الزعيم الفيزيائي
05-05-2006, 14:41
آلية انفلات الطاقة
لا يكون تحول المادة مصحوباً بانفلات طاقة حرة إلا في حالة تمتع هذه المادة بمخزون من الطاقة، والمقصود بهذا أن جُسيمات المادة توجد في حالة ذات طاقة سكون أكبر مما هي في أي حالة أخرى ممكنة يجري الانتقال إليها. ويعوق وجود حاجز طاقي الانتقال التلقائي من حالة إلى أخرى، إذ يتحتم على جُسيم المادة الحصول على كمية طاقية من الخارج لعبور هذا الحاجز، هذه الطاقة هي طاقة الاستثارة.
ويتلخص التفاعل الطارد للطاقة بانطلاق طاقة أكبر مما يلزم لاستثارة العملية أثناء التحوُّل الذي يلي الاستثارة. وثمة أسلوبان للتغلب على حاجز الطاقة: الأول على حساب طاقة حركة الجُسيمات المتصادمة، والثاني على حساب طاقة ربط الجُسيم المنضم.
وإذا أخذنا بالحسبان المقاييس الماكروسكوبية لانفلات الطاقة، فإنه يجب أن تكون لكل جُسيمات المادة، أو على الأقل لجزيء منها في البداية، طاقة الحركة اللازمة لاستثارة التفاعلات. ولا يمكن الوصول إلى هذا إلا برفع درجة حرارة الوسط إلى القدر الذي تقترب عنده طاقة الحركة الحرارية من مستوى الطاقة الذي يُحدد سير العملية. وفي حالة التحولات الجزيئية، أي التفاعلات الكيميائية، يُشكل هذا الرفع عادة مئات درجات الكالفن(1)، أما في حالات التفاعلات النووية فهو لا يقل عن (10(7) كالفن بسبب الارتفاع الشديد للحاجز الكولوني لدى النوى المتصادمة. ولا تتحقق الاستثارة الحرارية للتفاعلات النووية عملياً إلا أثناء اندماج أخف النوى، إذ تكون الحواجز الكولونية أقل ما يمكن (الاندماج النووي).
لا تستلزم الاستثارة عن طريق الجُسيمات المنضمَّة طاقة حركية كبيرة، وهي بالتالي لا تعتمد على درجة حرارة الوسط، لأنها تتم على حساب الروابط غير المستقلة التي تتصف بها قوى تجاذب الجُسيمات، لكن الجُسيمات في مقابل هذا لازمة لاستثارة التفاعلات. وإذا أخذنا بالحسبان مرة أخرى الحصول على الطاقة في أبعاد ماكروسكوبية وليس فقط عملية تفاعل واحدة، فإن هذا لن يكون ممكناً إلا بنشوء تفاعل متسلسل. وهذا الأخير ينشأ حين تظهر من جديد الجُسيمات المميِّزة للتفاعل كنواتج للتفاعل الطارد للطاقة.
التفاعل المتسلسل
تنتشر التفاعلات المتسلسلة انتشاراً واسعاً بين التفاعلات الكيميائية، إذ تلعب الذرة الحرة أو الأشقاق دور الجُسيمات ذات الروابط غير المستقلة. ويمكن أن تحقق النيترونات، التي ليس لها حاجز كولوني والتي تثير النوى لدى الامتصاص، آلية تفاعل متسلسل أثناء التحولات النووية. ويؤدي ظهور الجُسيم المطلوب في الوسط إلى إحداث سلسلة من التفاعلات يتلو الواحد منها الآخر، فتستمر إلى أن تنقطع السلسلة نتيجة فقد الجُسيم الحامل للتفاعل. وهناك سببان أساسيان لذلك: امتصاص الجُسيم الأساسي دون انبعاث آخر ثانوي، وخروج الجُسيم من حيِّز المادة التي تحفظ العملية المتسلسلة. وإذا ظهر في عملية التفاعل جُسيم حامل واحد فقط، فإن التفاعل يُسمَّى تفاعلاً غير متشعبٍ. ولا يمكن أن يؤدي التفاعل المتسلسل غير المتشعب إلى انفلات طاقة على نطاق كبير.
