- إنضم
- 24 فبراير 2008
- المشاركات
- 2,505
- التفاعل
- الدولة
بــــسم الله الـــرحمان الرحيـــــم
----هذا الموضــوع هو مجهــود شخصــي يرمي الى شرح و تعريف بعض المفاهيم العامة و الاساسية لتطبيقات و تقنيات الميدان النووي بشكل مبســط و سهــل .. ليكون في متناول القــراء من زوار و أعضاء منتــدى الدفاع---
المفـاهيــم العامــة الفيزياء النوويــة و تطبيقــاتها
--- جدول مندلييف ---
تتألف كل ذرة من ذرات العناصر الكيميائية من نواة ذات أبعاد صغيرة جدا ( بشعاع يعادل pow(10,-15)متر) تتجمع فيها معظم كتلة الذرة ، مشحونة شحنة موجبة يعتمد مقدارها على
عدد ما تحمله من بروتونات ، و تحيطها الكترونات سالبة الشحنة في مدارات حول النواة يساوي عددها في حالة الذرة المتعادلة كهربائيا عدد البروتونات ، كما يوجد نوع ثالث من مكونات الذرة و هي النوترونات المتواجدة على مستوى النواة ، كل نوترون له نفس كتلة البروتون لكن لا شحنة له ،أو محايد كهربائيا .
تتحدد الخصائص الكيميائية حسب عدد الكترونات electrons العنصر فهو إما متعادل أو في شكل أيون أي أن الذرة غير متعادلة كهربائية بفعل امتلاكها لعدد الكترونات اكبر من البروتونات أو أقل .
لكن على مستوى النواة فإن الأحجار الأساسية أو nucleons بمعنى النوترونات و البروتونات فهي ما يعطي الذرة خصائصها النووية ، فالبروتونات protons هي النويات المشحونة إيجابا ،و هي محدد طبيعة العنصر ، و عددها في النواة هو بمثابة رقم هوية كل عنصر ، فإذا تغير عددها تغير نوع العنصر كليا ، أما النوترونات فعددها يمكن أن يتغير و تبقى هوية العنصر محفوظة ، لكن ينتج عن تغير عدد نوترونات عنصر واحد تغير في كتلة الذرة و كذلك ظهور ما نسميها نظائر isotopes العنصر ، مثال بسيط على ذلك ذرة الهيدروجين ، فالهيدروجين الخفيف و هو الاكثر شيوعا هو عبارة عن بروتون واحد يدور حوله الكترون ، بينما الهيدروجين الثقيل–ديوتيريوم- هو عبارة عن بروتون + نوترون في النواة مع الكترون في مدار حول النواة ، بينما الــ - التريتيوم- هو عبارة عن بروتون + نوترونان 2 في النواة ، للإشارة فإن النوعين الثقيلين من الهيدروجين هما أساس القنبلة الحرارية و هو ما سنراه لاحقا بتفصيل أكثر .
لكل هذه الإختلافات فإننا نجد أن التفاعلات النووية تكتب و تصاغ بشكل مفصل أكثر فكل متفاعل يكتب على الشكل X(A,Z) حيث أن X هو اسم العنصر بينما A هو العدد الكتلي أي عدد بروتونات + نوترونات العنصر في حين أن Z هو العدد الذري أو عدد البروتونات .
في حين أن عدد النوترونات هو طبعا : A-Z
طـــاقة الربـط :
النقص الكتلي :
نعتبر نواة الهيليوم He(4,2) التي تتكون من نوترونين و بروتونين ، تبين القياسات الدقيقة أن كتلتها : m(He(4,2)) = 6,6447.10^-27 Kg
بينما كتلة مجموع نوياتها :
2mp + 2mn = 6,6952.10^-27 Kg
نرى إذن أن كتلة نواة الهيليوم أصغر من مجموع كتل نوياتها .
نسمي عموما النقص الكتلي Dmلنواة XAZالفرق بين مجموع كتل النويات وكتلة النواة
Dm= Z.m(p) + (A-Z) m
– m(X(A,Z))
نعرف جيدا أن شحنتين من نفس الإشارة تتنافران ، هنا يقفز عندنا تساؤل مهم :
ما الذي يجعل نواة الذرة متماسكة رغم احتوائها على بروتونات بشحنة موجبة ؟
يعزى تماسك نواة الذرة الى وجود قوى تجاذب بين النويات تعرف فيزيائيا بـ قوى التأثيرات البينية القوية ، و شدتها أكبر بكثير مقارنة مع قوى التنافر الكولومي ( الكهربي) بين البروتونات .
طاقة الربط هي الطاقة التي تفسر النقص الكتلي لنواة ، فحدسيا سنتساءل لماذا هناك نقص كتلي على مستوى النواة ، فالأمر سيبدو لنا غريبا في أول وهلة ، لكنه الأمر الذي يفسره أينشتاين في معادلته النسبية بأن الكتلة الضائعة تحولت الى طاقة ربط على مستوى النواة، أي عبارة عن طاقة مخزنة داخل نواة الذرة ، و هي ما يتم استغلاله جزئيا في التحولات النووية الطاقية ، و هو ما يعبر عنه رياضيا بالتالي :
El= Dm . C^2
سرعة الضوء С
النقص الكتلي Dm
الطاقة النووية عموما و في كل التفاعلات تحسب بالوحدة evelectronvolt و مضاعفاتها بدل الجول ، و العلاقة بين الوحدتين :
1 ev = 1.6021 *10^-19 Joule
طاقة ربط النواة لها أهمية كبيرة في تحديد درجة استقرار العنصر و بالتالي الخروج باستنتاج بدئي حول إمكانية دخول هذا العنصر في تفاعل نووي أو نشاط إشعاعي معين.
مفهـوم الإستقــرار :
نعني بمفهوم استقرار نواة عنصر ما ، مدى إمكانية دخول العنصر أو أحد نظائره في تحول نووي أو نشاط إشعاعي ، و يأتي عدم استقرار نواة عنصر من مقدار طاقة الربط و علاقته بعدد نوياتها و الذي يحدد عبر ما يسمى بطاقة الربط بالنسبة لنوية :
العدد الكتلي A حيث El/ A
---(Aston منحنى)---
فكلما كانت طاقة الربط بالنسبة لنوية أكبر كلما كانت درجة استقرار النواة أعلى .
بالنسبة لـــ 190>A و A>20 نلاحظ على المنحنى قيما دنيا لــ -El/A و تضم هذه المنطقة النوى الأكثر استقرارا و التي لا تشارك غالبا في أي تفاعل نووي و نلاحظ وسط هذا المجال نواة عنصر الحديد أكثر النوى تماسكا و استقرارا في الجدول الدوري .
بينما خارج هذا المجال توجد العديد من العناصر اشعاعية النشاط أو القابلة للانشطار كما هو بالنسبة للنوى الثقيلة لتعطي نوى أخف، أو في الجهة المقابلة نجد النوى الخفيفة القابلة للاندماج فيما بينها لتعطي نوى أثقل .
كما يوجد معيار آخر نسبي للإستقرار و هو عدد البروتونات نسبة الى عدد النوترونات فغالبا في النوى المستقرة يكون العدد متقاربا ، إلا أن الأمر قد يصل إلىA-Z/Z =2.5
بالنسبة لبعض النوى الثقيلة الغير مستقرة .
منحنى Segré
الدقــائق الإشعاعية و الأشعة الطـاقية :
كل شيئ في الطبيعة يبحث عن التوازن ، و هذا المبدأ عام و شامل لذلك فإن نوى الذرات الغير مستقرة بدورها ترمي الى التوازن و العودة الى الاستقرار الكتلي والطاقي بالتالي ينجم عن ذلك اطلاق هذه النوى لدقائق و أشعة طاقية و هو ما يسمى بالتفسخ أو التفتت النووي ، و من أهم الدقائق الإشعاعية نجد :
دقائق بيتا - ،و هي عبارة عن قدرة نواة عنصر معين على اطلاق الكترون بشحنة سالبة
و مثالا على ذلك عنصر الكوبالت و الذي يتفتت اشعاعيا حسب المعادلة التالية
Co(60,27) ==> Ni(60,28) + -e
ما يعني أن نظير عنصر الكوبالت يتفتت اشعاعيا و يعطينا عنصر النيكل اضافة الى دقيقة بيتا –
دقائق بيتا + و هي عبارة عن اطلاق نوى بعض العناصر لدقيقة شبيهة بالالكترون لكنها
موجبة الشحنة ( بوزيترون) و مثالا على ذلك نظير الفوسفور
P(30,15) ==> Si(30,14) + +e
الذي يتفسخ منتجا عنصر السيليكون
دقائق ألفا و هي عبارة عن انشطار نواة الى نواة أصغر + نواة الهيليوم و هو نمط تفسخ للعديد من العناصر المشعة أيضا و من بينها اليورانيوم 238
U(238,92) ==> Th(234,90) +He(4,2)
تفتت اليورانيوم 238 يعطينا الثوريوم 234اظافة الى دقائق ألفا
و البولونيوم 210 أيضا اشعاعي النشاط الفا ليعطينا عنصر الرصاص206.
Po(210,84) ==> Pb(206,82) + He(4,2)
الفصيلة المشعة : قد يحدث أن لا ينتهي التفسخ عند معادلة نووية واحدة بل هناك ما يسمى بالفصيلة المشعة و هي عندما تتفتت المتفاعلات ثم تعود نواتجها للتفتت مجددا و هكذا ، و هذا ما يبرزه مثال فصيلة اليورانيوم 238 ، فتفتته يعطينا الثوريوم 234 لكن هذا الأخير أيضا يتفتت بتفسخ بيتا - لإعطاءنا عنصر بروتاكتينيوم234 و هكذا في سلسلة تفاعلات الى غاية الوصول الى عنصر مستقر و هو عنصر الرصاص 206
أشعة Gamma : أشعة كهرمغناطيسية نفاذة و طاقية جدا ، حيث أن ترددها من القيم القصوى في مجال ترددات الموجات الكهرمغناطيسية ، و يستطيع ترددها الوصول الى قيمة 3*10^22 Hz، و تكاد دائما ترافق إشعاع بيتا و ألفا ، كما يظهر في المعادلة التالية :
في أول الأمر يتفتت الآزوت 16 ليعطي الأوكسيجين 16 في حالة استثارة + دقائق بيتا –
N(16,7) ==> O*(16,8) + -e
بعدها ترسل نواة الأوكسيجين التي لم تستقر بعد أشعة كاما :
O*(16,8)==> O(16,8) + gamma
الأشعة المؤينة :
إذا انفصل إلكترون أو أكثر عن ذرة متعادلة أصبحت الذرة أيونا موجبا ، لأن عدد بروتوناتها يصبح أكبر من عدد الكتروناتها ، و إذا اكتسبت الذرة الكترونا أو أكثر أصبحت الذرة أيونا سالبا .
و الأشعة المؤيِنة هي الأشعة التي بفعلها على ذرات و جزيئات المادة تعطيها مقدارا من الطاقة يكفي لانفصال الكترونات عنها و بالتالي إحداث تأين على مستوى المادة المعرضة لها ، و يعتمد التأثير الشعاعي البيولوجي للأشعة النووية على هذه الخـاصية .
يحدث التأين بصورتين مباشرة و غير مباشرة عبر توليد إشعاع ثانوي ، فالدقائق المشحونة كأشعة بيتا و البروتونات الحرة و الالكترونات عالية الطاقة تحدث تأينا مباشرا بفعل التفاعل الكولومي (الكهربي) مع الكترونات المادة التي تعترضها ، أما أشعة غاما بتفاعلها مع المادة تولد دقائق مشحونة (الكترونات في الغالب) ، و كذا النوترونات التي تنتج عن التفاعلات النووية فيمكنها تأيين المادة بشكل غير مباشر .
النشاط الإشعاعي :
النشاط الإشعاعي خاصية لبعض نوى الذرات غير المستقرة بأن تطلق ذاتيا و عشوائيا في الزمن أشعة أو دقائق لتنتقل إلى حالة الإستقرار.
