الأربعاء، 19 يناير، 2011

نظرية الانشطار النووي

اكتشاف الانشطار النووي :

تم اكتشاف الانشطار النووي في ديسمبر 1938أي بعد حوالي 42 عاما من اكتشاف النشاط الإشعاعي وذلك عندما حاول العلماء استحداث نظير لعنصر اليورانيوم 235 ذو العدد الذرى 92 و الذي تحتوي نواته علي 143 نيوترون وذلك بإضافة نيوترون جديد إلى نواته ليصبح يورانيوم 236 .

النظرية:

هي عملية انشطار نواة ذرة ما الى قسمين او اكثر ويتحول بهذه العملية مادة معينة الى مادة اخرى وينتج عن عملية الأنشطار هذه نيوترونات و فوتونات حرة( بالاخص اشعة گاما) ودقائق نووية مثل دقائق ألفا alpha particles ودقائق بيتا beta particles. يؤدي انشطار العناصر الثقيلة الى تكوين كميات ضخمة من الطاقة المتحركة.

تستعمل عملية الأنشطار النووي لتزويد الوقود لمولدات الطاقة النووية وتحفيز انفجار الأسلحة النووية واذا امكن اخضاع عنصر ثقيل الى سلسلة من الأنشطارات النووية فان ذلك سيؤدي الى تكوين ما يسمى بالوقود النووي ويتم تحفيز هذه السلسلة المتاعقبة من الأنشطارات النووية في المفاعلات النووية ويعتبر اليورانيوم-235 و البلوتونيوم - 239 من اكثر انواع الوقود النووي استعمالا. تبلغ كمية الطاقة الناتجة من كمية معينة من الوقود النووي ملايين اضعاف الطاقة الناتجة من نفس الكمية من البنزينdrawGradient()

"عملية الانشطار النووي لليورانيوم"

تفاصيل عملية الأنشطار النووي

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 إلى تحفيز انشطارات اخرى التي بالتالى تؤدي الى تكوين نيوترونات حرة اخرى وتستمر هذه السلسلة من الفعاليات مؤدية إلى إنتاج كميات هائلة من الطاقة.

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) و بلوتونيوم ذو كتلة ذرية رقم 239 (بلوتونيوم-239) , هذين العنصرين ينشطران بصورة بطيئة جدا تحت الظروف الطبيعية التي تسمى ب الانشطار التلقائي spontaneous fission وتاخذ هذة العملية التلقائية مايقارب 550 مليون سنة على أقل تقدير ولكن عملية الانشطار هذه يتم تحفيزها والإسراع بها في المفاعلات النووية.

تنتج عادة عن سلسلة من الأنشطارات في المواد المذكورة اعلاه طاقة حركية هائلة تقدر بحوالي المئات من الكترون فولت وللتوضيح فان 0.03 الكترون فولت قادر على تدفئة منزل صغير . يرجع السبب الرئيسي في تفضيل اليورانيوم لاجراء عملية الأنشطار النووي عليه لغرض تصنيع الأسلحة النووية الى كون النظير 235 لليورانيوم او مايسمى يورانيوم-235 خفيف الكتلة ويمكن تحفيز انشطاره بسهولة بواسطة تسليط حزمة من النيوترون عليه وبعد الأنشطار يتولد 2.5 نيوترون وهذه الكمية من النيوترون كافية لاستمرار عمليات انشطار متسلسلة و متعاقبة 
مع اكتشاف النيوترون لوحظ إنه عند قذف نواة اليورانيوم 235 بالنيوترونات فإن نواة اليورانيوم تنشطر إلى نواتين بحيث تكون النواة الأولى هي نواة نظير الكريبتون92 والنواة الثانية هي نواة نظير الباريوم141 .
ينتج عن هذا الانشطار انبعاث بعض النيوترونات الأخرى التي يمكنها أن تحدث في كتلة من اليورانيوم انشطاراً جديداً وذلك يسمى ( التفاعل المتسلسل ) .

وتكون الطاقة المنطلقة عن الانشطار النووي حسب معادلة اينشتاين :
الطاقة = كتلة اليورانيوم x مربع سرعة الضوء
وبذلك نجد أن الطاقة الناتجة عن انشطار أنوية كيلوجرام واحد من اليورانيوم تعادل الطاقة الناتجة عن احتراق ثلاثة آلاف طن من الفحم !

تفاصيل أكثر:

النشاط الإشعاعي:

إن ظاهرة النشاط الإشعاعي قد هزت دعائم قانون بقاء الطاقة عنداكتشافهاعام1896. و قد فرض العالم الفيزيائي الألماني الأصل البرت أينشتين Albert Einstein في نظريته" النظرية النسبية الخاصة " أن الكتلة ما هي إلا صورة من صور الطاقة حيث ثبت صحة هذا الفرض بعد ذلك عمليا .

