التفاعلات النووية

التفاعلات النووية وشرحها لكل مهتم

التفاعلات النووية

اذا حدث تفاعل لذرة
عنصر معين ، ولم تلعب الالكترونات دوراً فيه ، وأدى هذا التفاعل إلى
تغيير عدد
نيوكليونات النواة ، فإن هذا التفاعل يسمى تفاعلاً نووياً واذا تغيّر
العدد الذري للعنصر خلال هذا التفاعل
ينتج عنصراً جديداً ، أما اذا تغيّر العدد الكتلي للعنصر فينتج
نظيراً للعنصر الداخل في التفاعل وبذلك
يكون التفاعل النووي :
" هو التفاعل الذي
يغيّر النواة " .

وقد يتم التفاعل النووي لعنصر معين بدون مؤثر خارجي وقد تحدثنا عن
هذا النوع في الفصل السابق
والذي يسّمى "النشاط الاشعاعي الطبيعي "
.
وقد نقوم نحن
باستحداث مؤثرات خارجية وفي هذه الحالة يسمّى التفاعل باسم
" التفاعل النووي الاصطناعي " .

حاجز الجهد
النووي : Nuclear Potential Barrier
لاحداث تفاعل نووي بين
نواتين ، لابد من تقريبهما من بعضهما غلى مسافة يبدأ عندها تأثير النوى
النووية ، ولذلك يتم تسريع احداهما لاكسابها طاقة حركية كافية تمكّنها
من الاقتراب من النواة الأخرى والتغلب على قوى التنافر الكهرسكونية
بينهما . فاذا قذف جسيم موجب الشحنة شحنة (القذفية) (ش1) باتجاه نواة
ثقيلة (ش2) ، فان طاقة حركة الجسيم (ط ح) تتناقص تدريجياً نتيجة قوة
التنافر بينه وبين النواة ، ولذلك تزداد طاقة الوضع (ط و) .

طو اذا ما أريد لهذا
الجسيم أن يصل إلى جدار النواة ، فإنه ينبغي أن يمتلك طاقة

........

حيث نق : نصف قطر
نواة الهدف

الطاقة النووية

الطاقة النووية تسمى أيضًا الطاقة
الذرية. هي أشد أنواع الطاقة المعروفة فاعلية. فهي تولّد ضوء الشمس
الشديد وحرارتها الهائلة. وقد وجد العلماء والمهندسون استعمالات كثيرة
لهذه الطاقة ولاسيما في إنتاج الكهرباء، ولكنهم لم يستطيعوا حتى الآن
الاستفادة من كامل قدرتها. ويمكن أن تزود الطاقة النووية العالم كله
بالكهرباء لملايين السنين لو أمكن تطويرها تطويرًا كاملاً.

لم يعرف العلماء شيئًا عن الطاقة النووية حتى أوائل القرن العشرين، حين
قاموا باكتشافات مهمة في المادة والطاقة. وكانوا يعرفون من قبل أن كل
المواد تتكوّن من ذرات، لكنهم عَلِموا بعد ذلك أن معظم كتلة الذرة تعود
إلى نواتها، وأن هذه النواة متماسكة بقوة هائلة جدًا، يحتشد فيها مقدار
ضخم من الطاقة بفضل هذه القوة. وكانت الخطوة التالية جَعْل النواة
تُطْلقُ تلك الطاقة.

استطاع العلماء إطلاق الطاقة النووية على نطاق واسع لأول مرة في جامعة
شيكاغو عام 1942م بعد ثلاث سنوات من بداية الحرب العالمية الثانية.
وأدى إنجازهم هذا إلى تطوير القنبلة الذرية التي فُجِّرت للمرة الأولى
في الصحراء قرب ألاموجوردو بولاية نيومكسيكو بالولايات المتحدة في 16
يوليو 1945م. وقد أسقطت طائرات الولايات المتحدة في أغسطس من العام
نفسه قنبلتين نوويتين على كل من هيروشيما وناجازاكي، وهما مدينتان
يابانيتان. وقد دمرت القنبلتان كلتا المدينتين تدميرًا كبيرًا. وفي عام
1949م أصبح الاتحاد السوفييتي (سابقًا) الدولة الثانية التي فجرت
القنبلة الذرية. أما اليوم فهناك ستّ دول على الأقل تملك قنابل نووية.

بدأ تطوير الاستعمالات السلمية للطاقة النووية منذ عام 1945م؛ فالطاقة
التي تطلقها النواة تولّد كميات كبيرة من الحرارة. ويمكن استخدام هذه
الحرارة لتوليد البخار الذي يمكن استعماله لإنتاج الكهرباء. وقد اخترع
المهندسون أجهزة تسمى المفاعلات النووية وذلك من أجل إنتاج الطاقة
النووية والتحكم فيها.