من العناصر الإشعاعية الموجودة في الطبيعة :
اليورانيوم 238 ، الكربون 14 ، الراديوم 226 ، اليود 131 ، السيزيوم 137... و غيرها
كما توجد عناصر مشعة صناعية تنتج في المفاعلات و المسرعات النووية كــالبلوتونيوم 239 Pu الذي ينتج عن طريق قبض الـيورانيوم 238 على احد النوترونات ثم يطلق الكترونين بالتتابع في تفسخ مرحلي
و تكاد كل العناصر المستعملة في الطب الإشعاعي تكون من أصل صناعي كــ Po (210,84)
قانون التناقص الإشعاعي :
يتم تفسخ النوى إشعاعيا بشكل إحصائي في الزمن عن طريق المعادلة الرياضية التالية :
تابثة التفسخ للعنصرλعدد ذرات العنصر الأولية ، N0عدد الذرات المتبقية ،
هذه العلاقة الرياضية ناجمة على تجميع إحصائي لحساب احتمال تفسخ نوى الذرات عبر قانون احتمال رياضي معروف باسم قانون Poisson
تفسخ الذرة أو تفتتها يأتي بشكل عشوائي في الزمن لكن يمكننا إيجاد معادلة لشرح تصرف مجموعة من الذرات في حيز كبير نسبيا من الزمن لذا سنستخدم هذه التجربة الاحتمالية لفهم الأمر.
تخيلوا نردا بـ 6 أوجه ، و نهتم فقط بالوجه 5 من النرد مثلا، نرمي عدد n نرد و نحسب عدد النرود التي أظهرت الوجه 5 ، نسمي هذا العدد s ،و من تم نعيد التجربة مع النرودn-s و هكذا دواليك،واضح جدا أننا لا نعرف بالتحديد عدد النرود التي ستظهر لنا الوجه 5 و لا حتى متى و في أي رمية سيظهر الوجه 5 ، لكن في عدد منته من التجارب سنتوقف لأن عدد النرود يتناقص أسيا مع الزمن ، و هذا ما يوضح المعادلة الرياضية و التي يمكننا إيجاد توافق بين منحنى الدالة الرياضية و منحنى تجربة إحصاء الإحتمالات أيضا ...
يوجد تفسير آخر و هو تفسير تحليلي تفاضلي
نعتبر عينة تحتوي على N0 في اللحظة t=0 و نعتبر N(t) عدد النوى المتبقية
في لحظة t ، مع dt فترة زمنية ضئيلة جدااا
N(t)+dN(t) هو عدد النوى المتبقية في العينة عند اللحظة t+dt ، و عدد النوى المتفتتة هو– dN(t)
مع dN(t)<0 لأن N(t) يتناقص
تبين الدراسة الإحصائية لعينة أن عدد النوى المتفتتة–dN(t) يتناسب مع N(t) عدد النوى المتبقية و مع dt المدة الزمنية عبر العلاقة الآتية :
dN(t) = -λ. N(t).dt
أي :
dN(t)/N(t) = -λ.dt
و هي معادلة تفاضلية من الدرجة الأولى حلها يكتب على الشكل :
N(t) = K exp (-λt) و حسب الشروط البدئية أي t=0 فإن K=N0 و بذلك نحصل على العلاقة أعلاه .
النشاط الإشعاعي :
فيزيائيا يعبر عن النشاط الإشعاعي بعدد التفتتات في وحدة من الزمن ، و يعبر عنه رياضيا باشتقاق دالة التفسخ الإشعاعي بالنسبة للزمن مع إشارة سالبة للعمل بالنوى المتفتتة و ليس المتبقية :
a(t) = -dN(t)/dt =λ.N0.exp(-λt) = a0.exp(-λt) with a0 = λN0
و وحدته العالمية هي البيكريل Bequerrel حيث أن Bq 1 يمثل تفتتا واحدا في الثانية .
يعتبر النشاط الإشعاعي لنواة من أكبر خصائصها المدمرة و أحد أكبر العوامل التي تحدد تأثيراتها البيولوجية على الخلايا الحية ، فكلما ارتفع مقدار النشاط الاشعاعي لعنصر ارتفع ضرره ، و النشاط الإشعاعي موجود في كل مكونات الطبيعة لكن بصورة متفاوتة فلتر من الماء المعدني يصل نشاطه الى 10 Bq و رجل كتلته 70 كلغ يصل نشاطه الاشعاعي الى 7000 و حتى 10000 Bq بينما كلغ 1 من البلوتونيوم 239 يصل إشعاعه الى 2 TBq أي 2 ترليون Bq .
عمر النصف :
لكل عنصر يوجد ثابت زمني يسمى عمر النصف t1/2، و هو الزمن الذي يلزم مروره لتفسخ نصف عدد نوى عينة من المادة المشعة و هو يفسر ثابتة التفسخ كالآتي :
N(t(1/2)) = N0. exp(-λ .t1/2) = N0/2
exp ( λ.t(1/2) )=1/2 ==> -λ .t1/2 = ln (1/2)
λ= ln(2)/t(1/2
عمر النصف لبعض العناصر :
السترونتيوم 89 = 53 يوم ، السترونتيوم 90 = 28 سنة
الكربتون 80 = 25 ثانية ، اليود 131 = 8 أيام
السيزيوم 137 = 30 سنة
الإنشطار النووي :
الإنشطار النووي هو انقسام نواة ثقيلة في نطاق A>195 كنواة اليورانيوم مثلا ، لتعطينا نواتين بحجمين متقاربين و أحيانا 3 نوى .
و الطريقة المعتمدة غالبا في توليد الإنشطار هو عن طريق تهييج النواة ، و أهم وسيلة لفعل ذلك هو أن تقبض النواة على نوترون ، فطاقة الربط للنوترون الداخل للنواة تكفي في بعض الحالات في شطر النواة كما يحدث مع اليورانيوم 235، بينما في بعض الحالات ينبغي إعطاء النوترون شيئا من الطاقة الحركية حوالي 1Mev، إضافة لطاقة الربط كما يحصل مع اليورانيوم 238 .
فكما نرى من المعادلة أعلاه فاليورانيوم 235 بعد قبضه على نوترون يعطينا شظيتين ، أولاهما الزينون 140 و الأخرى السترونتيوم 94 إضافة الى نوترونين .
لماذا النوترون ؟؟؟
لأنه النوية الوحيدة الغير مشحونة و بالتالي يمكنها التقرب من الذرات و الوصول الى عمق النواة دون عائق التنافر الكولومي .
بينت القياسات أن كتلة المتفاعلات أكبر من كتلة النواتج ، ما يدل على أن النقص الكتلي الحاصل أثناء التفاعل النووي قد تحول الى طاقة (حوالي 200 Mevفي حالة اليورانيوم 235) إضافة الى أشعة كاما ، فالطاقة الناتجة عن تفاعل نووي بشكل عام تكتب على الشكل الآتي :
E=Dm.c2
أو بشكل آخر :
الطاقة المتولدة = طاقة ربط المتفاعلات – طاقة ربط النواتج
و النواتج و المتفاعلات تدخل فيها حتى النوترونات المشاركة في التفاعل .
نلاحظ أن نوترونين قد تولدا عن الانشطار الأول مكتسبان طاقة حركية ، فإذا افترضنا أن بعدها يلتقي كل واحد منهما بنواة أخرى فتنشطر النواتان أيضا لتعطيا 4 نوترونات تشارك في انشطار ثالث ... و هكذا يحدث تفاعل متسلسل ذاتي السيرورة ، و تابث مسيطر عليه ، و هذا ما يحدث في المفاعلات النووية ، أما إن حدث و شارك عدد كبير من النوترونات في انشطار نووي يصبح الوضع خطيرا و التفاعل انهياريا ما يؤدي الى انفجار المادة النووية و هو ما يحدث في التفجيرات النووية الانشطارية .
لكن هذا افتراضسطحـي فقط ، في الواقع الأمر أكثر تعقيدا فبغض النظر عن عدد النوترونات المشاركة هناك عــامل آخر حاسم يتدخل في العملية و هو ما نسميه الكتلة الحرجة :
و هي الكتلة اللازمة من المادة الإنشطارية للحفاظ على تفاعل متسلسل ذاتي .
نشأت فكرة الكتلة الحرجة من حقيقة أن الانشطار يتم في إطار الجسم المتفاعل و أن النوترونات يمكن أن تشرد أو تفقد و بالتالي لا تشارك في الانشطار ما يعني أن سلسلة الانشطار تكسر ، و تتدخل عوامل إضافية هنا و هي أبعاد الجسم المتفاعل و شكله و نقاء المادة النووية ... و لهذا فنسبة مشاركة النوترونات الى تسربها يتغير طرديا مع أبعاد الجسم النووي ، و خلاصة الحديث هنا هي أن نسبة التفاعل الى التسرب تبقى تابثة في الحجم الحرج ، و تــزداد أسيا مع الزمن في الحجم فوق الحرج ، بينما تتناقص أسيا مع الزمن في حالة الكتلة تحت الحرجة ، لهذا يجب دائما أن تبقى مكونات القنبلة النووية قبل الاستعمال، في الحجم تحت الحرج حتى لا يحدث انفجار مباغت يمكن ان ينشأ عن نوترون من الأشعة الكونية ، أو من انشطار فجائي ذاتي لنواة من نوى المادة النووية .
و تعتمد الكتلة الحرجة على التركيب الكيماوي للمادة النووية و درجــة تخصيبها و كثافتها و شكلها و خواصها الامتصاصية ...
فهناك عناصر ما بعد اليورانيوم Transuranians تطلق الى حد 5 نوترونات في الإنشطار الواحد و بالتالي فإن كتلتها الحرجة ستكون أقل بكثير من كتلة اليورانيوم 235 مثلا .
الإندماج النووي :
خلافا للانشطار النووي فالاندماج يعمل بشكل عكسي فالعناصر ذات النوى الخفيفة تسعى من جانبها الى الاندماج للوصول الى عدد كتلي أكبر ، لكن الأمر ليس ببساطة الانشطار ، فنحن هنا نتعامل مع ذرات بكل مكوناتها و بالتالي للتغلب على قوى التنافر الكولومي بين الكترونات الذرتين المندمجتين و كذا بين بروتوناتها ، يوجد حل واحد الى حد الآن و هو تحويل المادة الى حالة بلازما و هي حالة فيزيائية تحدث عند درجة حرارة 10 ملايين الى 100 مليون كلفين فما فوق ، يقع ضمن هذه الحالة فقدان تام للتركيبة الاعتيادية للمادة و انسلاخ للالكترونات عن نوى المادة ما يجعل الاندماج ممكنا ، و لربما لهذا السبب يقتصر استغلال الاندماج على القنابل النووية الحرارية فقط فنحن لم نطور بعد نظاما طاقيا للاستفادة من الطاقة الاندماجية التي هي أكبر بكثير من الطاقة الانشطارية ، ما عدا في نطاق الدراسة و التجريب كما يحدث في مراكز Tokamak، тороидальная камера в магнитных катушках والتي تعني الغرفة الدائرية داخل وشائع مغناطيسية
حيث يتم إحاطة البلازما بحقل مغناطيسي قوي يمنعها من لمس العدة التجريبية و إلا فالحرارة الرهيبة قادرة على تبخير كل ما يحيط بها .. تلك المراكـز تم انشاؤها أول الأمر في الاتحاد السوفياتي و اولها Tokamak T1 في بداية الخمسينيات في معهد كــورشاتـوف تحت اشراف العالمين Andrei Sakharov و Igor Tamm ..مبدأ عملها هو في احتواء بلازما من الديوتيريوم و التريتيوم في حقل مغناطيسي تنتجه وشائع ضخمة ..البلازما المسخنة الى ملايين الدرجات عبر اشعاع ليزري قوي (مفعول كونتون) و عبر موجات كهرومغناطيسية بتردد مدروس الشيئ الذي يثير المادة و يرفع دجتها بشكل كبير ..
هذه المراكز التجريبية لم تقتصر على السوفييت ، حاليا توجد العديد منها في العديد من دول العالم مثل : المفاعل الدولي النووي الحراري في فرنسا ITER و مركــز K STAR في كوريا الجنوبية و D III-D في الولايات المتحدة و غيرها ..
تزداد قوى التنافر الكولومي كلما زاد العدد الذري للنواة و لذلك فالاندماج عادة ما يقتصر على الذرات الخفيفة كـالهيدروجين و الليثيوم و حتى البيريليوم
فمثلا يندمج نظيري الهيدروجين (الديوتيريوم و التريتيوم) لإعطاء نواة الهيليوم + نوترون + 17.6 Mev .
