الإنشطار النووي والتفاعل المتسلسل

مقدمة :
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

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

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 .
وهذا النظير غير مستقر فيتفتت 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 ) :

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 s235Uتكون سريعة وتصل طاقتها إلى مليون إلكترون فولت ولذا يقوم s238U بأسر معظمها فلا يتم التفاعل المتسلسل
وللتغلب علي هذه المشاكل فكر العلماء فيما يأتي:

وهي عملية تكنولوجية معقدة نظرا لأن نظيرا اليورانيوم لهما نفس الخواص الكيماوية. لذلك تعتمد طرق فصل s235U عن s238Uعلي 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 .