التفاعلات النووية الانشطار النووي الاندماج الانصهار النووي

التفاعلات النووية

الإشعاعات النووية هي جزء من التفاعلات النووية , فالإشعاعات النووية هي نتيجة لعدم استقرار النواة , واستقرار النواة ليس أمرا مطلقا , فهناك نواة مستقرة قد تتحول إلى نواة غير مستقرة نتيجة لامتصاصها طاقة أو ارتطامها بجسيم , فتتفكك النواة لتعطى إشعاعات كهرومغناطيسية أو جسيمية .وبشكل عام يوجد أربعة أنواع من التفاعلات النووية :

1. الاضمحلال : وفيه تتحول النواة غير المستقرة بطبيعتها إلى نواة أكثر استقرارا نتيجة النشاط الإشعاعي الذي هو عبارة عن إصدار جسيمات ألفا أو إصدار جسيمات بيتا و أشعة جاما .

2. الانحلال : إذا قذفت النواة بدقائق ألفا أو البروتونات أو النيوترونات أصبحت نواة غير مستقرة مما يجعلها تصدر بروتونا أو نيوترونا أو جسيم ألفا من أجل أن تتحول إلى نواة أكثر استقرارا .

3. الانشطار : تنشطر النوى الثقيلة جدا عند قذفها بجسيم مثل النيوترون لتعطى نوى متوسطة أكثر ثباتا وتسمى العملية بالانشطار النووي .

4.   الاندماج ( الالتحام) : تندمج نوى خفيفة لتولد نواة أثقل .

إلا أن هناك نوعان رئيسيان للتفاعلات النووية هما الأكثر حدوثا وهما ( الانشطار النووي – الاندماج النووي ) وهذه نبذة عن كل منهما :

الانشطار النووي :

تعتبر مصادر الطاقة النووية أحد الخيارات المهمة المطروحة أمام العالم اليوم وذلك بسبب كمية الطاقة الهائلة التي يمكن أن نحصل عليها من الوقود النووي القليل الذي يستهلك , إلا أن الخطر الذي يرافق إنتاج مثل هذه الطاقة .ولعلك تذكر التسرب النووي الذي حدث من المفاعل النووي (تشيرنوبل) في روسيا عام 1406هـ والذي خلف تلوثا للبيئة بالإشعاعات النووية ونتج عن ذلك إصابة الكثير من السكان بأمراض مختلفة .

والتفاعل النووي الذي يحدث في مثل هذه الحالة هو الانشطار النووي حيث تقذف ذرات العنصر المستخدم كوقود نووي مثل نظير اليورانيوم ²³⁵₉₂ U بقذائف من النيوترونات فتنشطر النواة إلى نواتين أو أكثر ويرافق هذا الانشطار انبعاث قدر كبير من الطاقة وعدد من النيوترونات الحرة .

وهذه النيوترونات التي تحرر تصطدم بذرات أخرى من ذرات الوقود النووي فتنشطر هي الأخرى فيستمر التفاعل (الانشطار) وبشكل متزايد , ولهذا يسمى مثل هذا التفاعل بالتفاعل المتسلسل شكل (12-3) , وعملية التسلسل في التفاعل تجعل مقدار الطاقة الناتجة عن التفاعل تصل لحد هائل لايمكن السيطرة عله مما يؤدي إلى انفجار المفاعل النووي وهذا مايحدث في القنبلة النووية , أما في المفاعلات النووية المستخدمة لتوليد الكهرباء أو تحريك السفن الضخمة أو غيرها فإنه لابد أن يحتوى المفاعل النووي على وسائل للسيطرة على سرعة التفاعل , وذلك لجعل الانشطار يحدث بمعدل ثابت عندما يصل مقدار الطاقة إلى حد معين , والوسيلة المستخدمة في الغالب هي امتصاص جزء من النيوترونات الناتجة من الانشطار ومنعها من الاصطدام بذرات اليورانيوم , وبهذا نجعل عملية الانشطار تحدث بعملية منتظمة وليست متزايدة , ومن أجل امتصاص النيوترونات تستخدم عدة طرق من أهمها وضع قضبان ماصة للنيوترونات من مواد مناسبة مثل الكادميوم وهذه القضبان تتحرك تلقائيا إلى داخل المفاعل النووي بمجرد وصول درجة الحرارة داخله إلى حد معين وتقوم بامتصاص كمية من النيوترونات مما يؤدي إلى توقف نمو التفاعل .

وجدير بالذكر أن الطاقة الناتجة يمكن حسابها بمقارنة طاقة الربط النووية للنواة قبل انشطارها ومجموع طاقة الربط النووية للنواتين الناتجتين , حيث نلاحظ أن هناك فرقا بين الطاقتين هو الطاقة التي نحصل عليها من عملية الانشطار أو بمعنى أخر إن الطاقة لكل نيو كلون في النواة الثقيلة هي أكبر من الطاقة لكل نيو كلون في النواة الخفيفة .