قد تبدو 17.6 أصغر من 200 بالنسبة لمقارنة انشطار واحد باندماج واحد لليورانيوم 235 ، لكن كمية الطاقة المستخلصة مثلا من1 كلغ من المادة المندمجة الخفيفة يمثل أضعاف ما يوجد في 1 كلغ من المادة المنشطرة .. ما يجعل الحصيلة الطاقية الكلية للإندماج أكبر من نظيرتها في الإنشطار.
تخصيــب الـيورانيــوم :
تخصــيب اليورانيوم هو العمليـة التي يتم من خلالها الرفع من نسبة نظير اليورانيوم الاكثر قابلية للانشطار أو بالأحرى زيادة نسبة اليورانيوم 235 حيث أن هذا الأخير ينشطر بمجرد التقافه لنوترون بطيئ أو بطاقة ربط النوترون فقط عكس الـ U 238 الذي يلزمه للانشطار نوترونات سريعة و في ظروف خاصة .. U235 لا يشكل في الطبيعة أكثر من 0.71 % بينما يشكل النظير الاثقل U 238 النسبـة الباقية تقريبا و يسمى اليورانيوم الطبيعي NU Natural Uranium،إضافة الى النظيرين 234 و 236 الذان يوجدان بنسبة لا تكاد تذكر.. التخصيب لأغراض صناعية (غالبا لمفاعلات الطاقة)أو ما يسمى اليورانيوم المنخفض التخصيبLEU Low Enriched Uranium لا تتجاوز نسبة نظير اليورانيوم 235 فيـه 2-20 %و عادة ما يتم اللجوء الى نسبة تخصيب ما بين 3 الى 5% للمفاعلات العاملة على الماء الخفيف و هي الاكثر استعمالا عبر العالم، لكن المفاعلات المخصصة للابحاث النوويةقد تصل نسبة تخصيب وقودها النووي بين 12 و 19,5 % ..بينــما ترتفع النسبـة لليورانيوم المخصص لأغراض التفجيرات النووية أو ما يسمى اليورانيوم عالي التخصيب HEU Highly Enriched Uraniumالى أكثر من 90 % ، و ذلك للتقليص من الكتلة الحرجـة للشحنة النووية و الزيادة من فاعلية التفجير .
النظيريـن U 235 & U 238 لهما نفس الخواص الكيميائية إلا أن الفرق الكتلي لنواتيهما هو ما يتم استغلاله في عمليات التخصيب للتمكن من فصلهما و بالتالي انتقاء النظير الاكثر قابلية للانشطار بشكل نسبي و يجري ذلك عبر عدة عمليات و تقنيات نشرح بعضها كما يلي :
التخصـيب بالمجال الكهرومغناطيسي :
هذه التقنية استعملت في تخصيب قنبلة الولد الصغير و هي تعتمد على الفرق الكتلي بين نظيري اليورانيوم و للفصل بينهما يتم تسريع أيونات بخار اليورانيوم عبر تمريرها عبر مجال كهربائي بعدها يتم تمريرها عبر مجال مغناطيسي تكون شدة و منحى تاثيره على الجزيئات مختلفة بشكل طفيف بين الذرات الحاملة للنظير 238 و بين 235 و ذلك لاختلاف كتلتهما ..تتم العملية بشكل مكرر في جهاز الكالوترون و بهذا يتم الفصل النسبي بين النظائر .. تم ترك التقنية و استبدالها بالتخصيب بالقوة النابذة فيما بعد
التخصيب بالقوة النابذة المركزية (الطرد المركزي) :
التخصيب بالطرد المركزي أحد أهم أنماط التخصيب في العالم و الى يومنا هذا فهي تسيطر على حصة 26.5 MUTS في السنة من اصل 38 MUTS.. التقنية تعتمد على اسطوانات طرد مركزي تحتوي على بخار غاز هيكسافليور اليورانيوم UF6 تدور بسرعة عالية ما ينشأ عند قوة طاردة مركزية تجعل من الذرات الأخف تبقى متجمعة جول محور الدوران بينما ترمى الذرات الاثقل الى محيط جهاز الطرد .. يتم عندها تسخين اسفل محور جهاز الطرد فتصعد نسبة اكبر من جزيئات هيكسافليور اليورانيوم 235 الى الاعلى ليتم تفويتها لجهاز آخر بينما تبقى الجزيئات الاثقل في الأسفل .. و هكذا دواليك تكرر العملية مرات عديدة حتى الحصول على نسبة تخصيب كافية .
التخصيب بالليــزر :
يعد الفصل الايسوتوبي باستعمال الليزر تقنيـة مستجدة من تقنيات التخصيب إذ يتم استغلال الفرق الضئيل بين الطيف الكهرومغناطيسي للنظيرين 238 و 235 الناتج عن الاختلاف في مستويات الطاقة لدى الالكترونات الخارجية لكلا النظيرين ، اذ يتم تهييج ذرات بخار اليورانيوم عبر اشعاع فوتوني مركز يختلف تاثيره على النظيرين حسب اختلاف تردده ..و بالتالي فهناك تردد مؤثر لكل نظير من اليورانيوم ..بعد تهييج النواة باشعاع طاقي متوافق مع مستوى طاقة الكتروناتها الخارجية تعطى هذه الاخيرة الطاقة الكافية للقفز من الذرة و بالتالي تصبح الذرة ايونا موجبا ، بعدها يسلط على خليط نظيري اليورانيوم مجال كهربائي يؤدي الى تسارع الذرات المشحونة بينما ذرات النظير الآخر تبقى غير متأثرة بالمجال .. ما يمكن من فصل النظيرين .
هذه التقنية استعملت على نطاق تجريبي في العديد من الدول و منها تقنية SILVA Separation Isotopique par Laser sur Vapeur Atomique في فرنسا منذ 1980 ..نجد ايضا تقنيةSILEX المطورة في استراليا منذ تسعينات القرن الماضي Separation of Isotopes by Laser EXcitationو التي تعتمد نفس المبدأ على ذرات غاز هيكسافلورور اليورانيوم
هذه التقنيـة فعالة جدا و لكن بالمقارنة مع الجدوى الاقتصادية للتقنيات الاخرى تبقى مكلفة طاقيا و اقتصاديا ما يجعلها غير مستعملة على نطاق صناعي واسع الى حد الآن .
بعض تطبيقات الفيزياء النووية الطاقيــة و الطبيــة :
المفاعلات النووية :
يعتبر الميدان الطاقي من أهم الميادين التي تستخدم فيها الخواص النووية للمواد ، حيث يمكن استغلال خاصية انشطار بعض النوى الثقيلة و استخدامها كوقود نووي كاليورانيوم 235 و البلوتونيوم 239 ، إضافة إلى هذا نجد أن المفاعلات النووية تساهم في إنتاج عناصر ذات نشاط نووي كبير يمكن استخدامها في ميادين اخرى كالطب و الميادين العسكرية .
فما الذي يحدث داخل المفاعلات ؟
مفاعلات الطاقة الكهربائية هي منشئات صناعية مهمتها الأساسية توليد الطاقة الكهربائية عن طريق تحول الطاقة النووية الى طاقة كهربائية ، و هي مصممة للسيطرة على الانشطار النووي و منعه من الانفلات ، حيث أن الوقود النووي يكون داخل قلب المفاعل عادة على شكل قضبان متوازية من UOX اوكسيد اليورانيوم المحاط بطبقة من معدن الزيركونيوم Zr الذي لا يخفض سرعات النوترونات ، الى جانب ذلك نجد قضبان الـ Moderators و التي تكون عادة مشكلة من مواد خفيفة لها تقريبا نفس كتلة النوترونات من الهيدروجين الخفيف او الديوتيريوم ، وظيفتها الأساسية هي انقاص سرعة النوترونات فمرور النوترونات السريعة في وسط من المواد الخفيفة ينتج عنه ابطاء لسرعتها و بالتالي تستطيع الدخول في التفاعل النووي مع نوى U 235 بسهولة أكبر عوض تسربها خارج مجال التفاعل ، إضافة الى قضبان التحكم التي يتم إدخالها دوريا لامتصاص النوترونات و بالتالي كبح جماح التفاعل و عادة ما تكون من مواد كالكادميوم أو الغرافيت أو البور .. و الكل مغمور في ناقل للحرارة (عادة المياه الخفيفة) يعمل على شكل نظام تبريد للمفاعل .
الانشطار النووي يولد كما هائلا من الحرارة ، يتم تبريدها عن طريق نظام تبريد يعمل على المياهو التي تصبح في حالة بخار مائي بضغط شديد نتيجة نقلها للحرارة ،يخرج بخار الماء بضغط يبلغ 400 ضغط جوي وتكون درجة حرارته بين300 و 550 درجة مئوية بواسطة أنابيب متينة من حاوية المفاعل، وهي تسمى أحيانا خزان الضغط للمفاعل و هذا الضغط هو الذي يدير التوربين و الذي بدورانه حول مغناطيس عملاق يولد الكهرباء .
وبهذا تتحول الطاقة النووية الى طاقة حرارية ثم ميكانيكية ثم كهربائية .
بعض المفاعلات قد تصل قدرتها الى 1.5 Gigawatt كما في نوع المفاعلات السوفياتي RBMK Реактор Большой Мощности Канальный المفاعل المتعدد القنوات
الـتأريخ الإشعاعــي :
يتم استغلال خاصية التناقص الإشعاعي لدى العناصر النشطة إشعاعيا في إعطاء عمر بعض الصخور و مستحاثات و بقايا الكائنات الحية ، فبمقارنة قياس نشاط أو كمية المادة المشعة داخل العينة المدروسة مع قياس النشاط الابتدائي للمادة المشعة يمكن لنا تحديد عمر العينة ، و هناك عدة طرق من أهمها التأريخ بالكاربون 14 الشهير و طريقة التأريخ بالفصيلة المشعة يورانيوم- رصاص ، إضافة الى التأريخ روبيديوم سترونتيوم و غيرها ...
تأريخ الصخور :
يمكننا تأريخ أنواع من الصخور و خصوصا الصخور ذات الطبيعة البركانية و المتبلورة كالغرانيت او البازلت ، لأن سرعة تحجرها انطلاقا من الماكما تحافظ على تماسك جزيئي كبير بين بلوراتها، و بذلك فإن العناصر المتواجدة في عينة منها تكون غالبا أصلية ما عدا العناصر الناشئة عن تفتت إشعاعي ... و هو بالضبط ما نبحث عنه للقياس .
و أكثر الطرق فعالية هي طريقة التأريخ يورانيوم 238 – رصاص 206 ، فالصخور البركانية كالغرانيت مثلا تحتوي على نسبة من معدن سيليكات الزيركونيوم sillicatezirconium (ZrSiO4 ) ، بالنسبة لهذا المعدن يمكن استبدال الرابطة Zr بالرابطة U و بالتالي إيجاد نسبة من جزيئات USiO4 داخل بلورات الصخرة و هي بالتحديد ما نبحث عنهلتحديد عمر الصخور المتبلورة .
فبمجرد تبلور المعدن يبدأ تفتت اليورانيوم الموجود في الصخر و يؤدي الى ظهور عنصر الرصاص الذي لا يتواجد هنا إلا كمحصلة لهذا التفسخ .
و بفضل دراسة كمية الرصاص الموجود داخل عينة من الصخر في الوقت الحالي و نشاط اليورانيوم الاشعاعي فيمكننا معرفة التوقيت الذي بدأت فيه الساعة الاشعاعية بالعد .
التأريخ بالكربون 14
الكربون عنصر مهم في تشكيل معظم ذرات الكائنات الحية ، و يعد الكربون 12 أكثر نظائره شيوعا في الطبيعة كما يوجد النظير 13 و كذا 14 و هذا الأخير موجود بكمية شحيحة لا تتعدى 0.0001 % من مجمل كمية الكربون على سطح الكوكب.
و يـتـأتى نظير الكربون 14 من تحول غاز الآزوت 14 الموجود في طبقات الجو العليا بعد تلقفه لنوترون قادم من النـشاط الشمسي أو الأشعة الكونية لإعطاء عنصر الكربون 14 + الهيدروجين الخفيف .