وقد نال عليها جائزة نوبل في الفيزياء عام1921 . و المعادلة الشهيرة تتلخص في أن الطاقة E المنبعثة نتيجة تحول كتلة ما m تساوى عدديا حاصل ضرب قيمة هذه الكتلة و مربع سرعة الضوء C في الفراغ 

أى أن:- E=mC2

حيث C= 3 x 1010 cm/sec 

وهذا معناه أن كتلة صغيرة جدا قادرة على أن تعطى كمية هائلة من الطاقة. 

وعلى سبيل المثال فان جرام واحد من المادة يكافئ حوالي تسعين مليون مليون جول من الطاقة أى 90× 1210 جول

نظير اليورانيوم 235 (اليورانيوم 236)

هذا النظير غير مستقر حيث يتفتت إلى وحدات صغيرة لعناصر جديدة ويكون مصاحبا لانبعاث طاقة حرارية هائلة نتيجة نقص في مجموع كتل الوحدات الصغيرة بعد التفاعل عن تلك الكتلة الداخلة قبل التفاعل .

وبتطبيق علاقة أينشتين قدرت الطاقة الحرارية المتولدة من انشطار نواة اليورانيوم 236 بحوالي 20 مليون ضعف الطاقة الحرارية المتولدة من اشتعال جزئ واحد من مادة الديناميت. ونظرا لخروج عدد 3 نيوترونات بالإضافة إلي عنصر االسترنشيوم s90Srوالزينون s143Xeفإن هذا الانشطار يمكن أن يستمر كما هو مبين فى حيث تتكرر هذه العملية مع نويات يورانيوم أخرى فيما يسمى بالتفاعل المتسلسل Chain reaction .

التفاعل المتسلسل ( المشاكل و الحل ) : 

هناك مشكلتان أساسيتان قابلت العلماء لإتمام التفاعل المتسلسل في اليورانيوم الطبيعي يمكن تلخيصهما فيما يلي:

1– كمية اليورانيوم s(235U) 235فى اليورانيوم الطبيعى ضئيلة بالنسبة لنظيره يورانيوم s(238U) 238وذلك بنسبة 1 إلى 140 

2– النيوترونات الناتجة من عملية انشطار s235U تكون سريعة وتصل طاقتها إلى مليون إلكترون فولت ولذا يقوم s238U بأسر معظمها فلا يتم التفاعل المتسلسل

وللتغلب علي هذه المشاكل فكر العلماء فيما يأتي:

أ. زيادة نسبة s235Uإلى s238U في عملية تعرف باسم الإثراء Enrichment . 

وهي عملية تكنولوجية معقدة نظرا لأن نظيرا اليورانيوم لهما نفس الخواص الكيماوية. لذلك تعتمد طرق فصل s235U عن s238U على الاختلافات الطفيفة في خواصهما الطبيعية مثل الوزن الذري. 

كما تحتاج لتكنولوجيا رفيعة المستوى يتم فيها إحداث تأين لذرات اليورانيوم Ionization ثم يتم تعجيلها Acceleration وإختيار أيونات ذات سرعات محددة Velocity selection.
وعند التأثير عليها بمجال مغناطيسى تتحرك هذه الأيونات فى مسارات دائرية متعددة تختلف فيها أنصاف الأقطارr حسب كتلتها. وبذلك يمكن فصل نظيرى اليورانيوم أى s235Uعن s238U. وتتكرر هذه العملية حتى يتم زيادة نسبة النظير الأول بالنسبة للثانى . 

ب - إبطاء سرعة النيوترونات Moderation وذلك عن طريق تصادمها مع مادة لها وزن ذري صغير مثل الكربون أو الماء . و بذلك تفقد النيوترونات جزءا كبيرا من الطاقة حيث تصل طاقاتها إلى الطاقة الحرارية ( أقل من 0.1 إلكترون فولت) التى تكون فيها فى اتزان حرارى مع الوسط . عندئذ تكون النيوترونات قادرة على إحداث انشطار لنواة s235U . 

- وقد وجد أن النيوترون يحتاج إلى 123 اصطداما مع نوي الكربون ليصل إلى السرعة الحرارية. وكلما قل الوزن الذري للمهدئModerator انخفض عدد تصادمات النيوترون ليصل إلى السرعة الحرارية.

جـ- الإبقاء علي النيوترونات الناتجة من الانشطار حتى لا تتسرب خارج كتلة اليورانيوم ويستمر التفاعل المتسلسل. ويعرف حجم اليورانيوم اللازم لذلك بالحجم الحرج Critical Size .

ليست هناك تعليقات:

;