ويعمل المفاعل النووي مثل الفرن إلى حدٍ ما، ولكن بدلاً من استعمال
الفحم الحجري أو النِّفط وقودًا تستخدم المفاعلات في الغالب،
اليورانيوم. وبدلاً من الاحتراق في المفاعل يحدث لليورانيوم انشطار، أي
تنفلق نواته إلى قسمين مُطْلِقَة طاقةً معظمها طاقة حرارية. ويطلق
0,45كجم من اليورانيوم من الطاقة ما ينتج من احتراق ألف طن متري من
الفحم الحجري.

وأهم استعمال سلمي للطاقة النووية هو إنتاج الطاقة الكهربائية. ويعتمد
أكثر من نصف إنتاج الطاقة الكلي على الطاقة النووية في بعض البلدان مثل
فرنسا وبلجيكا والسويد. وتُسَيِّر الطاقة النووية أيضًا بعض الغواصات
والسفن التي يُولِّد فيها المفاعل حرارة لتكوين بخار يحرك دواسرها.
وإضافة إلى ذلك فإن للانشطار الذي يُولِّد الطاقة النووية قيمةً كبيرة
إذ إنه يطلق أشعة وجسيمات تسمى الإشعاع النووي، تُستعمل في الطب
والصناعة. ولكن يمكن أن يكون الإشعاع النووي خطيرًا جدًا، إذ يمكن أن
ينجم عن التعرض لكميات ضارة من الإشعاع حالة تدعى داء الإشعاع. انظر:
داء الإشعاع.

وتعالج هذه المقالة بالدرجة الأولى الطاقة النووية كمصدر للكهرباء.
ولمعرفة الاستعمالات الأخرى للطاقة النوويةدور الطاقة النووية في إنتاج
القدرة

تستخدم محطة قدرة نووية الحرارة الناتجة من مفاعل لإنتاج الكهرباء.
تنتُج كلُّ الطاقة الكهربائية في العالم تقريبًا من محطات القدرة
الحرارية ومحطات القدرة الكهرومائية. فالمحطات الحرارية تستخدم قوة
البخار الناتج من الماء المغلي لتوليد الكهرباء، في حين تستعمل المحطات
الكهرومائية قوة اندفاع الماء الساقط من سَد أو شلال. وتعمل معظم
المحطات الحرارية بوقودٍ أحفوري يتكون من الفحم الحجري والزيت في
المقام الأول، وذلك لتوليد الحرارة اللازمة لغلي الماء. وقد نشأ الوقود
الأحفوري وتطور من بقايا النباتات والحيوانات التي ماتت منذ ملايين
السنين. أما باقي المحطات الحرارية فتستخدم انشطار اليورانيوم لتوليد
الحرارة.

يُعَدُّ تشغيل المحطات الكهرومائية أرخص كثيرًا من محطات الوقود
الأحفوري. وهي كذلك أنظف منها؛ لأن محطات الوقود الأحفوري تلوّث الهواء
كثيرًا. ولكن القليل من البلدان يملك ما يكفي من الطاقة المائية
القادرة على توليد مقادير كبيرة من الكهرباء. ولذلك تعتمد معظم البلدان
ـ إلى حد بعيد ـ على محطات الوقود الأحفوري في إنتاج الكهرباء.

وليس في الأرض سوى مخزون محدد من الوقود الأحفوري، في حين يزداد الطلب
عالميًا على الكهرباء كل سنة. لذلك يمكن أن تتزايد أهمية المحطات
النووية أكثر فأكثر، ولكنها لا تنتج في الوقت الحالي سوى ما يقرب من
16% من الكهرباء في العالم.توزيع الطاقة النووية في العالم. في منتصف
تسعينيات القرن العشرين كان هناك نحو 425 مفاعلاً نوويًا في 30 بلدًا.
وتُخطِّط ستة أقطار أخرى لإقامة مفاعل واحد على الأقل في كل منها.
ومعظم الدول يعجز عن الحصول على محطات طاقة نووية لأن هذه المحطات
تتطلب معدات وأجهزة غالية الثمن.