كل الكائنات الحية تستهلك الكربون بمختلف نظائره عن طريق التحليل الضوئي عند النبات و بعدها دخوله في السلسلة الغذائية ، و تبقى نسبة الكربون 14 مستقرة داخل الكائن الحي بفعل تجديده المستمر لغذاءه و لخلاياه ، لكن هذه النسبة تبــدأ بالتناقص فور موت الكائن ، و متابعة تناقص الكربون 14 إشعاعيا تمكننا من معرفة الفترة الفاصلة بين توقف المادة العضوية عن التجدد و بين فترة العثور على المستحاثة او الجثة او بقايا مادة عضوية ما .
يتفتت عنصر الكربون 14 وفق التفسخ بيتا – ليعطي عنصر الآزوت 14 ، وبتطبيق قانون التناقص الإشعاعي :
علما أن :
t (1/2)= 5600 years ,= ln(2)/t(1/2)
يمكن تحديد عمر عينة بالعلاقة التالية :
t = - ( 1/ ).ln(a(t)/a0) = - (t(1/2)/ln(2)). ln(a(t)/a0)
يقاس النشاط a(t) لكتلة معروفة من العينة 1 غرام مثلا .
يقاس النشاط a0 البدئي لنفس الكتلة من عينة شاهدة حالية .
للإشارة فإن طريقة التأريخ بالكربون 14 تستعمل فقط في حالة العينات الأقل عمرا من 40 ألف سنة ، لأن عند مجال أكبر تنقص كمية الكربون 14 بكيفية كبيرة يستعصي معها قياس نشاطها .
الطــب الإشعاعي :
يعد الطب أول المجالات التي عرفت تطبيقات للأنشطة الإشعاعية ، بعد اكتشافها من طرف هنري بيكريل . فهو يستعمل في علاج سرطانات الجلد و في تشخيص بعض الأمراض فالطاليوم 201 عنصر مشع بعمر نصف يساوي 3.04 يوم يتبث في قلب الإنسان ، فعند حقن كمية ضئيلة جدا منه في الجسم يمكن بواسطة كاميرا تصوير اشعاعية معرفة حالة عضلات القلب ، كذلك الأمر بالنسبة لليود 131 الذي يستخدم لتشخيص التهاب الغدة الدرقية التي تمتص اليود بشكل انتقائي و يمكن الاشعاع الصادر عن نظيره المشع من تتبع حالة الغدة و تطور الالتهاب .
كما يمكن النشاط الاشعاعي لبعض النظائر من قتل الأورام السرطانية عن طريق تأيينه للروابط الهيدروجينية و الآزوتية في سلاسل البروتين و بالتالي تدمير الخلية و إيقاف نموها و تكاثرها ، إظافة الى ذلك تمكن دقائق بيتا – من تعقيم أدوات الجراحة و القضاء على البكتيريا و الفيروسات و غيرها من الأجسام العضوية المجهرية .
الاستغلال العسكري :
القنبلة الانشطـارية الكلاسيكية :
يستخدم الانشطار النووي لصنع قنابل ذات قوة انفجارية عالية و هو ما يسمى بالقنبلة الذرية الانشطارية .
المبدأ الأساسي في صناعة القنابل الانشطارية هو بأن يتحد بواسطة جهاز التفجير 2 أو أكثر من الكتل تحت الحرجة من المادة الانشطارية في وقت قصير جدا ، لتكوين كتلة فوق الحرجة ما يؤدي إلى تحرير طاقة هائلة نتيجة تفاعل متسلسل انهياري .
أهم أجزاء العدة الانشطارية النووية هي : الشحنة النووية ، جهاز التفجير و الغلاف .
فالشحنة النووية تعتمد على نوعية المادة الانشطارية و كتلتها و حجمها و كذا كتلتها الحرجة و هناك العديد من العناصر التي يمكن استعمالها لهذا الغرض كــ اليورانيوم 235 ، البلوتونيوم 239 ، البلوتونيوم 241 و حتى الكاليفورنيوم 249 .
و تقاس طاقة الانفجار بالمقارنة مع الطاقة المحررة من مادة تراينتروتولوينTNT فالكيلوغرام الواحد منه يحرر ما يكافئ 4184 Megajoule ، فالقنبلة الملقاة على نكازاكي "الولد السمين" وصلت طاقتها الى 20 كيلوطن TNT بينما هناك رؤوس انشطارية حاليا أقوى بكثير و تصل الى عشرات الميغاطن .
أما جهاز التفجير فمهمته الأساسية هي جمع الكتل تحت الحرجة في كتلة واحدة فوق الحرجة بشكل سريع ، و يتم ذلك إما بالتغيير المكاني للكتل أو بتغيير شكل أو كثافة المادة الانشطارية ، و من المهم ان يتم التوحيد بطريقة لحظية حتى لا يفقد السلاح فعاليته ، و لتجري عملية توليد الطاقة بشكل سريع يتم استعمال نيوترونات سريعة لقذف المادة النووية ، لكن مع النوترونات السريعة تكبر نسبة التسرب و عدم تفاعلها ولهذا فأن درجة تنقية و تخصيب المادة النووية و كذا استخدام عواكس للنوترونات على غلاف القنبلة يساهم في التقليل من نسبة التسرب و يضمن الوصول الى تفاعل ذاتي انهياري .
و بما ان عدة الانفجار تتفكك في مجرى الـزمن ففاعلية اي انفجار نووي تكون اقل من فاعليته النظرية ، فالتغيرات الزمنية الطفيفة الطارئة على وسط التفاعل تؤثر بشكل كبير على الطاقة المتحررة .
الغلاف مهمته هو احتواء الشحنة النووية و جهاز التفجير و الحيلولة دون تشتت المادة النووية قدر المستطاع ، و كذا تغيير نسبة التسرب الى التفاعل عند النيوترونات عبر مواد تعكسها كـأوكسيد البيريليوم مثلا .
ينفجر السلاح النووي في وثاحد من المليون من الثانية ، و تتحول مجمل الطاقة الى طاقة حرارية تسخن كل مكونات القنبلة الى ملايين الدرجات ما يؤدي الى تبخرها بعد برهة ضئيلة من الزمن ، و من التطورات الحاصلة على الأسلحة النووية الانشطارية هو الاتجاه نحو التصغير الحجمي و الكتلي للقنابل كصناعة رؤوس نووية صغيرة تركب على الصواريخ و الألغام و حتى قذائف للمدفعية ، و ذلك عن طريق تقليص الكتلة الحرجة للمتفاعلات عبر تطوير هندسة المادة النووية و رفع درجة نقاءها ، و من أوجه التطويرات الحاصلة أيضا هو الرفع من كفاءة الاسلحة النووية الى ما يقارب الـ 30 % عوض 2 % فقط في قنبلة هيروشيما 1945 ، فكتلة المادة النووية كانت آنذاك 50 كلغ من اليورانيوم 235 اما الآن فيكفي 4 كلغ فقط للوصول الى نفس الطاقة التدميرية .
القنبلة الاندمــاجية :
كما راينا سابقا فقنبلة الانشطار تحرر الطاقة عن طريق انشطار ذراتها الثقيلة و في مرحلـة واحدة ، إلا أن الحال يختلف بالنسبة للقنابل الاندماجيــة حيث أنها قنابل ذات مرحلتيـن أو 3 مراحل ، ففي المرحلة الأولى من الانفجار يستخدم موقـد انشطاري للوصول الى درجـة حرارة الاتقاد وهي حرارة متطرفة تصل الى 10 ملايين درجة ، و بعد ذلك فقط يمكن أن يجري التفاعل الاندماجي و تستخدم العناصر و النظائر التالية عادة كوقود اندماجي :
H(1,1) , D(2,1) , T(3,1) , Li(6,3)
حيث D = Diotirium , T = Tritium , Li = Lithium
تتألف عـدة الانفجار الاندماجي ذات المرحلتين أساسا من الموقد النووي الانشطـاري ، تحيطه الشحنـة الاندماجية ، ثم الغلاف ..
و للحصول على كثافة عاليـة لخليط الديوتيريوم – تريتيوم يتم حفظهما في الحالة السائلة على درجة حرارة لا تتجاوز 20 كيلفين = -253 درجـة مئوية ، أما بالنسبة للقنابل ذات القوة الانفجارية العالية فيتم حفظ الوقود النووي في الحالة الجافة على شكل مركبات كـديوتريد الليثيوم و الذي يمكن خزنـه بشكل جيد و تصنيعه بسعر رخيص نسبيا ..
و تجري التفاعلات التالية بين مكونات الشحنة النووية :
تجري في المرحلة الاولى بعد الانشطار النووي مباشرة التفاعلات التالية بين الديوتيريوم ،ليثيوم و النيوترونات الآتية من الانشطار
Li(6,3) + n(1,0) ==> He(4,2) + T(3,1) + 4,8 Mev
D(2,1) + n(1,0) ==> T(3,1) + 6,2 Mev
و في إطار التفاعل الاندماجي يحصل التفاعل الرئيسي
D(2,1) + T(3,1) ==> He(4,2) + n(1,0) + 17,6 Mev
و يصحبـه التفاعلان التاليان :
D(2,1) + D(2,1) ==> T(3,1) + H(1,1) + 4,0 Mev
D(2,1) + D(2,1) ==> He(3,2) + n(1,0) + 3,3 Mev
و عند درجات الحرارة المتطرفـة تتحرر الطاقة عبر التفاعلات التالية أيضا :
Li(6,3) + D(2,1) ==> 2 He(4,2) + 22,3 Mev
T(3,1) + H(1,1) ==> He(4,2) + 19,8 Mev
Li(6,3) + D(2,1) ==> Li(7,3) + H(1,1) + 5,0 Mev
بما أن الليثيوم أثقل من العناصر الأخرى في التفاعلات و له عدد ذري أعلى فيلزمه توفر درجة حرارة كبيرة للاندماج بفاعلية أكبر و لذلك قد يضاف الى شحنة ديوتريد الليثيوم مقدار من الديوتيريوم و التريتيوم أو مركب تريتيد الليثيوم الصلب ..
يمكن التوصــل بقنبلـة ذات مرحلتين الى قوة انفجار تصل الى بضعة ملايين طن TNT و بقنبلـة ذات 3 مراحل يمكن الوصول بها الى حد 100 ميغاطن TNT ، بالنسبة لقوة التفجير هاته فقد ألغى الاتحاد السوفياتي تطوير قنابله للوصول الى هذا الحد من القوة و اكتفى بقوة 57 ميغا طن لقنبلة القيصـر إيفان ،أقوى سلاح تصنعه البشرية الى الآن ..
ففي المرحلــة الثالثة ينشطر اليورانيوم 238 بواسطة النيوترونات السريعة الآتية من الاندماج النووي و يوضع هذا اليورانيوم بحيث يكون الجزء الرئيسي من الغلاف أو أن يكون مركبا كيماويا مع مواد التفاعل الاندماجي و ينتج عنه تعاظم هائل لقوة الانفجار قد يصل الى 80 في المئة من القوة الاجمالية ..
قنبلـة من هذا النوع لها تأثير إشعاعي كبير الى جانب موجـة الضغط و التأثير الحراري و الضوئي حيث يتولد عن انفجارها نيوترونات تسبب اشعاعا متخلفا في ذرات الهواء و التربة و المعادن التي تصيبها في مكان الانفجار إظافة الى الاشعاع الفوري الآتي من الانفجار نفسه .. و لإعطاء الاشعاع طابعا أكثر فتكا قد يحصل أن يوضع الكوبالت في غلاف القنبلـة حيث يتحول الكوبالت 59 إلى كوبالت 60 و هو عنصر مشع خطير حيث يتفسخ بعمر نصفي = 5,3 سنة مطلقا أشعة كاما قوية تلحق بالكائنات الحية أضرارا بالغة الخطورة بفعل نفاذيتها العالية و طاقتها الكبيرة ..
حاليــا 9 دول تتقاسم ما مجموعه تقريبا 4400 رأس نووي في الخــدمة بينما العدد الكلي حاليا يتجاوز 17625 راسا نوويا .. منها 8500 في روسيا ، 7700 في الولايات المتحدة الذان وقعا اتفاقية ستارت للخفض من عدد الرؤوس النووية لكليهما ..بينما تملك فرنســا 300 راس نووي و المملكـة المتحـدة 225 ، الصين بدورها تحصي 250 راسا نوويا الى جانب الهند و باكستان بـ 90-110 و 100-120 بالتتابع ..
في حيـن تبقى التقديرات لاسرائــيل بين 80 و 200 راس نووي و كذا عدد الرؤوس الكورية الشمالية تبقى غير محددة بشكل دقيق ...
