جدول المحتويات
كل شيء حولنا مكون من مليارات وأكثر من الذرات التي تعد من صغائر الموجودات لكن بعض العناصر في بيئتنا تتميز بذرات قابلة للانشطار والانقسام فكيف يتم انشطار الذرة وهل هذه العملية تؤثر على الطاقة المحيطة أم أن انقسامها مجرد حدث عابر لا نتيجة له فلنتعرف بداية على الانشطار النووي ثم استخداماته ونتائجه.
ما هو انشطار الذرة؟
الانشطار النووي هو عملية انقسام نواة ذرة ثقيلة إلى قسمين أو أكثر، وبهذه العملية يتحول عنصر معين إلى عنصر أخر وينتج عن عملية الانشطار نيوترونات وفوتونات عالية الطاقة (بالأخص أشعة غاما) وجسيمات نووية مثل جسيمات ألفا وأشعة بيتا، وبهذا يؤدي انشطار العناصر الثقيلة إلى تولد كميات ضخمة من الطاقة الحرارية والإشعاعية.
كيف يتم انشطار الذرة وبماذا يستخدم؟
تستخدم عملية الانشطار النووي في إنتاج الطاقة الكهربائية في المفاعلات النووية، كما تستعمل لإنتاج الأسلحة النووية. ومن العناصر النووية الانشطارية الهامة والتي تستخدم كثيراً في المفاعلات الذرية مادتي اليورانيوم-235 وبلوتونيوم-239، والتي هي عماد الوقود النووي.
وفي الوقود النووي يتم ما يسمى بالتفاعل المتسلسل حيث يصطدم نيوترون مع نواة ذرة اليورانيوم-235 فتنقسم إلى قسمين؛ ويصاحب هذا الانقسام انطلاق عدد من النيوترونات يقدر عادة من 2-3 نيوترونات وفي المتوسط 2.5 نيوترون.
يمكن لتلك النيوترونات الناتجة أن تصطدم بأنوية أخرى من اليورانيوم-235 وتتفاعل معها وتعمل على انشطارها. بذلك يزيد معدل التفاعل زيادة تسلسلية 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 5.3 % في مخلوط أكسيد اليورانيوم لإنتاج الطاقة.
ويحتاج مفاعل نووي كبير يعمل بقدرة 1000 ميغاوات إلى نحو 100 طن من أكسيد اليورانيوم تكفيه لمدة ثلاث سنوات. إلا أن الطريقة الاقتصادية لتشغيل المفاعل النووي تتطلب إيقاف تشغيل المفاعل كل سنة لمدة عدة أسابيع، يجري خلالها استبدال ثلث كمية الوقود النووي المستهلك بوقود جديد، وكذلك لإجراء أعمال الصيانة والتفتيش عن أي خلل قد يحدث ومعالجة الخلل.
بماذا يختلف الانشطار الذري عن عملية التحلل الإشعاعي؟
يختلف الانشطار النووي عن عملية التحلل الإشعاعي من ناحية انه يمكن السيطرة على عملية الانشطار النووي خارجيا. تقوم النيوترونات الحرة الناتجة من كل عملية انشطار وهي في المتوسط 5 و2 نيوترونا، بالتفاعل مع اليورانيوم أو البلوتونيوم وتتسبب في انشطارها. وهذا بالتالي 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 الانشطارات 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 وتأخذ هذه 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.
ماذا ينتج عن انشطار الذرة
ينتج عن انشطار نواة اليورانيوم نواتان صغيرتان 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). يبقى مجموع البروتونات والنيوترونات قبل التفاعل وبعده ثابتا.
وينتج عن كل انشطار لنواة يورانيوم واحدة كذلك قدر هائل من الطاقة يبلغ نحو 200 مليون إلكترون فولت تظهر في صورة حرارة وإشعاع، ويمكن استغلال الحرارة لتوليد بخار ماء، ومن بخار الماء توليد كهرباء عن طريق توربين ومولد كهربائي، وهذا ما يجري في المفاعل النووي.
ونواتج الانشطار تكون أنوية ذرية متوسطة الكتلة، وفي نفس الوقت غنية بالنيوترونات؛ لذلك هي عناصر غير مستقرة تصدر في العادة نيوترونات زائدة عن مقدرتها ويمكن الاحتفاظ بها خلال عدة ثوان من بعد تكونها، وتكون لها أهمية في ضبط معدل التفاعل الجاري في المفاعلات النووية.
وتتحلل بعض تلك الأنوية الناتجة عن الانشطار عن طريق تحلل بيتا إلى عناصر أخرى، وتحلل بيتا لا يغير من الكتلة الذرية وينتهي تحلل بيتا المتتابع عند نواة مستقرة، فقد تستغرق تحللات بيتا الأخيرة قرب الوصول إلى العنصر المستقر أعمار نصف طويلة أي على مدى مئات السنين أو آلاف السنين. ولمعرفة سلاسل نواتج تحلل بيتا التالية للانشطار يمكن الرجوع إلى المصادر العلمية.
تابع القراءة أيضا: الاضمحلال النووي – العاب نارية نووية