10.6: الانشطار
- Page ID
- 196737
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف عملية الانشطار النووي من حيث المنتج والمواد المتفاعلة
- احسب طاقات الجسيمات الناتجة عن تفاعل الانشطار
- شرح مفهوم الانشطار في سياق القنابل الانشطارية والتفاعلات النووية
في عام 1934، قام إنريكو فيرمي بقصف العناصر الكيميائية بالنيوترونات من أجل إنشاء نظائر لعناصر أخرى. افترض أن قصف اليورانيوم بالنيوترونات سيجعله غير مستقر وينتج عنصرًا جديدًا. لسوء الحظ، لم يتمكن فيرمي من تحديد منتجات التفاعل. بعد عدة سنوات، أعاد أوتو هان وفريتز ستراسمان إنتاج هذه التجارب واكتشفوا أن منتجات هذه التفاعلات كانت نوى أصغر. من هذا، خلصوا إلى أن نواة اليورانيوم قد انقسمت إلى نواتين أصغر.
يسمى تقسيم النواة بالانشطار. ومن المثير للاهتمام أن انشطار U-235 لا ينتج دائمًا نفس الأجزاء. تتضمن أمثلة تفاعلات الانشطار ما يلي:
\[\ce{_0^1n + _{92}^{235}U \rightarrow _{56}^{141}Ba + _{36}^{92}Kr + 3_0^1n + Q,} \nonumber \]
\[\ce{_0^1n + _{92}^{235}U \rightarrow _{54}^{140}Xe + _{38}^{94}Sr + 2_0^1n + Q,} \nonumber \]
\[\ce{_0^1n + _{92}^{235}U \rightarrow _{50}^{132}Sn + _{42}^{101}Mo + 3_0^1n + Q,} \nonumber \]
في كل حالة، يكون مجموع كتل نوى المنتج أقل من كتل المواد المتفاعلة، وبالتالي فإن انشطار اليورانيوم هو عملية طاردة للحرارة\((Q > 0)\). هذه هي الفكرة وراء استخدام مفاعلات الانشطار كمصادر للطاقة (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تأخذ الطاقة التي ينقلها التفاعل شكل جزيئات ذات طاقة حركية. يوضح الشكل النسبة المئوية لإنتاج الأجزاء من انشطار U-235\(\PageIndex{2}\).
يمكن فهم تغيرات الطاقة في تفاعل الانشطار النووي من حيث طاقة الربط لكل منحنى نووي. قيمة BEN لليورانيوم\((A = 236)\) أقل قليلاً من النواة الوليدة، التي تقع بالقرب من قمة الحديد (Fe). وهذا يعني أن النيوكليونات في الأجزاء النووية مرتبطة بإحكام أكثر من تلك الموجودة في نواة U-235. لذلك، ينتج عن تفاعل الانشطار انخفاض في متوسط طاقة النيوكليون. يتم نقل هذه الطاقة بواسطة نيوترونات عالية الطاقة.
قام نيلز بور وجون ويلر بتطوير نموذج قطرة السائل لفهم عملية الانشطار. وفقًا لهذا النموذج، فإن إطلاق النيوترون على النواة يشبه إزعاج قطرة ماء (الشكل\(\PageIndex{3}\)). يعمل هذا التشبيه لأن القوى قصيرة المدى بين النيوكليونات في النواة تشبه القوى الجذابة بين جزيئات الماء في قطرة الماء. وعلى وجه الخصوص، تؤدي القوى بين النيوكليونات على سطح النواة إلى توتر سطحي مماثل لتوتر قطرة الماء. يمكن للنيوترون الذي يتم إطلاقه في نواة اليورانيوم أن يجعل النواة في حالة اهتزاز. إذا كان هذا الاهتزاز عنيفًا بدرجة كافية، تنقسم النواة إلى نوى أصغر وتصدر أيضًا نيوترونين أو ثلاثة نيوترونات فردية.
يمكن أن ينتج انشطار U-235 تفاعل تسلسلي نووي. في مركب يتكون من العديد من نوى U-235، يمكن للنيوترونات الموجودة في تحلل نواة U-235 أن تبدأ في انشطار نوى U-235 الإضافية (الشكل\(\PageIndex{4}\)). يمكن أن يستمر هذا التفاعل المتسلسل بطريقة خاضعة للرقابة، كما هو الحال في المفاعل النووي في محطة توليد الكهرباء، أو يستمر بشكل لا يمكن السيطرة عليه، كما هو الحال في الانفجار.