----------------------------------هذا الموضــوع هو مجهــود شخصــي يرمي الى شرح و تعريف بعض المفاهيم العامة و الاساسية لتطبيقات و تقنيات الميدان النووي بشكل مبســط و سهــل .. ليكون في متناول القــراء من زوار و أعضاء منتــدى الدفاع---
المفـاهيــم العامــة الفيزياء النوويــة و تطبيقــاتها
--- جدول مندلييف ---
تتألف كل ذرة من ذرات العناصر الكيميائية من نواة ذات أبعاد صغيرة جدا ( بشعاع يعادل pow(10,-15)متر) تتجمع فيها معظم كتلة الذرة ، مشحونة شحنة موجبة يعتمد مقدارها على
عدد ما تحمله من بروتونات ، و تحيطها الكترونات سالبة الشحنة في مدارات حول النواة يساوي عددها في حالة الذرة المتعادلة كهربائيا عدد البروتونات ، كما يوجد نوع ثالث من مكونات الذرة و هي النوترونات المتواجدة على مستوى النواة ، كل نوترون له نفس كتلة البروتون لكن لا شحنة له ،أو محايد كهربائيا .
تتحدد الخصائص الكيميائية حسب عدد الكترونات electrons العنصر فهو إما متعادل أو في شكل أيون أي أن الذرة غير متعادلة كهربائية بفعل امتلاكها لعدد الكترونات اكبر من البروتونات أو أقل .
لكن على مستوى النواة فإن الأحجار الأساسية أو nucleons بمعنى النوترونات و البروتونات فهي ما يعطي الذرة خصائصها النووية ، فالبروتونات protons هي النويات المشحونة إيجابا ،و هي محدد طبيعة العنصر ، و عددها في النواة هو بمثابة رقم هوية كل عنصر ، فإذا تغير عددها تغير نوع العنصر كليا ، أما النوترونات فعددها يمكن أن يتغير و تبقى هوية العنصر محفوظة ، لكن ينتج عن تغير عدد نوترونات عنصر واحد تغير في كتلة الذرة و كذلك ظهور ما نسميها نظائر isotopes العنصر ، مثال بسيط على ذلك ذرة الهيدروجين ، فالهيدروجين الخفيف و هو الاكثر شيوعا هو عبارة عن بروتون واحد يدور حوله الكترون ، بينما الهيدروجين الثقيل–ديوتيريوم- هو عبارة عن بروتون + نوترون في النواة مع الكترون في مدار حول النواة ، بينما الــ - التريتيوم- هو عبارة عن بروتون + نوترونان 2 في النواة ، للإشارة فإن النوعين الثقيلين من الهيدروجين هما أساس القنبلة الحرارية و هو ما سنراه لاحقا بتفصيل أكثر .
لكل هذه الإختلافات فإننا نجد أن التفاعلات النووية تكتب و تصاغ بشكل مفصل أكثر فكل متفاعل يكتب على الشكل X(A,Z) حيث أن X هو اسم العنصر بينما A هو العدد الكتلي أي عدد بروتونات + نوترونات العنصر في حين أن Z هو العدد الذري أو عدد البروتونات .
في حين أن عدد النوترونات هو طبعا : A-Z
طـــاقة الربـط :
النقص الكتلي :
نعتبر نواة الهيليوم He(4,2) التي تتكون من نوترونين و بروتونين ، تبين القياسات الدقيقة أن كتلتها : m(He(4,2)) = 6,6447.10^-27 Kg
بينما كتلة مجموع نوياتها :
2mp + 2mn = 6,6952.10^-27 Kg
نرى إذن أن كتلة نواة الهيليوم أصغر من مجموع كتل نوياتها .
نسمي عموما النقص الكتلي Dmلنواة XAZالفرق بين مجموع كتل النويات وكتلة النواة
Dm= Z.m(p) + (A-Z) m
– m(X(A,Z))نعرف جيدا أن شحنتين من نفس الإشارة تتنافران ، هنا يقفز عندنا تساؤل مهم :
ما الذي يجعل نواة الذرة متماسكة رغم احتوائها على بروتونات بشحنة موجبة ؟
يعزى تماسك نواة الذرة الى وجود قوى تجاذب بين النويات تعرف فيزيائيا بـ قوى التأثيرات البينية القوية ، و شدتها أكبر بكثير مقارنة مع قوى التنافر الكولومي ( الكهربي) بين البروتونات .
طاقة الربط هي الطاقة التي تفسر النقص الكتلي لنواة ، فحدسيا سنتساءل لماذا هناك نقص كتلي على مستوى النواة ، فالأمر سيبدو لنا غريبا في أول وهلة ، لكنه الأمر الذي يفسره أينشتاين في معادلته النسبية بأن الكتلة الضائعة تحولت الى طاقة ربط على مستوى النواة، أي عبارة عن طاقة مخزنة داخل نواة الذرة ، و هي ما يتم استغلاله جزئيا في التحولات النووية الطاقية ، و هو ما يعبر عنه رياضيا بالتالي :
El= Dm . C^2
سرعة الضوء С
النقص الكتلي Dm
الطاقة النووية عموما و في كل التفاعلات تحسب بالوحدة evelectronvolt و مضاعفاتها بدل الجول ، و العلاقة بين الوحدتين :
1 ev = 1.6021 *10^-19 Joule
طاقة ربط النواة لها أهمية كبيرة في تحديد درجة استقرار العنصر و بالتالي الخروج باستنتاج بدئي حول إمكانية دخول هذا العنصر في تفاعل نووي أو نشاط إشعاعي معين.
مفهـوم الإستقــرار :
نعني بمفهوم استقرار نواة عنصر ما ، مدى إمكانية دخول العنصر أو أحد نظائره في تحول نووي أو نشاط إشعاعي ، و يأتي عدم استقرار نواة عنصر من مقدار طاقة الربط و علاقته بعدد نوياتها و الذي يحدد عبر ما يسمى بطاقة الربط بالنسبة لنوية :
العدد الكتلي A حيث El/ A
---(Aston منحنى)---
فكلما كانت طاقة الربط بالنسبة لنوية أكبر كلما كانت درجة استقرار النواة أعلى .
بالنسبة لـــ 190>A و A>20 نلاحظ على المنحنى قيما دنيا لــ -El/A و تضم هذه المنطقة النوى الأكثر استقرارا و التي لا تشارك غالبا في أي تفاعل نووي و نلاحظ وسط هذا المجال نواة عنصر الحديد أكثر النوى تماسكا و استقرارا في الجدول الدوري .
بينما خارج هذا المجال توجد العديد من العناصر اشعاعية النشاط أو القابلة للانشطار كما هو بالنسبة للنوى الثقيلة لتعطي نوى أخف، أو في الجهة المقابلة نجد النوى الخفيفة القابلة للاندماج فيما بينها لتعطي نوى أثقل .
كما يوجد معيار آخر نسبي للإستقرار و هو عدد البروتونات نسبة الى عدد النوترونات فغالبا في النوى المستقرة يكون العدد متقاربا ، إلا أن الأمر قد يصل إلىA-Z/Z =2.5
بالنسبة لبعض النوى الثقيلة الغير مستقرة .
منحنى Segré
الدقــائق الإشعاعية و الأشعة الطـاقية :
كل شيئ في الطبيعة يبحث عن التوازن ، و هذا المبدأ عام و شامل لذلك فإن نوى الذرات الغير مستقرة بدورها ترمي الى التوازن و العودة الى الاستقرار الكتلي والطاقي بالتالي ينجم عن ذلك اطلاق هذه النوى لدقائق و أشعة طاقية و هو ما يسمى بالتفسخ أو التفتت النووي ، و من أهم الدقائق الإشعاعية نجد :
دقائق بيتا - ،و هي عبارة عن قدرة نواة عنصر معين على اطلاق الكترون بشحنة سالبة
و مثالا على ذلك عنصر الكوبالت و الذي يتفتت اشعاعيا حسب المعادلة التالية
Co(60,27) ==> Ni(60,28) + -e
ما يعني أن نظير عنصر الكوبالت يتفتت اشعاعيا و يعطينا عنصر النيكل اضافة الى دقيقة بيتا –
دقائق بيتا + و هي عبارة عن اطلاق نوى بعض العناصر لدقيقة شبيهة بالالكترون لكنها
موجبة الشحنة ( بوزيترون) و مثالا على ذلك نظير الفوسفور
P(30,15) ==> Si(30,14) + +e
الذي يتفسخ منتجا عنصر السيليكون
دقائق ألفا و هي عبارة عن انشطار نواة الى نواة أصغر + نواة الهيليوم و هو نمط تفسخ للعديد من العناصر المشعة أيضا و من بينها اليورانيوم 238
U(238,92) ==> Th(234,90) +He(4,2)
تفتت اليورانيوم 238 يعطينا الثوريوم 234اظافة الى دقائق ألفا
و البولونيوم 210 أيضا اشعاعي النشاط الفا ليعطينا عنصر الرصاص206.
Po(210,84) ==> Pb(206,82) + He(4,2)
الفصيلة المشعة : قد يحدث أن لا ينتهي التفسخ عند معادلة نووية واحدة بل هناك ما يسمى بالفصيلة المشعة و هي عندما تتفتت المتفاعلات ثم تعود نواتجها للتفتت مجددا و هكذا ، و هذا ما يبرزه مثال فصيلة اليورانيوم 238 ، فتفتته يعطينا الثوريوم 234 لكن هذا الأخير أيضا يتفتت بتفسخ بيتا - لإعطاءنا عنصر بروتاكتينيوم234 و هكذا في سلسلة تفاعلات الى غاية الوصول الى عنصر مستقر و هو عنصر الرصاص 206
أشعة Gamma : أشعة كهرمغناطيسية نفاذة و طاقية جدا ، حيث أن ترددها من القيم القصوى في مجال ترددات الموجات الكهرمغناطيسية ، و يستطيع ترددها الوصول الى قيمة 3*10^22 Hz، و تكاد دائما ترافق إشعاع بيتا و ألفا ، كما يظهر في المعادلة التالية :
في أول الأمر يتفتت الآزوت 16 ليعطي الأوكسيجين 16 في حالة استثارة + دقائق بيتا –
N(16,7) ==> O*(16,8) + -e
بعدها ترسل نواة الأوكسيجين التي لم تستقر بعد أشعة كاما :
O*(16,8)==> O(16,8) + gamma
الأشعة المؤينة :
إذا انفصل إلكترون أو أكثر عن ذرة متعادلة أصبحت الذرة أيونا موجبا ، لأن عدد بروتوناتها يصبح أكبر من عدد الكتروناتها ، و إذا اكتسبت الذرة الكترونا أو أكثر أصبحت الذرة أيونا سالبا .
و الأشعة المؤيِنة هي الأشعة التي بفعلها على ذرات و جزيئات المادة تعطيها مقدارا من الطاقة يكفي لانفصال الكترونات عنها و بالتالي إحداث تأين على مستوى المادة المعرضة لها ، و يعتمد التأثير الشعاعي البيولوجي للأشعة النووية على هذه الخـاصية .
يحدث التأين بصورتين مباشرة و غير مباشرة عبر توليد إشعاع ثانوي ، فالدقائق المشحونة كأشعة بيتا و البروتونات الحرة و الالكترونات عالية الطاقة تحدث تأينا مباشرا بفعل التفاعل الكولومي (الكهربي) مع الكترونات المادة التي تعترضها ، أما أشعة غاما بتفاعلها مع المادة تولد دقائق مشحونة (الكترونات في الغالب) ، و كذا النوترونات التي تنتج عن التفاعلات النووية فيمكنها تأيين المادة بشكل غير مباشر .
النشاط الإشعاعي :
النشاط الإشعاعي خاصية لبعض نوى الذرات غير المستقرة بأن تطلق ذاتيا و عشوائيا في الزمن أشعة أو دقائق لتنتقل إلى حالة الإستقرار.