للإطلاع فقط :

للتقريب فإن عملية الانشطار النووي المتسلسل تشبه احتراق قطعة من الخشب حيث إن احتراق قطعة الخشب هو عبارة عن اتحاد بين الأكسجين ومادة الخشب وعلى الرغم من توفر الأكسجين فإن التفاعل بينهما لا يحدث عند درجة حرارة الغرفة ولكن يبدأ بواسطة مساعد خارجي مثل شعلة صغيرة من النار , وبمجرد أن يبدأ التفاعل فإنه ينتج من الحرارة ما يكفي لأن يظل التفاعل (الاحتراق) مستمرا حتى تنتهي قطعة الخشب , وحتى لا تشتعل النار في جميع الخشب مرة واحدة فإن هناك عدة وسائل لجعل الخشب يحترق بشكل تدريجي مثل تقليل الأكسجين أو تبريد الخشب عن طريق رشه بالماء أو وضع الخشب على دفعات .

طريقة عمل قضبان الكادميوم للسيطرة على سرعة التفاعل :

تكون قضبان الكادميوم عادة متصلة بمحركات تعمل تلقائيا عند وصول درجة حرارة التفاعل إلى درجة معينة ويكون للمحرك حركتان إحداهما دفع القضبان إلى داخل المفاعل عند وصول درجة حرارة المفاعل إلى درجة حرارة قصوى وذلك لمنع استمرار تزايد الحرارة ومن ثم انفجار المفاعل , أما الحركة الثانية فهي سحب القضبان من داخل المفاعل وذلك عند انخفاض درجة حرارة المفاعل وإلى درجة حرارة دنيا , وذلك لمنع استمرارا انخفاض درجة حرارة المفاعل , ومن ثم انخفاض الطاقة التي يولدها .

مثال لتفاعل انشطاري :

عند قذف نواة نظير اليورانيوم بنيوترون مسرع فإن نواة اليورانيوم تنشطر إلى نواتين , ولكن النواتين الناتجتين ليستا محددتين بحيث يمكن التنبؤ بهما فهناك عدة احتمالات للمواد الناتجة منها وهي كما يلي :

الاندماج ( الانصهار)  النووي :

الاندماج النووي عملية معاكسة للانشطار النووي تماما , حيث أنه في عملية الاندماج النووي تتحد نواتان خفيفتان لتكونا نواة جديدة . إلا أن عملية الاندماج ليست ممكنة في جميع العناصر , حيث تحدث في العناصر التي يكون فيها مجموع طاقة الربط للنواتين قبل الاندماج أكبر من طاقة الربط للنواة الناتجة من الاندماج فيتم بذلك الاستفادة من الفرق في الطاقة .

ويعتبر الاندماج النووي أقل خطرا من الانشطار النووي بسبب عدم وجود الإشعاعات النووية في هذا التفاعل , إلا أن إرادة الله جعلت الاندماج النووي أكثر صعوبة حيث تعمل الشحنة التي تحملها كل نواة على منع الاندماج عكس ما يحدث في عملية الانشطار .

ومن أجل حدوث الاندماج النووي لابد من توفر طاقة كبيرة من أجل التغلب على قوة التنافر الكهربائي بين النواتين وتقريبهما من بعضهما ليتاح لقوى الترابط النووية أن تعمل , وهذه الطاقة اللازمة لبدء التفاعل لا يمكن الحصول عليها بطريقة تقليدية حيث تصل إلى 10 ¹⁰ درجة كالفن , ولذلك يستعان بالتفاعل الانشطاري لكي يحدث التفاعل الاندماجي كما في القنبلة الهيدروجينية , حيث يوضع بها قنبلة صغيرة انشطارية تكفي الطاقة الناتجة عنها لحدوث تفاعل اندماجي بين ذرات نظير الهيدروجين والتي هي من مكونات القنبلة الهيدروجينية , وجدير بالذكر أن الطاقة الناتجة عن اندماج نواتين هي أكبر كثير من الطاقة اللازمة لإحداث هذا الاندماج .

وحتى وقت الحاضر لا تواجد استفادة من التفاعل الاندماجي للأغراض السلمية للسبب الذي ذكرناه سابقا , إلا أن الأبحاث تجري بشكل جاد في إيجاد السبل المناسبة لإنتاج الطاقة والتحكم بها بواسطة التفاعل الاندماجي و ولعلك قد قرأت سابقا أن مثل هذا النوع من التفاعل هو الذي يمد سطح الأرض بما تحتاج إليه من الطاقة حيث يحدث مثل هذا التفاعل على سطح الشمس بين ذرات نظير الهيدروجين H  (الديتريوم) على الشكل التالي :

²₁H + ²₁H                        ⁴₂H