وإذا ظهر في كل عملية تفاعل أو في بعض حلقات السلسلة أكثر من جُسيم، فإنه ينشأ تفاعل متسلسل متشعب، لأن واحداً من الجُسيمات الثانوية سيستمر في السلسلة التي بدأت، بينما تعطي بقية الجُسيمات سلاسل جديدة تتشعب هي الأخرى. والحقيقة هي أنه توجد عمليات أخرى تتنافس مع عملية التشعب، وتؤدي إلى انقطاع في السلاسل، ويولد هذا الموقف الناشئ ظواهر حرجة أو حدِّية مُميِّزة للتفاعلات المُتشعِّبة. وإذا كان عدد حالات الانقطاع في السلاسل أكبر من عدد السلاسل الجديدة الناشئة، فإن التفاعل المتسلسل الذاتي الاستمرار لا يعود ممكناً. وحتى لو أُثير هذا التفاعل صناعياً عن طريق إدخال كمية من الجُسيمات اللازمة إلى الوسط، فإن هذه العملية التي بدأت سُرعان ما تخمد، لأنه لا يمكن لأعداد السلاسل في هذه الحالة إلا التناقص. أما إذا كان عدد السلاسل الجديدة المتكوِّنة يفوق عدد الانقطاعات، فإن التفاعل المتسلسل ينتشر بسرعة في كل حيِّز المادة لدى ظهور جُسيم ابتدائي واحد على الأقل. وثمة حالة حرجة تفصل ما بين منطقة حالات المادة ذات التنامي في التفاعل المتسلسل الذاتي الاستمرار والمنطقة التي يستحيل فيها التفاعل المتسلسل عموماً. وتتميَّز الحالة الحرجة بتساوي عدد السلاسل الجديدة مع عدد الانقطاعات.
يتحدد بلوغ الحالة الحرجة بعدد من العوامل. ويُستثار انقسام النواة الثقيلة بنيترون واحد، بينما يظهر نتيجة لعملية الانقسام أكثر من نيترون، وبالتالي فإن عملية الانقسام يمكن أن تولد تفاعلاً متسلسلاً متشعِّباً تلعب فيه النيترونات دور حامل التفاعل.
وما المفاعل النووي إلا جهاز يحدث فيه تفاعل انقسام متسلسل خاضع للتحكم، ويُطلق على قسم المفاعل الحاوي على المادة المنقسمة، والذي يحدث فيه بالذات تفاعل الانقسام المتسلسل الذاتي الاستمرار، اسم القطاع النشط من المفاعل.
الدورةالنيترونية في المفاعل
من المفيد بدء دراسة الدورة من انقسام نوى U235 بوساطة النيترونات الحرارية وظهور n من النيترونات الجيل الثاني السريعة. وبما أن لنحو نصف هذه النيترونات طاقة أعلى من عتبة انقسام نوى U238، فإنها تستطيع إحداث انقسام في هذه النوى. ويلزم لكل عملية انقسام إنفاق واحد من النيترونات السريعة، لكن الانقسام يؤدي في المتوسط إلى ظهور 8,2 من النيترونات السريعة الجديدة، بحيث تؤدي هذه العملية إلى مضاعفة عدد النيترونات. ويعتمد مقدار المضاعفة على تركيب الوسط، وأسلوب توزيع مواد القطاع النشط في حيِّز هذا القطاع. ويُسمَّى العامل، الذي يُبيِّن عدد مرات زيادة نيترونات انقسام U235 نتيجة لانقسام U238 الإضافي، معامل تكاثر النيترونات السريعة.
يكون امتصاص نوى الذرات للنيترونات السريعة والمتوسطة السرعة ضعيفاً، ولا يمثل استثناءً من هذا إلا الامتصاص في حال الرنينات المنخفضة المواقع لدى النوى ذات الأعداد الكتلية المتوسطة والكبيرة. وبما أن الامتصاص الرنيني يعوق التفاعل المتسلسل، فإن المواد ذات الامتصاص الرنيني لا تُستخدم في القطاعات النشطة من المفاعلات، وإن كانت مواد كثيرة من نواتج الانقسام ذات امتصاص رنيني وتظهر في المفاعلات النووية أثناء عملها.