من العناصر الإشعاعية الموجودة في الطبيعة :
اليورانيوم 238 ، الكربون 14 ، الراديوم 226 ، اليود 131 ، السيزيوم 137... و غيرها
كما توجد عناصر مشعة صناعية تنتج في المفاعلات و المسرعات النووية كــالبلوتونيوم 239 Pu الذي ينتج عن طريق قبض الـيورانيوم 238 على احد النوترونات ثم يطلق الكترونين بالتتابع في تفسخ مرحلي
و تكاد كل العناصر المستعملة في الطب الإشعاعي تكون من أصل صناعي كــ Po (210,84)
قانون التناقص الإشعاعي :
يتم تفسخ النوى إشعاعيا بشكل إحصائي في الزمن عن طريق المعادلة الرياضية التالية :
تابثة التفسخ للعنصرλعدد ذرات العنصر الأولية ، N0عدد الذرات المتبقية ،
هذه العلاقة الرياضية ناجمة على تجميع إحصائي لحساب احتمال تفسخ نوى الذرات عبر قانون احتمال رياضي معروف باسم قانون Poisson
تفسخ الذرة أو تفتتها يأتي بشكل عشوائي في الزمن لكن يمكننا إيجاد معادلة لشرح تصرف مجموعة من الذرات في حيز كبير نسبيا من الزمن لذا سنستخدم هذه التجربة الاحتمالية لفهم الأمر.
تخيلوا نردا بـ 6 أوجه ، و نهتم فقط بالوجه 5 من النرد مثلا، نرمي عدد n نرد و نحسب عدد النرود التي أظهرت الوجه 5 ، نسمي هذا العدد s ،و من تم نعيد التجربة مع النرودn-s و هكذا دواليك،واضح جدا أننا لا نعرف بالتحديد عدد النرود التي ستظهر لنا الوجه 5 و لا حتى متى و في أي رمية سيظهر الوجه 5 ، لكن في عدد منته من التجارب سنتوقف لأن عدد النرود يتناقص أسيا مع الزمن ، و هذا ما يوضح المعادلة الرياضية و التي يمكننا إيجاد توافق بين منحنى الدالة الرياضية و منحنى تجربة إحصاء الإحتمالات أيضا ...
يوجد تفسير آخر و هو تفسير تحليلي تفاضلي
نعتبر عينة تحتوي على N0 في اللحظة t=0 و نعتبر N(t) عدد النوى المتبقية
في لحظة t ، مع dt فترة زمنية ضئيلة جدااا
N(t)+dN(t) هو عدد النوى المتبقية في العينة عند اللحظة t+dt ، و عدد النوى المتفتتة هو– dN(t)
مع dN(t)<0 لأن N(t) يتناقص
تبين الدراسة الإحصائية لعينة أن عدد النوى المتفتتة–dN(t) يتناسب مع N(t) عدد النوى المتبقية و مع dt المدة الزمنية عبر العلاقة الآتية :
dN(t) = -λ. N(t).dt
أي :
dN(t)/N(t) = -λ.dt
و هي معادلة تفاضلية من الدرجة الأولى حلها يكتب على الشكل :
N(t) = K exp (-λt) و حسب الشروط البدئية أي t=0 فإن K=N0 و بذلك نحصل على العلاقة أعلاه .
النشاط الإشعاعي :
فيزيائيا يعبر عن النشاط الإشعاعي بعدد التفتتات في وحدة من الزمن ، و يعبر عنه رياضيا باشتقاق دالة التفسخ الإشعاعي بالنسبة للزمن مع إشارة سالبة للعمل بالنوى المتفتتة و ليس المتبقية :
a(t) = -dN(t)/dt =λ.N0.exp(-λt) = a0.exp(-λt) with a0 = λN0
و وحدته العالمية هي البيكريل Bequerrel حيث أن Bq 1 يمثل تفتتا واحدا في الثانية .
يعتبر النشاط الإشعاعي لنواة من أكبر خصائصها المدمرة و أحد أكبر العوامل التي تحدد تأثيراتها البيولوجية على الخلايا الحية ، فكلما ارتفع مقدار النشاط الاشعاعي لعنصر ارتفع ضرره ، و النشاط الإشعاعي موجود في كل مكونات الطبيعة لكن بصورة متفاوتة فلتر من الماء المعدني يصل نشاطه الى 10 Bq و رجل كتلته 70 كلغ يصل نشاطه الاشعاعي الى 7000 و حتى 10000 Bq بينما كلغ 1 من البلوتونيوم 239 يصل إشعاعه الى 2 TBq أي 2 ترليون Bq .
عمر النصف :
لكل عنصر يوجد ثابت زمني يسمى عمر النصف t1/2، و هو الزمن الذي يلزم مروره لتفسخ نصف عدد نوى عينة من المادة المشعة و هو يفسر ثابتة التفسخ كالآتي :
N(t(1/2)) = N0. exp(-λ .t1/2) = N0/2
exp ( λ.t(1/2) )=1/2 ==> -λ .t1/2 = ln (1/2)
λ= ln(2)/t(1/2
عمر النصف لبعض العناصر :
السترونتيوم 89 = 53 يوم ، السترونتيوم 90 = 28 سنة
الكربتون 80 = 25 ثانية ، اليود 131 = 8 أيام
السيزيوم 137 = 30 سنة
الإنشطار النووي :
الإنشطار النووي هو انقسام نواة ثقيلة في نطاق A>195 كنواة اليورانيوم مثلا ، لتعطينا نواتين بحجمين متقاربين و أحيانا 3 نوى .
و الطريقة المعتمدة غالبا في توليد الإنشطار هو عن طريق تهييج النواة ، و أهم وسيلة لفعل ذلك هو أن تقبض النواة على نوترون ، فطاقة الربط للنوترون الداخل للنواة تكفي في بعض الحالات في شطر النواة كما يحدث مع اليورانيوم 235، بينما في بعض الحالات ينبغي إعطاء النوترون شيئا من الطاقة الحركية حوالي 1Mev، إضافة لطاقة الربط كما يحصل مع اليورانيوم 238 .
فكما نرى من المعادلة أعلاه فاليورانيوم 235 بعد قبضه على نوترون يعطينا شظيتين ، أولاهما الزينون 140 و الأخرى السترونتيوم 94 إضافة الى نوترونين .
لماذا النوترون ؟؟؟
لأنه النوية الوحيدة الغير مشحونة و بالتالي يمكنها التقرب من الذرات و الوصول الى عمق النواة دون عائق التنافر الكولومي .
بينت القياسات أن كتلة المتفاعلات أكبر من كتلة النواتج ، ما يدل على أن النقص الكتلي الحاصل أثناء التفاعل النووي قد تحول الى طاقة (حوالي 200 Mevفي حالة اليورانيوم 235) إضافة الى أشعة كاما ، فالطاقة الناتجة عن تفاعل نووي بشكل عام تكتب على الشكل الآتي :
E=Dm.c2
أو بشكل آخر :
الطاقة المتولدة = طاقة ربط المتفاعلات – طاقة ربط النواتج
و النواتج و المتفاعلات تدخل فيها حتى النوترونات المشاركة في التفاعل .
نلاحظ أن نوترونين قد تولدا عن الانشطار الأول مكتسبان طاقة حركية ، فإذا افترضنا أن بعدها يلتقي كل واحد منهما بنواة أخرى فتنشطر النواتان أيضا لتعطيا 4 نوترونات تشارك في انشطار ثالث ... و هكذا يحدث تفاعل متسلسل ذاتي السيرورة ، و تابث مسيطر عليه ، و هذا ما يحدث في المفاعلات النووية ، أما إن حدث و شارك عدد كبير من النوترونات في انشطار نووي يصبح الوضع خطيرا و التفاعل انهياريا ما يؤدي الى انفجار المادة النووية و هو ما يحدث في التفجيرات النووية الانشطارية .
لكن هذا افتراضسطحـي فقط ، في الواقع الأمر أكثر تعقيدا فبغض النظر عن عدد النوترونات المشاركة هناك عــامل آخر حاسم يتدخل في العملية و هو ما نسميه الكتلة الحرجة :
و هي الكتلة اللازمة من المادة الإنشطارية للحفاظ على تفاعل متسلسل ذاتي .
نشأت فكرة الكتلة الحرجة من حقيقة أن الانشطار يتم في إطار الجسم المتفاعل و أن النوترونات يمكن أن تشرد أو تفقد و بالتالي لا تشارك في الانشطار ما يعني أن سلسلة الانشطار تكسر ، و تتدخل عوامل إضافية هنا و هي أبعاد الجسم المتفاعل و شكله و نقاء المادة النووية ... و لهذا فنسبة مشاركة النوترونات الى تسربها يتغير طرديا مع أبعاد الجسم النووي ، و خلاصة الحديث هنا هي أن نسبة التفاعل الى التسرب تبقى تابثة في الحجم الحرج ، و تــزداد أسيا مع الزمن في الحجم فوق الحرج ، بينما تتناقص أسيا مع الزمن في حالة الكتلة تحت الحرجة ، لهذا يجب دائما أن تبقى مكونات القنبلة النووية قبل الاستعمال، في الحجم تحت الحرج حتى لا يحدث انفجار مباغت يمكن ان ينشأ عن نوترون من الأشعة الكونية ، أو من انشطار فجائي ذاتي لنواة من نوى المادة النووية .
و تعتمد الكتلة الحرجة على التركيب الكيماوي للمادة النووية و درجــة تخصيبها و كثافتها و شكلها و خواصها الامتصاصية ...
فهناك عناصر ما بعد اليورانيوم Transuranians تطلق الى حد 5 نوترونات في الإنشطار الواحد و بالتالي فإن كتلتها الحرجة ستكون أقل بكثير من كتلة اليورانيوم 235 مثلا .
الإندماج النووي :
خلافا للانشطار النووي فالاندماج يعمل بشكل عكسي فالعناصر ذات النوى الخفيفة تسعى من جانبها الى الاندماج للوصول الى عدد كتلي أكبر ، لكن الأمر ليس ببساطة الانشطار ، فنحن هنا نتعامل مع ذرات بكل مكوناتها و بالتالي للتغلب على قوى التنافر الكولومي بين الكترونات الذرتين المندمجتين و كذا بين بروتوناتها ، يوجد حل واحد الى حد الآن و هو تحويل المادة الى حالة بلازما و هي حالة فيزيائية تحدث عند درجة حرارة 10 ملايين الى 100 مليون كلفين فما فوق ، يقع ضمن هذه الحالة فقدان تام للتركيبة الاعتيادية للمادة و انسلاخ للالكترونات عن نوى المادة ما يجعل الاندماج ممكنا ، و لربما لهذا السبب يقتصر استغلال الاندماج على القنابل النووية الحرارية فقط فنحن لم نطور بعد نظاما طاقيا للاستفادة من الطاقة الاندماجية التي هي أكبر بكثير من الطاقة الانشطارية ، ما عدا في نطاق الدراسة و التجريب كما يحدث في مراكز Tokamak، тороидальная камера в магнитных катушках والتي تعني الغرفة الدائرية داخل وشائع مغناطيسية
حيث يتم إحاطة البلازما بحقل مغناطيسي قوي يمنعها من لمس العدة التجريبية و إلا فالحرارة الرهيبة قادرة على تبخير كل ما يحيط بها .. تلك المراكـز تم انشاؤها أول الأمر في الاتحاد السوفياتي و اولها Tokamak T1 في بداية الخمسينيات في معهد كــورشاتـوف تحت اشراف العالمين Andrei Sakharov و Igor Tamm ..مبدأ عملها هو في احتواء بلازما من الديوتيريوم و التريتيوم في حقل مغناطيسي تنتجه وشائع ضخمة ..البلازما المسخنة الى ملايين الدرجات عبر اشعاع ليزري قوي (مفعول كونتون) و عبر موجات كهرومغناطيسية بتردد مدروس الشيئ الذي يثير المادة و يرفع دجتها بشكل كبير ..
هذه المراكز التجريبية لم تقتصر على السوفييت ، حاليا توجد العديد منها في العديد من دول العالم مثل : المفاعل الدولي النووي الحراري في فرنسا ITER و مركــز K STAR في كوريا الجنوبية و D III-D في الولايات المتحدة و غيرها ..
تزداد قوى التنافر الكولومي كلما زاد العدد الذري للنواة و لذلك فالاندماج عادة ما يقتصر على الذرات الخفيفة كـالهيدروجين و الليثيوم و حتى البيريليوم
فمثلا يندمج نظيري الهيدروجين (الديوتيريوم و التريتيوم) لإعطاء نواة الهيليوم + نوترون + 17.6 Mev .
