[no1]

كان العالم فيرمي ( Enrico Fermi) في العام 1934 يقوم ببعض التجارب للحصول على نظائر العناصر عن طريق قذف النوى بالنيوترونات . وعندما وصل إلى عنصر اليورانيوم ( العنصر الأخير في الجدول الدوري في ذلك الوقت ) . توقع أن قذف العنصر بالنيوترونات سيؤدي إلى وجود نواة غير متسقرة تقوم بإطلاق جسيمات بيتا وبالتالي ازدياد العدد الذري من 92 إلى 93 وانتاج عنصر جديد في الجدول الدوري , ولكنه لم يحصل على ما توقعه ولم يستطع التعّرف على نواتج التفاعل.

واستمرت الأبحاث والدراسات من العام 1935 إلى العام 1938 حيث قام عالم كيميائي ألماني يسمى إدا نوداك
( Ida Noddack) بالتعرف على نواتج التفاعل وأوضح أن نواة اليورانيوم انشطرت إلى نواتين متوسطتي الكتلة . وقد أكدت الدراسات صحة ما افترضه هذا العالم . وبذلك يكون الإنشطار النووي :
" انقسام نواة ثقيلة إلى نواتين متوسطتي الكتلة , وانتاج كميات هائلة من الطاقة نتيجة تفاعل نووي "
ولإحداث الإنشطار تقذف النواة الثقيلة مثل ( يورانيوم ـ 92 /235 ) بجسيمات خفيفة نسبياً مثل النيوترونات التي تعد أفضل القذائف لأنها لا تحمل شحنة .
ويمكن تمثيل الإنشطار النووي لليورانيوم بصورة عامة بالمعادلة والشكل :

[no1]

ولا ينتج دائماً نفس نواتج التفاعل إلا أن العدد الذري للأنوية Y , y يتراوح بين 36 و 60 ومن الإنشطارات الشائعة الحدوث :

[no1]

المعادلة التالية ..

[no1]

المعادلة التالية :

[no1]

التالي .... :

[no1]

وفي التفاعلات السابقة فإن مجموع كتل المواد الناتجة من التفاعل أقل من مجموع كتل المواد الداخلة في التفاعل مما يؤكد أن هذا التفاعل منتج للطاقة .

مثال(1):
حدد كمية الطاقة الناتجة في التفاعل :

[no1]

الحل:
كتل المواد الداخلة في التفاعل :
ك النيوترون = 1.008665 و.ك.ذ
ك اليوراينوم = 235.043933 و.ك.ذ
ـــــــــــــــــــــ
ك النيوترون + ك اليورانيوم = 236.052598 و.ك.ذ
كتل المواد الناتجة من التفاعل =
3 × ك النيوترون = 3.025995 و.ك.ذ
ك الباريوم = 140.913740 و.ك.ذ
ك الكربتون = 91.925765 و.ك.ذ
ــــــــــــــــــــــــــــــــ
3 × ك النيوترون + ك الباريوم + ك الكربتون = 235.865500 و.ك.ذ

 ك = الفرق بين مجموع الكتل الداخلة والناتجة
= 236.052598 ـ 235.865500
= 0.187098 و.ك.ذ
الطاقة الناتجة = 0.187098 × 931 = 174 مليون الكترون فولت

وهذا هو مقدار الطاقة الناتجة من انشطار نواة واحدة من اليورانيوم وهو مقدار هائل وتصل الطاقة الناتجة إلى 200 مليون الكترون فولت. وذلك لأن النوى الناتجة هي نوى مشعة تقوم بإطلاق طاقة تصل إلى 20 مليون الكترون فولت للوصول إلى مرحلة الإستقرار .