شاهد محاكاة للانشطار النووي لبدء تفاعل متسلسل، أو أدخل نظائر غير مشعة لمنع حدوث ذلك. التحكم في إنتاج الطاقة في المفاعل النووي.
القنبلة الذرية
أدى احتمال حدوث تفاعل متسلسل في اليورانيوم، مع إطلاقه الكبير للغاية للطاقة، إلى قيام العلماء النوويين بالتفكير في صنع قنبلة - قنبلة ذرية. (كانت هذه الاكتشافات تحدث في السنوات التي سبقت الحرب العالمية الثانية مباشرة والعديد من علماء الفيزياء الأوروبيين المشاركين في هذه الاكتشافات جاءوا من بلدان تم اجتياحها.) يحتوي اليورانيوم الطبيعي على\(99.3\%\) U-238\(0.7\%\) وU-235 فقط، ولا ينتج عنه تفاعل متسلسل. لإنتاج تفاعل متسلسل مستدام وخاضع للرقابة، يجب زيادة النسبة المئوية لـ U-235 إلى حوالي\(50\%\). بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون عينة اليورانيوم ضخمة بما يكفي بحيث يكون النيوترون النموذجي أكثر عرضة للحث على الانشطار من الهروب. تُسمى الكتلة الدنيا اللازمة لحدوث التفاعل المتسلسل بالكتلة الحرجة. عندما تصل الكتلة الحرجة إلى نقطة يصبح عندها التفاعل المتسلسل مكتفيًا ذاتيًا، تُعرف هذه الحالة باسم الحرجية. تطلب التصميم الأصلي قطعتين من U-235 تحت الكتلة الحرجة. عندما يتم إطلاق قطعة واحدة على شكل رصاصة في القطعة الثانية، يتم تجاوز الكتلة الحرجة وينتج تفاعل متسلسل.
عقبة مهمة أمام قنبلة U-235 هي إنتاج كتلة حرجة من المواد الانشطارية. لذلك، طور العلماء قنبلة بلوتونيوم 239 لأن Pu-239 أكثر قابلية للانشطار من U-235 وبالتالي تتطلب كتلة حرجة أصغر. صُنعت القنبلة على شكل كرة تحتوي على قطع من البلوتونيوم، كل منها تحت الكتلة الحرجة، على حافة الكرة. أدت سلسلة من الانفجارات الكيميائية إلى إطلاق قطع البلوتونيوم باتجاه مركز الكرة في وقت واحد. عندما اجتمعت كل هذه القطع من البلوتونيوم، تجاوز المزيج الكتلة الحرجة وأنتج تفاعلًا متسلسلًا. تم استخدام كل من قنابل U-235 و Pu-239 في الحرب العالمية الثانية. يظل تطوير واستخدام الأسلحة الذرية من أهم الأسئلة التي تواجهها الحضارة الإنسانية.
احسب الطاقة المنبعثة في تفاعل الانشطار التلقائي النادر التالي:
\[\ce{^{238}U \rightarrow ^{95}Sr + ^{140}Xe + 3n,} \nonumber \]
الكتل الذرية هي\(m(^{238}U) = 238.050784 \, u\)،\(m(^{95}Sr) = 94.919388 \, u\)،\(m(^{140}Xe) = 139.921610 \, u\)، و\(m(n) = 1.008665 \, u\).
إستراتيجية
كما هو الحال دائمًا، فإن الطاقة المنبعثة تساوي أوقات تدمير الكتلة\(c^2\)، لذلك يجب أن نجد الفرق في الكتلة بين الأم\(^{238}U\) ومنتجات الانشطار.
الحل
تحتوي المنتجات على كتلة إجمالية قدرها
\[m_{products} = 94.919388 \, u + 139.921610 \, u + 3(1.008665 \, u) \nonumber \]
\[= 237.866993 \, u. \nonumber \]
الكتلة المفقودة هي كتلة\(^{238}U - m_{products}\) أو
\[\Delta m = 238.050784 \, u - 237.8669933 \, u = 0.183791 \, u. \nonumber \]
لذلك، فإن الطاقة المنبعثة هي
\[E = (\Delta m)c^2 = (0.183791 \, u) \frac{931.5 \, MeV/c^2}{u}c^2 = 171.2 \, MeV. \nonumber \]
الدلالة
تظهر العديد من الأشياء المهمة في هذا المثال. يكون إطلاق الطاقة كبيرًا ولكنه أقل مما سيكون عليه إذا انقسمت النواة إلى جزأين متساويين، حيث يتم نقل الطاقة بواسطة النيوترونات. ومع ذلك، ينتج تفاعل الانشطار النيوترونات ولا يقسم النواة إلى قسمين متساويين. لا ينتج انشطار نوكليد معين\(^{238}U\)، مثل، دائمًا نفس المنتجات. الانشطار هو عملية إحصائية يتم فيها إنتاج مجموعة كاملة من المنتجات باحتمالات مختلفة. ينتج معظم الانشطار نيوترونات، على الرغم من اختلاف العدد. يعد هذا جانبًا مهمًا للغاية من الانشطار، لأن النيوترونات يمكن أن تحفز المزيد من الانشطار، مما يتيح تفاعلات متسلسلة مكتفية ذاتيًا.
