة من التفاعلات التي تسمى تفاعل متسلسل.
يطلق على نظائر عناصر كيميائية لها القدرة على تحمل هذه السلسلة الطويلة من الأنشطارات النووية اسم الوقود النووي. من أكثر أنواع الوقود النووي استعمالا هي اليورانيوم ذو كتلة ذرية رقم 235 (يورانيوم-235) وبلوتونيوم ذو كتلة ذرية رقم 239 (بلوتونيوم-239)، هذين العنصرين ينشطران بصورة بطيئة جدا تحت الظروف الطبيعية التي تسمى ب الانشطار التلقائي وتاخذ هذة العملية التلقائية ما يقارب 550 مليون سنة عمر النصف لليورانيوم. أما في المفاعل النووي فتجمع كمية من الوقود النووي فوق الكتلة الحرجة ويجري التحكم فيها بواسطة قضبان تتخللها من الكادميوم الماصة للنيوترونات. بذلك يمكن المحافظة على معدل سير التفاعل لإنتاج الطاقة ومنعه من الانفلات وأحداث الدمار.
[عدل] نواتج الانشطار
ينتج عن انشطار نواة اليورانيوم نواتين صغيرتين في أغلب التفاعلات ، كما
من الممكن أن ينتج عن الانشطار أكثر من نواتين . وقد تكون "أنصاف" نواة
اليورانيوم الناتجة زوجا من نوكليدات مختلفة . وغالبا ما تنتج نواة لها كتلة ذرية خفيفة نسبيا (نحو 90 ) مصحوبة بنواة ثقيلة ( كتلة ذرية
140) . ولذلك يبين منحنى توزيع الأنوية الناتجة عن الانشطار قمتين (توزيع
كتلة الأنوية الناتجة ) .ويبقى مجموع البروتونات والنيوترونات قبل التفاعل
وبعده ثابتا. وعل سبيل المثال نذكر هنا حالتين ممكنتان للانشطار النووي للبلوتونيوم-239 بواسطة امتصاصه لأحد النيوترونات :
 |  |
توزيع الأنوية الناتجة عن الانشطار بحسب كتلهم الذرية A
نواتج الانشطار تكون أنوية ذرية متوسطة الكتلة ، وفي نفس الوقت غنية
بالنيوترونات . وهي لذلك عناصر غير مستقرة ويصدرون في العادة نيوترونات
زائدة عن مقدرتهم الاحتفاظ بها خلال عدة ثوان من بعد تكونهم ، وتكون لهم
أهمية في ضبط معدل التفاعل الجاري في مفاعل نووي . وتتحلل بعض تلك الأنوية الناتجة عن الانشطار عن طريق تحلل بيتا
إلى عناصر أخرى. و تحلل بيتا لا يغير من الكتلة الذرية وينتهي تحلل بيتا
المتتابع عند نواة مستقرة ، وقد تستغرق تحللات بيتا الأخيرة قرب الوصول إلى
العنظر المستقر أعمار النصف
طويلة على مدي مئات السنين أو آلاف السنين . ولمعرفة سلاسل نواتج تحلل
بيتا التالية للانشطار يمكن الرجوع إلى المصادر العلمية مثل : [1].
ينتج عن كل عملية انشطار قدر هائل من الطاقة يبلغ نحو 200 مليون إلكترون فولت تظهر في صورة حرارة وإشعاع ،و يمكن استغلال الحرارة لتوليد بخار ماء ، ومن بخار الماء توليد كهرباء وهذا ما يجري في مفاعل نووي .
[عدل]