ولتفسير ما يحدث أثناء عملية انشطار النواة , افترض العالمان بور وويلر (Neils Bohr & John Wheeler) نموذج " قطرة السائل " ويفترض هذا النموذج تماثلاً بين النواة وبين قطرة سائل مشحونة , حيث تقوم نواة اليورانيوم باصطياد النيوترون وتصبح نواة مستثارة تهتز بعنف مما يؤدي إلى حدوث تغير في شكلها , وفي هذا الشكل الجديد ( كما هو موضح ) فإن القوى النووية تصبح أضعف مما هي عليه أصلاً ويبدأ تأثير قوى التنافر الكهربائية حيث تنقسم النواة إلى قسمين وينتج المزيد من النيوترونات والطاقة الهائلة .

والنيوترونات المسببة للإنشطار هي نيوترونات بطيئة وهي تمتلك أكبر احتمال للإصطدام بالنواة وإحداث التفاعل .

التفاعل المتسلسل Chain Reaction :

لعلك لاحظت أن انشطار نواة اليورانيوم ـ 235 ينتج مجموعة من النيوترونات ( اثنين أو ثلاثة ) , وأن ما سبب انشطار النواة هو نيوترونات بطيئة . وبذلك يمكن وتحت شروط معينة أن تتسبب النيوترونات الناتجة من التفاعل في مزيد من الإنشطارات المتتالية والتي تنتج قدراً هائلاً من الطاقة . وهذا ما يعرف بالتفاعل المتسلسل .
وفي الأسلحة النووية يتم إحداث تفاعل متسلسل غير متحكم فيه , مما ينتج طاقة هائلة ومدمرة وتؤدي إلى حدوث أضرار عديدة , أما إذا تم التحكم في عدد النيوترونات المشاركة في التفاعل فإنه يكون بالإمكان التحكم في الطاقة الناتجة والسيطرة عليها واستغلالها في العديد من الأغراض , وهذا ما يحدث فعلاً في المفاعل النووي .

ومن المشاكل التي تعترض التفاعل المتسلسل :
1. إذا كانت كتلة العنصر المستخدم في التفاعل أقل من كتلة معينة تسمى " الكتلة الحرجة" فإن كثير من النيوترونات ستفلت دون التفاعل مع أنوية جديدة .
2. النيوترونات الناتجة عن الإنشطار هي نيوترونات متوسطة السرعة , ولذا يلزم تقليل سرعتها حتى تستطيع القيام بعمليات انشطار جديدة .
3. يحتوي اليورانيوم الطبيعي على 99.3 % من اليورانيوم (92/238) ( والذي يمتص النيوترونات المتوسطة السرعة دون حدوث انشطار ) وعلى 0.7% من اليورانيوم (92/235) اللازم لعملية الإنشطار وللحصول على تفاعل متسلسل في انفجار نووي يلزم زيادة تركيز اليورانيوم (92/235) إلى 50% في حين يلزم تركيزه إلى 3.6 % في المفاعلات النووية .


القنبلة النووية Atomic Bomb :

لبناء قنبلة ذرية يلزم أن تكون كتلة اليوراينوم ـ 235 مساوية للكتلة الحرجة اللازمة لبدء التفاعل المتسلسل . وقد قامت الولايات المتحدة الامريكية ببناء أول قنبلة ذرية انظر الشكل والتي أطلق عليها " الرجل النحيف " "Thin man " وأسقطت على هيروشيما في 5 آب (أغسطس ) 1945 وهذا النوع من القنابل يتكون من قطعتين من اليورانيوم , كل منهما كتلته أقل من الكتلة الحرجة , وتُطلق أحداهما (الصغرى ) على شكل قذيفة توجه نحو الكبرى وتنتج الكتلة الحرجة اللازمة لبدء التفاعل المتسلسل الذي يقود إلى الإنفجار العنيف .
ومن الصعوبات التي تواجه صناعة مثل هذه القنبلة , استخلاص اليورانيوم ( 92/235 ) من اليورانيوم (92/238) ولذلك تمت صناعة نوع آخر من القنابل , باستخدام حيث يتم في المرحلة الأولى بقذف اليورانيوم ـ 238 بالنيوترونات حسب المعادلة التالية :