مفاعلات الانشطار النووي
تم بناء أول مفاعل نووي من قبل إنريكو فيرمي في ملعب اسكواش في حرم جامعة شيكاغو في 2 ديسمبر 1942. كان المفاعل نفسه يحتوي على U-238 المخصب بـ\(3.6\%\) U-235. تتحرك النيوترونات الناتجة عن التفاعل المتسلسل بسرعة كبيرة لبدء تفاعلات الانشطار. تتمثل إحدى طرق إبطائها في وضع المفاعل بأكمله في حمام مائي تحت ضغط مرتفع. تصطدم النيوترونات بجزيئات الماء وتتباطأ بدرجة كافية لاستخدامها في عملية الانشطار. تؤدي النيوترونات البطيئة إلى تقسيم المزيد من نوى U-235 ويحدث تفاعل متسلسل. يتم التحكم في معدل استمرار التفاعل المتسلسل بواسطة سلسلة من قضبان «التحكم» المصنوعة من الكادميوم التي يتم إدخالها في المفاعل. الكادميوم قادر على امتصاص عدد كبير من النيوترونات دون أن يصبح غير مستقر.
يمكن أيضًا استخدام تصميم مفاعل نووي، يسمى مفاعل الماء المضغوط، لتوليد الكهرباء (الشكل\(\PageIndex{5}\)). تم تصميم مفاعل الماء المضغوط (على اليسار في الشكل) للتحكم في انشطار كميات كبيرة من\(^{235}U\). يتم امتصاص الطاقة المنبعثة في هذه العملية عن طريق تدفق المياه عبر الأنابيب في النظام («الحلقة الأولية») ويتم إنتاج البخار. تعمل قضبان التحكم في الكادميوم على ضبط تدفق النيوترون (معدل تدفق النيوترونات التي تمر عبر النظام) وبالتالي التحكم في التفاعل. في حالة ارتفاع درجة حرارة المفاعل وغليان الماء، ينتهي التفاعل المتسلسل، لأن الماء يستخدم لتسخين النيوترونات. (يمكن أن تكون ميزة الأمان هذه مرهقة في الظروف القصوى.) ثم يمر الماء الساخن عالي الضغط عبر أنبوب إلى خزان آخر من الماء عند الضغط العادي في مولد البخار. يملأ البخار الناتج في أحد طرفي مولد البخار غرفة تحتوي على توربين. هذا البخار تحت ضغط مرتفع للغاية. وفي الوقت نفسه، يعمل مكثف البخار المتصل بالجانب الآخر من غرفة التوربين على الحفاظ على البخار عند الضغط المنخفض. تدفع فروق الضغط البخار عبر الغرفة التي تدير التوربين. يعمل التوربين بدوره على تشغيل مولد كهربائي.
العيب الرئيسي لمفاعل الانشطار هو النفايات النووية. ينتج انشطار U-235 نوى ذات فترات نصف عمر طويلة مثل\(^{238}U\) تلك التي يجب تخزينها. لا يمكن إلقاء هذه المنتجات في المحيطات أو تركها في أي مكان حيث ستلوث البيئة، مثل التربة أو الهواء أو الماء. يعتقد العديد من العلماء أن أفضل مكان لتخزين النفايات النووية هو قاع مناجم الملح القديمة أو داخل الجبال المستقرة.
يخشى الكثير من الناس أن ينفجر المفاعل النووي مثل القنبلة الذرية. ومع ذلك، لا يحتوي المفاعل النووي على كمية كافية من U-235 للقيام بذلك. كما تم تصميم المفاعل النووي بحيث يؤدي فشل أي آلية للمفاعل إلى سقوط قضبان التحكم في الكادميوم بالكامل في المفاعل، مما يوقف عملية الانشطار. كما يتضح من كارثة فوكوشيما وتشرنوبيل، يمكن أن تفشل هذه الأنظمة. تعد الأنظمة والإجراءات لتجنب مثل هذه الكوارث أولوية مهمة لدعاة الطاقة النووية.