مريم حنا
(1) الكالفن - رمزه الدولي K وهو درجة الحرارة وفق أحد سلالم قياس درجات الحرارة. تدعى درجة الحرارة صفر كالفن بالصفر المطلق، وهي تقابل درجة حرارة مقدارها 273 درجة مئوي
لا يكون تحول المادة مصحوباً بانفلات طاقة حرة إلا في حالة تمتع هذه المادة بمخزون من الطاقة، والمقصود بهذا أن جُسيمات المادة توجد في حالة ذات طاقة سكون أكبر مما هي في أي حالة أخرى ممكنة يجري الانتقال إليها. ويعوق وجود حاجز طاقي الانتقال التلقائي من حالة إلى أخرى، إذ يتحتم على جُسيم المادة الحصول على كمية طاقية من الخارج لعبور هذا الحاجز، هذه الطاقة هي طاقة الاستثارة.
ويتلخص التفاعل الطارد للطاقة بانطلاق طاقة أكبر مما يلزم لاستثارة العملية أثناء التحوُّل الذي يلي الاستثارة. وثمة أسلوبان للتغلب على حاجز الطاقة: الأول على حساب طاقة حركة الجُسيمات المتصادمة، والثاني على حساب طاقة ربط الجُسيم المنضم.
وإذا أخذنا بالحسبان المقاييس الماكروسكوبية لانفلات الطاقة، فإنه يجب أن تكون لكل جُسيمات المادة، أو على الأقل لجزيء منها في البداية، طاقة الحركة اللازمة لاستثارة التفاعلات. ولا يمكن الوصول إلى هذا إلا برفع درجة حرارة الوسط إلى القدر الذي تقترب عنده طاقة الحركة الحرارية من مستوى الطاقة الذي يُحدد سير العملية. وفي حالة التحولات الجزيئية، أي التفاعلات الكيميائية، يُشكل هذا الرفع عادة مئات درجات الكالفن(1)، أما في حالات التفاعلات النووية فهو لا يقل عن (10(7) كالفن بسبب الارتفاع الشديد للحاجز الكولوني لدى النوى المتصادمة. ولا تتحقق الاستثارة الحرارية للتفاعلات النووية عملياً إلا أثناء اندماج أخف النوى، إذ تكون الحواجز الكولونية أقل ما يمكن (الاندماج النووي).
لا تستلزم الاستثارة عن طريق الجُسيمات المنضمَّة طاقة حركية كبيرة، وهي بالتالي لا تعتمد على درجة حرارة الوسط، لأنها تتم على حساب الروابط غير المستقلة التي تتصف بها قوى تجاذب الجُسيمات، لكن الجُسيمات في مقابل هذا لازمة لاستثارة التفاعلات. وإذا أخذنا بالحسبان مرة أخرى الحصول على الطاقة في أبعاد ماكروسكوبية وليس فقط عملية تفاعل واحدة، فإن هذا لن يكون ممكناً إلا بنشوء تفاعل متسلسل. وهذا الأخير ينشأ حين تظهر من جديد الجُسيمات المميِّزة للتفاعل كنواتج للتفاعل الطارد للطاقة.
التفاعل المتسلسل
تنتشر التفاعلات المتسلسلة انتشاراً واسعاً بين التفاعلات الكيميائية، إذ تلعب الذرة الحرة أو الأشقاق دور الجُسيمات ذات الروابط غير المستقلة. ويمكن أن تحقق النيترونات، التي ليس لها حاجز كولوني والتي تثير النوى لدى الامتصاص، آلية تفاعل متسلسل أثناء التحولات النووية. ويؤدي ظهور الجُسيم المطلوب في الوسط إلى إحداث سلسلة من التفاعلات يتلو الواحد منها الآخر، فتستمر إلى أن تنقطع السلسلة نتيجة فقد الجُسيم الحامل للتفاعل. وهناك سببان أساسيان لذلك: امتصاص الجُسيم الأساسي دون انبعاث آخر ثانوي، وخروج الجُسيم من حيِّز المادة التي تحفظ العملية المتسلسلة. وإذا ظهر في عملية التفاعل جُسيم حامل واحد فقط، فإن التفاعل يُسمَّى تفاعلاً غير متشعبٍ. ولا يمكن أن يؤدي التفاعل المتسلسل غير المتشعب إلى انفلات طاقة على نطاق كبير.
