الانشطار النووى

الانشطار النووى

كانالعالم
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 يوارانيوم ـ 235 بجسيمات خفيفة نسبياً مثل النيوترونات
التي تعد أفضل القذائف لأنها لا تحمل شحنة .
ويمكن
تمثيل الإنشطار النووي لليورانيوم بصورة عامة بالمعادلة والشكل :

الانشطار النووى 2

الاندماج النووي يحدث تفاعل
الاندماج النووي عندما تتداخل نواتان ذريتان. لكن، ليتم هذا التداخل، لا بد
من أن تتخطى النواتان التنافر الحاصل جراء شحنتيهما الموجبتين (و تعرف
الظاهرة
بالـحاجز الكولومبي). إذا ما طبقنا قواعد الميكانيكا الكلاسيكية
وحدها، سيكون احتمال الحصول على اندماج الأنوية منخفضا للغاية، بسبب الطاقة
الحركية
(الوافقة للهيجان الحراري) العالية جدا
اللازمة لتخطي الحاجز المذكور. و في المقابل، تقترح ميكانيكا الكم، و هو ما
تؤكده التجربة، أن الحاجز الكولومبي يمكن تخطيه
أيضا بظاهرة
النفق، بطاقات أكثر انخفاضا.
و بالرغم من ذلك، فإن الطاقة
اللازمة للاندماج تبقى مرتفعة جدا، و هو ما يقابله حرارة أكثر من عشرات أو
ربما مئات الملايين من الدرجات المئوية حسب طبيعة
الأنوية.
داخل الشمس، على سبيل المثال، يجري تفاعل اندماج الهيدروجين المؤدي، عبر
مراحل، إلى إطلاق الهليوم، في ظل جرارة تقدر ب 15 مليون درجة
مئوية، و
لكن ضمن تفاعلات مختلفة عن تلك التي تدرس على الأرض لإنتاج الطاقة عبر
الاندماج. و في بعض النجوم الأكثر كتلة، تتم عمليات اندماج لأنوية أضخم،
تحت درجات
حرارة أكبر.
عندما تندمج أنوية صغيرة، تنتج نواة غير
مستقرة، و لكي تعود إلى حالة أكثر استقرارا ذات طاقة أقل، يتم إطلاق جسيم
أو أكثر (فوتون، نوترون، بروتون، أو نواة
هيليوم، حسب
التفاعل)، و تتفرّق الطاقة الزائدة بين النواة و الجسيمات المطلقة، في شكل
طاقة حركيّة. و لكي يكون الاندماج ذا مردود جيد من الطاقة، من
الضروري
أن تكون الطاقة الناتجة أكير من الطاقة المستهلكة لتواصل التفاعلات و في
الحرارة الخارجة إلى المحيط الخارجي. كما يجب منع أي اتصال بين محيط
التفاعل و
مواد المحيط في المفاعلات الاندماجية.
عندما لا يوجد أي
وضع مستقر، تقريبا، قد يكون من المستحيل أن نقوم بإدماج نواتين (على سبيل
المثال : 4He + 4He).

اندماج نووي.

إن
التفاعلات الاندماجية التي تطلق أكبر قدر من الطاقة هي تلك التي تستخدم
أكثر الأنوية خفّة. و بالتالي فإن أنوية الدويتيريوم (بروتون واحد و نوترون
واحد) و التريتيوم (بروتون واحد و نوترونان)، مستخدمة في التفاعلات
التالية :

دويتيريوم +
دويتيريوم -> هيليوم 3 + نوترون
دويتيريوم + دويتيريوم -> تريتيوم + بروتون
دويتيريوم + تريتيوم -> هيليوم 4 + نوترون
دويتيريوم + هيليوم 3 -> هيليوم 4 + بروتون

و هذه التفاعلات هي أكثر التفاعلات دراسة في المخابر عند
تجارب الاندماج المراقبة.

الاندماج المتحكم فيه

يمكن
التفكير في عدة طرق تمكّننا من احتجاز محيط التفاعل للقيام بتفاعلات
اندماج نووية، من ذلك الاندماج عبر الاحتجاز المغناطيسي و غيره. و لكن لا
يوجد إلى حد الآن مادة يمكنها احتجاز الطاقة الهائلة للاندماج النووي،
لاستعمالها في أغراض صناعة الطاقة الكهربائية.
و من التطبيقات
الأخرى للاندماج، إنتاج النوترونات، و ذلك بالأساس لاكتشاف المتفجّرات، و
هو ما تم استخدماه منذ زمن بعيد في النطاق الصناعي.
الاندماج
بالاحتجاز المغناطيسي

التوكاماك، حيث يحتجز خليط من مماثلات الهيدروجين بواسطة
حقل مغناطيسي.
الستيلاتور، حيث
تؤمن الحواث (inductors) الاحتجاز بالكامل.

بلازما الإندماج

عندما تصل
الحرارة الدرجة التي يحصل فيها الإندماج، تكون المادة في حالة بلازما. إنها حالة
خاصة للمادة الأولية، تكوّن فيها الذرات أو الجزيئات غازا أيونيا.
لقد تم
إقتلاع إلكترون أو أكثر من السحابة الإلكترونية المحيطة بكل نواة، مما ينتج
عنه أيونات موجبة و إلكترونة طليقة، و يكون الكل محايدا كهربيا.
ينتج عن
التحرك الكبير للأيونات و الإلكترونات داخل بلازما حرارية، عدة اصطدامات
بين الجسيمات. و لكي تكون هذه الإصطدامات قوية بما فيه الكفاية لإنشاء
تفاعل اندماجي، تتدخل ثلاث عوامل :

الحرارة T ;
الكثافة N ;
زمن الإحتجاز τ.

حسب لوسون فإن العامل Nτ يجب أن يصل حدا فاصلا
للحصول على الـ breakeven حيث تكون الطاقة الناتجة عن الاندماج
مساوية للطاقة المستخدمة. يحدث الإيقاد، إثر ذلك، في مرحلة أكثر إنتاجا
للطاقة (من غير الممكن إيجادها اليوم في المفاعلات الحالية). إنه الحد الذي
يكون التفاعل إثره قادرا على المواصلة من تلقاء ذاته. لتفاعل ديتوريوم +
تريسيوم، يقدّر هذا الحد بـ 1014 ث /