إذا تم إنتاج جميع الطاقة الكهربائية عن طريق الانشطار النووي لـ U-235، فإن احتياطيات اليورانيوم المعروفة على الأرض ستستنفد في أقل من قرن. ومع ذلك، يمكن زيادة إمدادات الأرض من المواد الانشطارية بشكل كبير باستخدام مفاعل التوليد. يعمل مفاعل التوليد لأول مرة باستخدام انشطار U-235 كما هو موضح للتو لمفاعل الماء المضغوط. ولكن بالإضافة إلى إنتاج الطاقة، يتم امتصاص بعض النيوترونات السريعة الناشئة عن انشطار U-235 بواسطة U-238، مما يؤدي إلى إنتاج Pu-239 عبر مجموعة التفاعلات
\[\ce{_0^1n + _{92}^{238}U \rightarrow _{92}^{239}U \rightarrow _{93}^{239}Np \rightarrow _{94}^{239}Pu.} \nonumber \]
إن Pu-239 بحد ذاته قابل للانشطار بدرجة عالية ويمكن بالتالي استخدامه كوقود نووي بدلاً من U-235. نظرًا لأن\(99.3\%\) اليورانيوم الطبيعي هو نظير U-238، فإن استخدام المفاعلات المولدة من شأنه أن يزيد من إمداداتنا من الوقود النووي بعامل 100 تقريبًا. تعمل مفاعلات التوليد الآن في بريطانيا العظمى وفرنسا وروسيا. تحتوي مفاعلات التوليد أيضًا على عيوب. أولاً، تنتج مفاعلات التوليد البلوتونيوم، الذي يمكن أن يؤدي، إذا تسرب إلى البيئة، إلى مشاكل صحية عامة خطيرة. ثانياً، يمكن استخدام البلوتونيوم لصنع القنابل، مما يزيد بشكل كبير من خطر الانتشار النووي.
احسب مقدار الطاقة الناتجة عن انشطار مقداره ١٫٠٠ كجم\(^{235}U\) إذا كان متوسط تفاعل الانشطار\(^{235}U\) يُنتج ٢٠٠ MeV.
إستراتيجية
إجمالي الطاقة المنتجة هو عدد\(^{235}U\) الذرات مضروبًا في الطاقة المعطاة لكل\(^{235}U\) انشطار. لذلك يجب أن نجد عدد\(^{235}U\) الذرات في 1.00 kg.
الحل
عدد\(^{235}U\) الذرات في 1.00 kg هو عدد Avogadro مضروبًا في عدد الشامات. \(^{235}U\)تبلغ كتلة المول الواحد 235.04 غرامًا؛ وهكذا يوجد\((1000 \, g)/(235.04 \, g/mol) = 4.25 \, mol\). وبالتالي فإن عدد\(^{235}U\) الذرات هو
\[(4.25 \, mol)(6.02 \times 10^{23})^{235}U/mol = (2.56 \times 10^{24})^{235}U. \nonumber \]
وبالتالي، فإن إجمالي الطاقة المنبعثة هو
\[E = (2.56 \times 10^{24})^{235}U \left(\frac{200 \, MeV}{^{235}U} \right) \left(\frac{1.60 \times 10^{-13} \, J}{MeV} \right) = 8.21 \times 10^{13} \, J \nonumber \]
الدلالة
هذه كمية كبيرة أخرى من الطاقة، تعادل حوالي 14000 برميل من النفط الخام أو 600000 جالون من البنزين. ومع ذلك، فهي لا تمثل سوى ربع الطاقة الناتجة عن اندماج خليط الكيلوغرام من الديوتيريوم والتريتيوم. على الرغم من أن كل تفاعل انشطار ينتج حوالي 10 أضعاف طاقة تفاعل الاندماج، فإن الطاقة لكل كيلوغرام من وقود الانشطار أقل، لأن هناك عددًا أقل بكثير من الشامات لكل كيلوغرام من النويدات الثقيلة. كما أن وقود الانشطار أكثر ندرة من وقود الاندماج، وأقل\(1\%\) من اليورانيوم (ال\(^{235}U\)) يمكن استخدامه بسهولة.
ما العائد الأكبر من الطاقة لكل تفاعل انشطاري، عينة كبيرة أم صغيرة من الطاقة النقية\(^{235}U\)؟
- إجابة
-
نفس الشيء