وإذا ظهر في كل عملية تفاعل أو في بعض حلقات السلسلة أكثر من جُسيم، فإنه ينشأ تفاعل متسلسل متشعب، لأن واحداً من الجُسيمات الثانوية سيستمر في السلسلة التي بدأت، بينما تعطي بقية الجُسيمات سلاسل جديدة تتشعب هي الأخرى. والحقيقة هي أنه توجد عمليات أخرى تتنافس مع عملية التشعب، وتؤدي إلى انقطاع في السلاسل، ويولد هذا الموقف الناشئ ظواهر حرجة أو حدِّية مُميِّزة للتفاعلات المُتشعِّبة. وإذا كان عدد حالات الانقطاع في السلاسل أكبر من عدد السلاسل الجديدة الناشئة، فإن التفاعل المتسلسل الذاتي الاستمرار لا يعود ممكناً. وحتى لو أُثير هذا التفاعل صناعياً عن طريق إدخال كمية من الجُسيمات اللازمة إلى الوسط، فإن هذه العملية التي بدأت سُرعان ما تخمد، لأنه لا يمكن لأعداد السلاسل في هذه الحالة إلا التناقص. أما إذا كان عدد السلاسل الجديدة المتكوِّنة يفوق عدد الانقطاعات، فإن التفاعل المتسلسل ينتشر بسرعة في كل حيِّز المادة لدى ظهور جُسيم ابتدائي واحد على الأقل. وثمة حالة حرجة تفصل ما بين منطقة حالات المادة ذات التنامي في التفاعل المتسلسل الذاتي الاستمرار والمنطقة التي يستحيل فيها التفاعل المتسلسل عموماً. وتتميَّز الحالة الحرجة بتساوي عدد السلاسل الجديدة مع عدد الانقطاعات.
يتحدد بلوغ الحالة الحرجة بعدد من العوامل. ويُستثار انقسام النواة الثقيلة بنيترون واحد، بينما يظهر نتيجة لعملية الانقسام أكثر من نيترون، وبالتالي فإن عملية الانقسام يمكن أن تولد تفاعلاً متسلسلاً متشعِّباً تلعب فيه النيترونات دور حامل التفاعل.
وما المفاعل النووي إلا جهاز يحدث فيه تفاعل انقسام متسلسل خاضع للتحكم، ويُطلق على قسم المفاعل الحاوي على المادة المنقسمة، والذي يحدث فيه بالذات تفاعل الانقسام المتسلسل الذاتي الاستمرار، اسم القطاع النشط من المفاعل.
الدورةالنيترونية في المفاعل
من المفيد بدء دراسة الدورة من انقسام نوى U235 بوساطة النيترونات الحرارية وظهور n من النيترونات الجيل الثاني السريعة. وبما أن لنحو نصف هذه النيترونات طاقة أعلى من عتبة انقسام نوى U238، فإنها تستطيع إحداث انقسام في هذه النوى. ويلزم لكل عملية انقسام إنفاق واحد من النيترونات السريعة، لكن الانقسام يؤدي في المتوسط إلى ظهور 8,2 من النيترونات السريعة الجديدة، بحيث تؤدي هذه العملية إلى مضاعفة عدد النيترونات. ويعتمد مقدار المضاعفة على تركيب الوسط، وأسلوب توزيع مواد القطاع النشط في حيِّز هذا القطاع. ويُسمَّى العامل، الذي يُبيِّن عدد مرات زيادة نيترونات انقسام U235 نتيجة لانقسام U238 الإضافي، معامل تكاثر النيترونات السريعة.
يكون امتصاص نوى الذرات للنيترونات السريعة والمتوسطة السرعة ضعيفاً، ولا يمثل استثناءً من هذا إلا الامتصاص في حال الرنينات المنخفضة المواقع لدى النوى ذات الأعداد الكتلية المتوسطة والكبيرة. وبما أن الامتصاص الرنيني يعوق التفاعل المتسلسل، فإن المواد ذات الامتصاص الرنيني لا تُستخدم في القطاعات النشطة من المفاعلات، وإن كانت مواد كثيرة من نواتج الانقسام ذات امتصاص رنيني وتظهر في المفاعلات النووية أثناء عملها.
مريم حنا
(1) الكالفن - رمزه الدولي K وهو درجة الحرارة وفق أحد سلالم قياس درجات الحرارة. تدعى درجة الحرارة صفر كالفن بالصفر المطلق، وهي تقابل درجة حرارة مقدارها 273 درجة مئوي