[no1]

حيث ينتج النبتونيوم(93/239) ( ) الذي يتحلل إلى بلوتونيوم (94/239) ( ) حسب المعادلة التالية :

[no1]

ولقد اتضّح أن قابلية بلوتونيوم ـ 239 للإنشطار أكبر من قابلية اليورانيوم ـ 235 ولذلك فإنه يلزم كتلة أصغر للوصول إلى الكتلة الحرجة , ولذلك قام العلماء بتصميم نوع آخر من القنابل الذرية ( قنبلة البلوتونيوم ) وتكون هذه القنبلة على شكل قطعة كروية صغيرة من البلوتونيوم توضع في مركز كرة , وتحاط بقطع من البلوتونيوم موضوعة على بعد ثابت من الكرة بحيث تكون سطح كرة أكبر, وكتلة كل منها أقل من الكتلة الحرجة انظر الشكل.
ولإحداث الإنفجار تجري تفاعلات كيميائية تقوم بإطلاق قطع البلوتونيوم كلها في آن واحد نحو مركز الكرة , مما يؤدي إلى التحام قطع البلوتونيوم وتكوّن الكتلة الحرجة ويبدأ التفاعل المتسلسل , وقد أطلقت أول قنبلة بلوتونيوم على مدينة ناجازاكي في اليابان وسميت " الولد السمين " " Fat Boy " في 9 آب ( اغسطس ) 1945 .



المفاعل النووي الإنشطاري :

قام فيرمي ببناء أول مفاعل نووي إنشطاري في جامعة شيكاغو , وبدأ العمل فيه في 2 كانون أول ( ديسيمبر ) 1942 , وكانت هذه أول مرة يتم فيها إحداث تفاعل نووي مُسيطر عليه , ويوضح الشكل التالي المفاعل النووي .
يحتوي المفاعل النووي على يورانيوم ـ 238 مضاف إليه 3.6 % من اليورانيوم ـ 235 ويتم إحداث التفاعل التالي :

[no1]

وتكون النيوترونات الناتجة عن هذا التفاعل سريعة لأنها تمتلك طاقة حركية كبيرة , ولذلك يوضع المفاعل في حوض به ماء تحت ضغط مرتفع . حيث يعمل الماء على إبطاء النيوترونات وتقليل سرعتها حتى تستطيع البدء بانشطار جديد ولكي يحدث التفاعل المتسلسل .

ولكن لا يُسمح لهذا التفاعل بأن يستمر بعشوائية كما في القنبلة الذرية , لذلك يتم السيطرة عليه باستعمال ألواح من الكادميوم , حيث تعمل هذه الالواح على امتصاص النيوترونات وبذلك يقل عدد النيوترونات المسببة للإنشطار ويتم السيطرة على التفاعل . ويوجد وظيفة أخرى للماء حيث تعمل على التبريد نتيجة للحرارة العالية الناتجة عن التفاعل .

ومن مساوئ استخدام هذا المفاعل , المخلفات النووية الناتجة عن التفاعل حيث ينتج نظائر عديدة مشعة يجب التخلص منها , والطريقة المتبعة حالياً هي دفن هذه المخلفات في قاع مناجم الملح والتي تكون جافة وتبعد عن سطح الأرض مسافة تقدر بآلاف الأقدام حيث يمكن أن تبقى هناك ولا تتسبب في تلويث البيئة .

http://www.schoolarabia.com/fezia/nu.../nuclear_1.htm

http://www.schoolarabia.com/fezia/nu.../nuclear_2.htm

http://www.schoolarabia.com/fezia/nu.../nuclear_3.htm

http://www.schoolarabia.com/fezia/nu.../nuclear_4.htm

http://www.schoolarabia.com/fezia/nu.../nuclear_5.htm

http://www.schoolarabia.com/fezia/nu.../nuclear_6.htm