وكان في الولايات المتحدة نحو 110 محطات قدرة نووية عاملة في أواخر
ثمانينيات القرن العشرين، وتُعَدُّ بذلك المنتج الأول للقدرة النووية.
وتولد مفاعلاتها النووية نحو 20% من مجمل القدرة الكهربائية للولايات
المتحدة. وأهم الدول المنتجة الأخرى: كندا وفرنسا وبريطانيا واليابان
وروسيا والسويد وألمانيا؛ وفي كندا يوجد 20 مفاعلاً نوويًا تنتج نحو
15% من الكهرباء التي تحتاج إليها البلاد. وقد ساعدت الولايات المتحدة
والدول المنتجة الأخرى في تطوير محطات القدرة النووية في بلاد كالهند
وباكستان.مزايا الطاقة النووية وعيوبها. تتميز محطات القدرة النووية عن
محطات الوقود الأحفوري بميزتين رئيسيتين: 1- تستعمل المحطات النووية
وقودًا أقل كثيرًا مما تستهلكه محطة الوقود الأحفوري. فانشطار طن متري
من اليورانيوم مثلاً يعطي طاقة حرارية تعادل ما ينتج عن احتراق ثلاثة
ملايين طن من الفحم الحجري أو 12 مليون برميل من النفَّط. 2- لا يطلق
اليورانيوم إلى الجو مواد كيميائية ملوثة أو صلبة أثناء استعماله على
عكس الوقود الأحفوري.

ولكن للطاقة النووية ـ على الرغم من مزاياها ـ ثلاثة عيوب رئيسية عملت
على إبطاء تطور الطاقة النووية في العالم، وهي: 1- تكلفة إنشاء المحطة
النووية تفوق كثيرًا تكلفة إنشاء محطة الوقود الأحفوري 2- أخطار
المحطات النووية كبيرة، لدرجة لا تجعلها تخضع لقوانين حكومية معينة
يمكن أن تخضع لها محطات الوقود الأحفوري، كأن تفي هذه المحطات بمطالب
السلطات الحكومية بحيث تكون قادرة على معالجة أي حالة طارئة تلقائيًا
وبسرعة كبيرة. أضف إلى ذلك معارضة الكثيرين لإقامة محطات جديدة منذ ما
حدث عام 1979م في محطات القدرة النووية المقامة في ثِري مايِلْ آيْلاند
بالقرب من هارِسْبورْج في بنسلفانيا، والحادث الذي جرى عام 1986م في
تشيرنوبل في الاتحاد السوفييتي (سابقًا) 3- يستمر اليورانيوم في إطلاق
إشعاعات خطيرة، ولفترة طويلة، بعد استعماله كوقود للطاقة النووية، كما
أن مشكلة تخزين نفايات اليورانيوم لم تحل بعد.التطوير الكامل للطاقة
النووية. يعتقد كثير من الخبراء أن فوائد القدرة النووية تفوق أي
مشكلات تنجم عن إنتاجها. ويشير هؤلاء الخبراء إلى أن مخزون العالم من
النِّفط يمكن أن يُستنفد في منتصف القرن الحادي والعشرين. وتمتلك روسيا
والولايات المتحدة، والصين وبلاد أخرى ما يكفي من الفحم الحجري لسد
حاجتها من الطاقة لمئات السنين. ولكن الفحم الحجري وقود غير نظيف، إذ
يطلق، أثناء احتراقه، مقادير كبيرة من الكبريت وملوثات أخرى إلى الجو.
انظر: التلوث البيئي. ولو أمكن تطوير الطاقة النووية تطويرًا كاملاً
فإنها يمكن أن تحل تمامًا محل الفحم الحجري والنفط، مصدرًا للطاقة
الكهربائية.

ولكن يجب حل عدد من المشكلات قبل أن يتم تطوير الطاقة النووية تطويرًا
كاملاً. فعلى سبيل المثال، يمكن القول إن كل المفاعلات النووية
الموجودة حاليًا تتطلَّب نوعًا من اليورانيوم المعروف باليورانيوم ـ
235 (u-235)، وهذا النوع مخزونه في العالم محدود، فلو استمر استخدامه
بالمعدّل الحالي فإنه سينقص باطّراد، ويُسْتَنْفَدُ قبل منتصف القرن
الجاري. لذلك لا يمكن أن تحل القدرة النووية محل مصادر القدرة الأخرى
إلا حين يستطيع العلماء تطوير طريقة لإنتاج الطاقة النووية التي لا
تتطلب اليورانيوم ـ 235. وتتناول الفقرة الفرعية الطاقة النووية في
الوقت الحاضر، الطرق الرئيسة في إنتاج الطاقة النووية التي هي قيد
التطوير.