قد تبدو 17.6 أصغر من 200 بالنسبة لمقارنة انشطار واحد باندماج واحد لليورانيوم 235 ، لكن كمية الطاقة المستخلصة مثلا من1 كلغ من المادة المندمجة الخفيفة يمثل أضعاف ما يوجد في 1 كلغ من المادة المنشطرة .. ما يجعل الحصيلة الطاقية الكلية للإندماج أكبر من نظيرتها في الإنشطار.
تخصيــب الـيورانيــوم :
تخصــيب اليورانيوم هو العمليـة التي يتم من خلالها الرفع من نسبة نظير اليورانيوم الاكثر قابلية للانشطار أو بالأحرى زيادة نسبة اليورانيوم 235 حيث أن هذا الأخير ينشطر بمجرد التقافه لنوترون بطيئ أو بطاقة ربط النوترون فقط عكس الـ U 238 الذي يلزمه للانشطار نوترونات سريعة و في ظروف خاصة .. U235 لا يشكل في الطبيعة أكثر من 0.71 % بينما يشكل النظير الاثقل U 238 النسبـة الباقية تقريبا و يسمى اليورانيوم الطبيعي NU Natural Uranium،إضافة الى النظيرين 234 و 236 الذان يوجدان بنسبة لا تكاد تذكر.. التخصيب لأغراض صناعية (غالبا لمفاعلات الطاقة)أو ما يسمى اليورانيوم المنخفض التخصيبLEU Low Enriched Uranium لا تتجاوز نسبة نظير اليورانيوم 235 فيـه 2-20 %و عادة ما يتم اللجوء الى نسبة تخصيب ما بين 3 الى 5% للمفاعلات العاملة على الماء الخفيف و هي الاكثر استعمالا عبر العالم، لكن المفاعلات المخصصة للابحاث النوويةقد تصل نسبة تخصيب وقودها النووي بين 12 و 19,5 % ..بينــما ترتفع النسبـة لليورانيوم المخصص لأغراض التفجيرات النووية أو ما يسمى اليورانيوم عالي التخصيب HEU Highly Enriched Uraniumالى أكثر من 90 % ، و ذلك للتقليص من الكتلة الحرجـة للشحنة النووية و الزيادة من فاعلية التفجير .
النظيريـن U 235 & U 238 لهما نفس الخواص الكيميائية إلا أن الفرق الكتلي لنواتيهما هو ما يتم استغلاله في عمليات التخصيب للتمكن من فصلهما و بالتالي انتقاء النظير الاكثر قابلية للانشطار بشكل نسبي و يجري ذلك عبر عدة عمليات و تقنيات نشرح بعضها كما يلي :
التخصـيب بالمجال الكهرومغناطيسي :
هذه التقنية استعملت في تخصيب قنبلة الولد الصغير و هي تعتمد على الفرق الكتلي بين نظيري اليورانيوم و للفصل بينهما يتم تسريع أيونات بخار اليورانيوم عبر تمريرها عبر مجال كهربائي بعدها يتم تمريرها عبر مجال مغناطيسي تكون شدة و منحى تاثيره على الجزيئات مختلفة بشكل طفيف بين الذرات الحاملة للنظير 238 و بين 235 و ذلك لاختلاف كتلتهما ..تتم العملية بشكل مكرر في جهاز الكالوترون و بهذا يتم الفصل النسبي بين النظائر .. تم ترك التقنية و استبدالها بالتخصيب بالقوة النابذة فيما بعد
التخصيب بالقوة النابذة المركزية (الطرد المركزي) :
التخصيب بالطرد المركزي أحد أهم أنماط التخصيب في العالم و الى يومنا هذا فهي تسيطر على حصة 26.5 MUTS في السنة من اصل 38 MUTS.. التقنية تعتمد على اسطوانات طرد مركزي تحتوي على بخار غاز هيكسافليور اليورانيوم UF6 تدور بسرعة عالية ما ينشأ عند قوة طاردة مركزية تجعل من الذرات الأخف تبقى متجمعة جول محور الدوران بينما ترمى الذرات الاثقل الى محيط جهاز الطرد .. يتم عندها تسخين اسفل محور جهاز الطرد فتصعد نسبة اكبر من جزيئات هيكسافليور اليورانيوم 235 الى الاعلى ليتم تفويتها لجهاز آخر بينما تبقى الجزيئات الاثقل في الأسفل .. و هكذا دواليك تكرر العملية مرات عديدة حتى الحصول على نسبة تخصيب كافية .
التخصيب بالليــزر :
يعد الفصل الايسوتوبي باستعمال الليزر تقنيـة مستجدة من تقنيات التخصيب إذ يتم استغلال الفرق الضئيل بين الطيف الكهرومغناطيسي للنظيرين 238 و 235 الناتج عن الاختلاف في مستويات الطاقة لدى الالكترونات الخارجية لكلا النظيرين ، اذ يتم تهييج ذرات بخار اليورانيوم عبر اشعاع فوتوني مركز يختلف تاثيره على النظيرين حسب اختلاف تردده ..و بالتالي فهناك تردد مؤثر لكل نظير من اليورانيوم ..بعد تهييج النواة باشعاع طاقي متوافق مع مستوى طاقة الكتروناتها الخارجية تعطى هذه الاخيرة الطاقة الكافية للقفز من الذرة و بالتالي تصبح الذرة ايونا موجبا ، بعدها يسلط على خليط نظيري اليورانيوم مجال كهربائي يؤدي الى تسارع الذرات المشحونة بينما ذرات النظير الآخر تبقى غير متأثرة بالمجال .. ما يمكن من فصل النظيرين .
هذه التقنية استعملت على نطاق تجريبي في العديد من الدول و منها تقنية SILVA Separation Isotopique par Laser sur Vapeur Atomique في فرنسا منذ 1980 ..نجد ايضا تقنيةSILEX المطورة في استراليا منذ تسعينات القرن الماضي Separation of Isotopes by Laser EXcitationو التي تعتمد نفس المبدأ على ذرات غاز هيكسافلورور اليورانيوم
هذه التقنيـة فعالة جدا و لكن بالمقارنة مع الجدوى الاقتصادية للتقنيات الاخرى تبقى مكلفة طاقيا و اقتصاديا ما يجعلها غير مستعملة على نطاق صناعي واسع الى حد الآن .
بعض تطبيقات الفيزياء النووية الطاقيــة و الطبيــة :
المفاعلات النووية :
يعتبر الميدان الطاقي من أهم الميادين التي تستخدم فيها الخواص النووية للمواد ، حيث يمكن استغلال خاصية انشطار بعض النوى الثقيلة و استخدامها كوقود نووي كاليورانيوم 235 و البلوتونيوم 239 ، إضافة إلى هذا نجد أن المفاعلات النووية تساهم في إنتاج عناصر ذات نشاط نووي كبير يمكن استخدامها في ميادين اخرى كالطب و الميادين العسكرية .
فما الذي يحدث داخل المفاعلات ؟
مفاعلات الطاقة الكهربائية هي منشئات صناعية مهمتها الأساسية توليد الطاقة الكهربائية عن طريق تحول الطاقة النووية الى طاقة كهربائية ، و هي مصممة للسيطرة على الانشطار النووي و منعه من الانفلات ، حيث أن الوقود النووي يكون داخل قلب المفاعل عادة على شكل قضبان متوازية من UOX اوكسيد اليورانيوم المحاط بطبقة من معدن الزيركونيوم Zr الذي لا يخفض سرعات النوترونات ، الى جانب ذلك نجد قضبان الـ Moderators و التي تكون عادة مشكلة من مواد خفيفة لها تقريبا نفس كتلة النوترونات من الهيدروجين الخفيف او الديوتيريوم ، وظيفتها الأساسية هي انقاص سرعة النوترونات فمرور النوترونات السريعة في وسط من المواد الخفيفة ينتج عنه ابطاء لسرعتها و بالتالي تستطيع الدخول في التفاعل النووي مع نوى U 235 بسهولة أكبر عوض تسربها خارج مجال التفاعل ، إضافة الى قضبان التحكم التي يتم إدخالها دوريا لامتصاص النوترونات و بالتالي كبح جماح التفاعل و عادة ما تكون من مواد كالكادميوم أو الغرافيت أو البور .. و الكل مغمور في ناقل للحرارة (عادة المياه الخفيفة) يعمل على شكل نظام تبريد للمفاعل .
الانشطار النووي يولد كما هائلا من الحرارة ، يتم تبريدها عن طريق نظام تبريد يعمل على المياهو التي تصبح في حالة بخار مائي بضغط شديد نتيجة نقلها للحرارة ،يخرج بخار الماء بضغط يبلغ 400 ضغط جوي وتكون درجة حرارته بين300 و 550 درجة مئوية بواسطة أنابيب متينة من حاوية المفاعل، وهي تسمى أحيانا خزان الضغط للمفاعل و هذا الضغط هو الذي يدير التوربين و الذي بدورانه حول مغناطيس عملاق يولد الكهرباء .
وبهذا تتحول الطاقة النووية الى طاقة حرارية ثم ميكانيكية ثم كهربائية .
بعض المفاعلات قد تصل قدرتها الى 1.5 Gigawatt كما في نوع المفاعلات السوفياتي RBMK Реактор Большой Мощности Канальный المفاعل المتعدد القنوات
الـتأريخ الإشعاعــي :
يتم استغلال خاصية التناقص الإشعاعي لدى العناصر النشطة إشعاعيا في إعطاء عمر بعض الصخور و مستحاثات و بقايا الكائنات الحية ، فبمقارنة قياس نشاط أو كمية المادة المشعة داخل العينة المدروسة مع قياس النشاط الابتدائي للمادة المشعة يمكن لنا تحديد عمر العينة ، و هناك عدة طرق من أهمها التأريخ بالكاربون 14 الشهير و طريقة التأريخ بالفصيلة المشعة يورانيوم- رصاص ، إضافة الى التأريخ روبيديوم سترونتيوم و غيرها ...
تأريخ الصخور :
يمكننا تأريخ أنواع من الصخور و خصوصا الصخور ذات الطبيعة البركانية و المتبلورة كالغرانيت او البازلت ، لأن سرعة تحجرها انطلاقا من الماكما تحافظ على تماسك جزيئي كبير بين بلوراتها، و بذلك فإن العناصر المتواجدة في عينة منها تكون غالبا أصلية ما عدا العناصر الناشئة عن تفتت إشعاعي ... و هو بالضبط ما نبحث عنه للقياس .
و أكثر الطرق فعالية هي طريقة التأريخ يورانيوم 238 – رصاص 206 ، فالصخور البركانية كالغرانيت مثلا تحتوي على نسبة من معدن سيليكات الزيركونيوم sillicatezirconium (ZrSiO4 ) ، بالنسبة لهذا المعدن يمكن استبدال الرابطة Zr بالرابطة U و بالتالي إيجاد نسبة من جزيئات USiO4 داخل بلورات الصخرة و هي بالتحديد ما نبحث عنهلتحديد عمر الصخور المتبلورة .
فبمجرد تبلور المعدن يبدأ تفتت اليورانيوم الموجود في الصخر و يؤدي الى ظهور عنصر الرصاص الذي لا يتواجد هنا إلا كمحصلة لهذا التفسخ .
و بفضل دراسة كمية الرصاص الموجود داخل عينة من الصخر في الوقت الحالي و نشاط اليورانيوم الاشعاعي فيمكننا معرفة التوقيت الذي بدأت فيه الساعة الاشعاعية بالعد .
التأريخ بالكربون 14
الكربون عنصر مهم في تشكيل معظم ذرات الكائنات الحية ، و يعد الكربون 12 أكثر نظائره شيوعا في الطبيعة كما يوجد النظير 13 و كذا 14 و هذا الأخير موجود بكمية شحيحة لا تتعدى 0.0001 % من مجمل كمية الكربون على سطح الكوكب.
و يـتـأتى نظير الكربون 14 من تحول غاز الآزوت 14 الموجود في طبقات الجو العليا بعد تلقفه لنوترون قادم من النـشاط الشمسي أو الأشعة الكونية لإعطاء عنصر الكربون 14 + الهيدروجين الخفيف .
كل الكائنات الحية تستهلك الكربون بمختلف نظائره عن طريق التحليل الضوئي عند النبات و بعدها دخوله في السلسلة الغذائية ، و تبقى نسبة الكربون 14 مستقرة داخل الكائن الحي بفعل تجديده المستمر لغذاءه و لخلاياه ، لكن هذه النسبة تبــدأ بالتناقص فور موت الكائن ، و متابعة تناقص الكربون 14 إشعاعيا تمكننا من معرفة الفترة الفاصلة بين توقف المادة العضوية عن التجدد و بين فترة العثور على المستحاثة او الجثة او بقايا مادة عضوية ما .