البنية النووية

نموذج دالتون

تتألف المادة من دقائق صغيرة جدا لا تتجزأ تسمى الذرات

تتشابه ذرات العنصر الواحد وتتساوى في الكتلة بينما تختلف ذرات العناصر
المختلفة

تتفاعل ذرات العناصر مع بعضها بنسب ثابتة لتشكيل المركبات

--------------------------------------------------------------------------------

نموذج طومسون

الذرة كرة مصمتة موجبة الشحنة

تتخلل الالكترونات السالبة الذرة ( كما تتخلل البذور ثمرة البرتقال )

الذرة متعادلة كهربيا

--------------------------------------------------------------------------------

نموذج راذرفورد

الذرة تشبه المجموعة الشمسية ( نواة مركزية يدور حولها على مسافات
شاسعة الالكترونات سالبة الشحنة )

الذرة معظمها فراغ ( لأن الذرة ليست مصمتة وحجم النواة صغير جدا
بالنسبة لحجم الذرة )

تتركز كتلة الذرة في النواة ( لأن كتلة الالكترونات صغيرة جدا مقارنة
بكتلة مكونات النواة من البروتونات والنيوترونات )

يوجد بالذرة نوعان من الشحنة ( شحنة موجبة بالنواة وشحنات سالبة على
الالكترونات

الذرة متعادلة كهربيا لأن عدد الشحنات الموجبة ( البروتونات ) يساوي
عدد الشحنات السالبة ( الالكترونات )

تدور الالكترونات حول النواة في مدارات خاصة

يرجع ثبات الذرة الى وقوع الالكترونات تحت تأثير قوتين متضادتين في
الاتجاه متساويتين في المقدار هما قوة جذب النواة للالكترونات وقوة
الطرد المركزي الناشئة عن دوران الالكترونات حول النواة

--------------------------------------------------------------------------------

عيوب نموذج راذرفورد

الذرة ليست متزنة ميكانيكيا ( بما الالكترون يدور حول النواة في مسار
دائري فانه حسب نظرية ماكسويل يشع أمواجا كهرومغناطيسية ويفقد جزءا من
طاقته وبالتالي يدور في مسار حلزوني حتى يلتصق بالنواة وهذا لايحدث

لم يستطع تفسير الطيف الخطي

معلومات أضافية

عيوب نموذج رذرفورد

اولا : الذرة ليست متزنة ميكانيكيا حيث أن النواة الموجبة تقوم بجذب
الالكترونات السالبة وتلتحم وتتعادل بفرض أن الالكترونات سالبة

اذا كانت الالكترونات تدور حول النواة في مسار دائري تنشأ قوة مركزية
تساوي ك ع2 / نق وبالتالي يتحرك الالكترون بتسارع مركزي ويكون مع
النواة ثنائي متذبذب فيشع أمواجا كهرومغناطيسية ويدور في مسار حلزوني
الى أن يسقط في النواة

ثانيا : بما أن الالكترون يدور حول النواة ويكون معها زوجا متذبذبا اذا
الذرة تشع طيف مستمر متغير في التردد والطول الموجي وتتناقص طاقته
تدريجيا وهذا يناقض مع التجارب العملية التي أثبتت أن الذرات تشع طيف
خطي له طول موجي محدد بدقة

الانشطار النووي

الأنشطار النووي Nuclear fission 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 البنزين.

نبذة عن بدايات تجارب الأنشطار النووي
تفاصيل عملية الأنشطار النووي
يختلف الأنشطار النووي عن عملية التحلل الإشعاعي من ناحية انه يمكن
السيطرة على عملية الأنشطار النووي خارجيا. تقوم النيوترونات الحرة
الناتجة من كل عملية انشطار الى تحفيز انشطارات اخرى التي بالتالى تؤدي
الى تكوين نيوترونات حرة اخرى وتستمر هذه السلسلة من الفعاليات مؤدية
الى انتاج كميات هائلة من الطاقة.

يطلق على نظائر عناصر كيميائية لها القدرة على تحمل هذه السلسلة
الطويلة من الأنشطارات النووية اسم الوقود النووي. من اكثر انواع
الوقود النووي استعمالا هي اليورانيوم ذو كتلة ذرية رقم 235
(يورانيوم-235) و بلوتونيوم ذو كتلة ذرية رقم 239 (بلوتونيوم-239) ,
هاذين العنصرين ينشطران بصورة بطيئة جدا تحت الظروف الطبيعية التي تسمى
ب الإنشطار التلقائي spontaneous fission وتاخذ هذة العملية التلقائية
مايقارب 550 مليون سنة على اقل تقدير ولكن عملية الأنشطار هذه يتم
تحفيزها والأسراع 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.