يتفتت عنصر الكربون 14 وفق التفسخ بيتا – ليعطي عنصر الآزوت 14 ، وبتطبيق قانون التناقص الإشعاعي :
علما أن :
t (1/2)= 5600 years ,= ln(2)/t(1/2)
يمكن تحديد عمر عينة بالعلاقة التالية :
t = - ( 1/ ).ln(a(t)/a0) = - (t(1/2)/ln(2)). ln(a(t)/a0)
يقاس النشاط a(t) لكتلة معروفة من العينة 1 غرام مثلا .
يقاس النشاط a0 البدئي لنفس الكتلة من عينة شاهدة حالية .
للإشارة فإن طريقة التأريخ بالكربون 14 تستعمل فقط في حالة العينات الأقل عمرا من 40 ألف سنة ، لأن عند مجال أكبر تنقص كمية الكربون 14 بكيفية كبيرة يستعصي معها قياس نشاطها .
الطــب الإشعاعي :
يعد الطب أول المجالات التي عرفت تطبيقات للأنشطة الإشعاعية ، بعد اكتشافها من طرف هنري بيكريل . فهو يستعمل في علاج سرطانات الجلد و في تشخيص بعض الأمراض فالطاليوم 201 عنصر مشع بعمر نصف يساوي 3.04 يوم يتبث في قلب الإنسان ، فعند حقن كمية ضئيلة جدا منه في الجسم يمكن بواسطة كاميرا تصوير اشعاعية معرفة حالة عضلات القلب ، كذلك الأمر بالنسبة لليود 131 الذي يستخدم لتشخيص التهاب الغدة الدرقية التي تمتص اليود بشكل انتقائي و يمكن الاشعاع الصادر عن نظيره المشع من تتبع حالة الغدة و تطور الالتهاب .
كما يمكن النشاط الاشعاعي لبعض النظائر من قتل الأورام السرطانية عن طريق تأيينه للروابط الهيدروجينية و الآزوتية في سلاسل البروتين و بالتالي تدمير الخلية و إيقاف نموها و تكاثرها ، إظافة الى ذلك تمكن دقائق بيتا – من تعقيم أدوات الجراحة و القضاء على البكتيريا و الفيروسات و غيرها من الأجسام العضوية المجهرية .
الاستغلال العسكري :
القنبلة الانشطـارية الكلاسيكية :
يستخدم الانشطار النووي لصنع قنابل ذات قوة انفجارية عالية و هو ما يسمى بالقنبلة الذرية الانشطارية .
المبدأ الأساسي في صناعة القنابل الانشطارية هو بأن يتحد بواسطة جهاز التفجير 2 أو أكثر من الكتل تحت الحرجة من المادة الانشطارية في وقت قصير جدا ، لتكوين كتلة فوق الحرجة ما يؤدي إلى تحرير طاقة هائلة نتيجة تفاعل متسلسل انهياري .
أهم أجزاء العدة الانشطارية النووية هي : الشحنة النووية ، جهاز التفجير و الغلاف .
فالشحنة النووية تعتمد على نوعية المادة الانشطارية و كتلتها و حجمها و كذا كتلتها الحرجة و هناك العديد من العناصر التي يمكن استعمالها لهذا الغرض كــ اليورانيوم 235 ، البلوتونيوم 239 ، البلوتونيوم 241 و حتى الكاليفورنيوم 249 .
و تقاس طاقة الانفجار بالمقارنة مع الطاقة المحررة من مادة تراينتروتولوينTNT فالكيلوغرام الواحد منه يحرر ما يكافئ 4184 Megajoule ، فالقنبلة الملقاة على نكازاكي "الولد السمين" وصلت طاقتها الى 20 كيلوطن TNT بينما هناك رؤوس انشطارية حاليا أقوى بكثير و تصل الى عشرات الميغاطن .
أما جهاز التفجير فمهمته الأساسية هي جمع الكتل تحت الحرجة في كتلة واحدة فوق الحرجة بشكل سريع ، و يتم ذلك إما بالتغيير المكاني للكتل أو بتغيير شكل أو كثافة المادة الانشطارية ، و من المهم ان يتم التوحيد بطريقة لحظية حتى لا يفقد السلاح فعاليته ، و لتجري عملية توليد الطاقة بشكل سريع يتم استعمال نيوترونات سريعة لقذف المادة النووية ، لكن مع النوترونات السريعة تكبر نسبة التسرب و عدم تفاعلها ولهذا فأن درجة تنقية و تخصيب المادة النووية و كذا استخدام عواكس للنوترونات على غلاف القنبلة يساهم في التقليل من نسبة التسرب و يضمن الوصول الى تفاعل ذاتي انهياري .
و بما ان عدة الانفجار تتفكك في مجرى الـزمن ففاعلية اي انفجار نووي تكون اقل من فاعليته النظرية ، فالتغيرات الزمنية الطفيفة الطارئة على وسط التفاعل تؤثر بشكل كبير على الطاقة المتحررة .
الغلاف مهمته هو احتواء الشحنة النووية و جهاز التفجير و الحيلولة دون تشتت المادة النووية قدر المستطاع ، و كذا تغيير نسبة التسرب الى التفاعل عند النيوترونات عبر مواد تعكسها كـأوكسيد البيريليوم مثلا .
ينفجر السلاح النووي في وثاحد من المليون من الثانية ، و تتحول مجمل الطاقة الى طاقة حرارية تسخن كل مكونات القنبلة الى ملايين الدرجات ما يؤدي الى تبخرها بعد برهة ضئيلة من الزمن ، و من التطورات الحاصلة على الأسلحة النووية الانشطارية هو الاتجاه نحو التصغير الحجمي و الكتلي للقنابل كصناعة رؤوس نووية صغيرة تركب على الصواريخ و الألغام و حتى قذائف للمدفعية ، و ذلك عن طريق تقليص الكتلة الحرجة للمتفاعلات عبر تطوير هندسة المادة النووية و رفع درجة نقاءها ، و من أوجه التطويرات الحاصلة أيضا هو الرفع من كفاءة الاسلحة النووية الى ما يقارب الـ 30 % عوض 2 % فقط في قنبلة هيروشيما 1945 ، فكتلة المادة النووية كانت آنذاك 50 كلغ من اليورانيوم 235 اما الآن فيكفي 4 كلغ فقط للوصول الى نفس الطاقة التدميرية .
القنبلة الاندمــاجية :
كما راينا سابقا فقنبلة الانشطار تحرر الطاقة عن طريق انشطار ذراتها الثقيلة و في مرحلـة واحدة ، إلا أن الحال يختلف بالنسبة للقنابل الاندماجيــة حيث أنها قنابل ذات مرحلتيـن أو 3 مراحل ، ففي المرحلة الأولى من الانفجار يستخدم موقـد انشطاري للوصول الى درجـة حرارة الاتقاد وهي حرارة متطرفة تصل الى 10 ملايين درجة ، و بعد ذلك فقط يمكن أن يجري التفاعل الاندماجي و تستخدم العناصر و النظائر التالية عادة كوقود اندماجي :
H(1,1) , D(2,1) , T(3,1) , Li(6,3)
حيث D = Diotirium , T = Tritium , Li = Lithium
تتألف عـدة الانفجار الاندماجي ذات المرحلتين أساسا من الموقد النووي الانشطـاري ، تحيطه الشحنـة الاندماجية ، ثم الغلاف ..
و للحصول على كثافة عاليـة لخليط الديوتيريوم – تريتيوم يتم حفظهما في الحالة السائلة على درجة حرارة لا تتجاوز 20 كيلفين = -253 درجـة مئوية ، أما بالنسبة للقنابل ذات القوة الانفجارية العالية فيتم حفظ الوقود النووي في الحالة الجافة على شكل مركبات كـديوتريد الليثيوم و الذي يمكن خزنـه بشكل جيد و تصنيعه بسعر رخيص نسبيا ..
و تجري التفاعلات التالية بين مكونات الشحنة النووية :
تجري في المرحلة الاولى بعد الانشطار النووي مباشرة التفاعلات التالية بين الديوتيريوم ،ليثيوم و النيوترونات الآتية من الانشطار
Li(6,3) + n(1,0) ==> He(4,2) + T(3,1) + 4,8 Mev
D(2,1) + n(1,0) ==> T(3,1) + 6,2 Mev
و في إطار التفاعل الاندماجي يحصل التفاعل الرئيسي
D(2,1) + T(3,1) ==> He(4,2) + n(1,0) + 17,6 Mev
و يصحبـه التفاعلان التاليان :
D(2,1) + D(2,1) ==> T(3,1) + H(1,1) + 4,0 Mev
D(2,1) + D(2,1) ==> He(3,2) + n(1,0) + 3,3 Mev
و عند درجات الحرارة المتطرفـة تتحرر الطاقة عبر التفاعلات التالية أيضا :
Li(6,3) + D(2,1) ==> 2 He(4,2) + 22,3 Mev
T(3,1) + H(1,1) ==> He(4,2) + 19,8 Mev
Li(6,3) + D(2,1) ==> Li(7,3) + H(1,1) + 5,0 Mev
بما أن الليثيوم أثقل من العناصر الأخرى في التفاعلات و له عدد ذري أعلى فيلزمه توفر درجة حرارة كبيرة للاندماج بفاعلية أكبر و لذلك قد يضاف الى شحنة ديوتريد الليثيوم مقدار من الديوتيريوم و التريتيوم أو مركب تريتيد الليثيوم الصلب ..
يمكن التوصــل بقنبلـة ذات مرحلتين الى قوة انفجار تصل الى بضعة ملايين طن TNT و بقنبلـة ذات 3 مراحل يمكن الوصول بها الى حد 100 ميغاطن TNT ، بالنسبة لقوة التفجير هاته فقد ألغى الاتحاد السوفياتي تطوير قنابله للوصول الى هذا الحد من القوة و اكتفى بقوة 57 ميغا طن لقنبلة القيصـر إيفان ،أقوى سلاح تصنعه البشرية الى الآن ..
ففي المرحلــة الثالثة ينشطر اليورانيوم 238 بواسطة النيوترونات السريعة الآتية من الاندماج النووي و يوضع هذا اليورانيوم بحيث يكون الجزء الرئيسي من الغلاف أو أن يكون مركبا كيماويا مع مواد التفاعل الاندماجي و ينتج عنه تعاظم هائل لقوة الانفجار قد يصل الى 80 في المئة من القوة الاجمالية ..
قنبلـة من هذا النوع لها تأثير إشعاعي كبير الى جانب موجـة الضغط و التأثير الحراري و الضوئي حيث يتولد عن انفجارها نيوترونات تسبب اشعاعا متخلفا في ذرات الهواء و التربة و المعادن التي تصيبها في مكان الانفجار إظافة الى الاشعاع الفوري الآتي من الانفجار نفسه .. و لإعطاء الاشعاع طابعا أكثر فتكا قد يحصل أن يوضع الكوبالت في غلاف القنبلـة حيث يتحول الكوبالت 59 إلى كوبالت 60 و هو عنصر مشع خطير حيث يتفسخ بعمر نصفي = 5,3 سنة مطلقا أشعة كاما قوية تلحق بالكائنات الحية أضرارا بالغة الخطورة بفعل نفاذيتها العالية و طاقتها الكبيرة ..
حاليــا 9 دول تتقاسم ما مجموعه تقريبا 4400 رأس نووي في الخــدمة بينما العدد الكلي حاليا يتجاوز 17625 راسا نوويا .. منها 8500 في روسيا ، 7700 في الولايات المتحدة الذان وقعا اتفاقية ستارت للخفض من عدد الرؤوس النووية لكليهما ..بينما تملك فرنســا 300 راس نووي و المملكـة المتحـدة 225 ، الصين بدورها تحصي 250 راسا نوويا الى جانب الهند و باكستان بـ 90-110 و 100-120 بالتتابع ..
في حيـن تبقى التقديرات لاسرائــيل بين 80 و 200 راس نووي و كذا عدد الرؤوس الكورية الشمالية تبقى غير محددة بشكل دقيق ...
تحيـــاتــــي ... Ibn Zyad
التعديل الأخير بواسطة المشرف:
