الانشطار المتسلسل

 يمكن للطاقة النووية أن تتولد عندما تنشطر نواة مادة انشطارية عند قذفها بالنيوترونات. وما دمنا نتحدث عن الانشطار النووي والمواد القابلة للانشطار فيمكننا هنا أن نقسم المواد المعروفة إلى أربعة أقسام وذلك من وجهة نظر انشطارية بحتة:

1- مواد انشطارية (Fissile) وهي المواد التي يمكنها الانشطار عند قذفها بالبوترونات  Pu, ²³⁹Pu, ²³⁵U, ²³³U²⁴¹

2- مواد قابلة للانشطار (Fissionable) وهي المواد التي يمكنها الانشطار عند قذفها بالنيوترونات السريعة مثل U²³⁸ .

3- مواد مخصبة: (Fertile) وهي المواد التي يمكن أن تتحول إلى مواد انشطارية عندما تمتص النيوترونات مثل Th, ²³⁸U²³² وذلك ما سوف نوضحه في فصل المفاعلات الانتاجية. حيث يمكن تحضير الوقود النووي عندما يتم تحويل U²³⁸ إلى بلوتونيوم (Pu²³⁹) والثوريوم إلى يورانيوم (U²³³).

4- الوقود الحفري (Fossile) وهي المواد المعروفة والمستخدمة كوقود وكمصادر للطاقة التقليدية مثل الفحم وزيت البترول وغيرها.

وللحصول على الطاقة النورية فإنه لا بد من إحداث تفاعل انشطاري متسلل Nuclear Chain Reaction وذلك كما نبينه في الشكل (1) حيث نجد أنه عندما يسقط النيوترون على ذرة اليورانيوم — 235 فإنه يحدث انشطار نووي تنطلق فيه شظيتي الانشطار بطاقة حركة كبيرة (في واقع الأمر معظم طاقة الانشطار تظهر على شكل طاقة حركة للشظيتين، كما وتنطلق بضعة نيوترونات (يتراوح عدد النيوترونات بين 2-3 تقريباً إثر كل عملية انشطار). في الشكل (1. أ) نجد أننا نحصل على تفاعل متسلسل ذاتي بمعدل مضطرد حيث نجد أنه بعد المرحلة الأولى وحدوث الانشطار الأول تنطلق ثلاثة نيوترونات حيث ينجح اثنان منهما في عمل انشطار جديد لنواتي يورانيوم جديدتين مما ينتج عنه تكون أربع شظايا انشطار وانطلاق مجموعة أخرى من النيوترونات وهذا ما يحدث في المرحلة الثانية. في المرحلة الثالثة تنجح أربعة نيوترونات في إحداث انشطار لأربع أنوية يورانيوم جديدة ومن ثم تنطلق ثماني شظايا انشطار. وبالتالي نجد أن عدد الأنوية المنشطرة يتزايد وينمو باضطراد. فإذا ما تم ضبط المادة الانشطارية وغيرها من المواد والنيوترونات بطريقة مماثلة.

لما سبق فإن الانشطار النووي يكتب له البقاء والنمو باضطراد مما ينتج عنه تضاعف عدد الأنوية المنشطرة وكذلك عدد النيوترونات المتولدة. . . فإذا استمر الحال على ما هو عليه فإن ذلك سيؤدي حتماً إلى انشطارات نووية متعاقبة تنمو بصورة انفجارية مما ينتج عنه الانفجار النووي أي القنبلة النووية. وهذا ما يسعى إليه العسكريون.

في الشكل (1.ب) نجد نوعاً آخر من الانشطار النووي. فهنا نجد أنه في المرحلة الثانية ينجح نيوترون واحد فقط في إحداث اشطار آخر لنواة يورانيوم بينما يتمكن أحد النيوترونات من التشتت عن أية مادة موجودة في المفاعل ومن ثم لا يتمكن من إحداث انشطار نووي. كما ونبين في الشكل أن

الشكل (1)

نيوتروناً آخر قد عمل تفاعل الأسر الإشعاعي حيث يتم امتصاصه بواسطة مادة ما مما ينتج عنه انطلاق إشعاع. كما ويمكن أن ينتج عن ذلك أي نوع من أنواع التفاعلات النووية التي أشرنا إليها في الأبواب السابقة، وبالتالي يضيع هذا النيوترون كسابقة. وهكذا نجد أنه في المرحلة الثانية لم نحصل إلا على انشطار واحد فقط، وكذلك الحال في المرحلة الثالثة، فإننا نجد أنه ما حدث في المرحلة الثانية يحدث مثيلة في هذه المرحلة أيضاً وتكون المحصلة النهائية الحصول على انشطار واحد فقط. وهكذا نجد أنه إذا ما تم ضبط المواد الانشطارية وغيرها من المواد والنيوترونات بحيث نحصل في كل مرحلة على عدد ثابت من الانشطارات النووية فإن ذلك يعني أننا نحصل على تفاعل متسلسل ذاتي ولكن بمعدل ثابت. أي أننا نحصل على مصدر منتظم للطاقة ومنضبط وهذا بالضبط ما نسعى إليه ونحاول الاستفادة منه عندما نقوم بتشغيل المفاعل النووي.

يبين الشكل (2) مصير نيوترون سريع ساقط على كرة من اليورانيوم — 238 مخصبة باليورانيوم — 235. حيث نجد عدة احتمالات للتفاعلات النووية الممكنة. فإما أن يحدث:

الشكل (2)

1) انشطار عندما يسقط النيوترون على نواة U²³⁵ مما ينتج عنه طاقة نووية وتوليد نيوترونات جديدة تستخدم لأحداث انشطارات جديدة لأنوية أخرى.

2) أسر إشعاعي للنيوترون بواسطة نواة U²³⁵

3) انشطار سريع لنواة U²³⁸ مما ينتج عنه توليد طاقة نووية وإضافة نيوترونات جديدة إلى المنظومة وما يتبع ذلك من احتمالات انشطارية لأنوية اخرى.

4) امر إشعاعي بواسطة أنوية واحتمال هذا التفاعل اكبر من سابقه.

5) هرب للنيوترون من كرة اليورانيوم دون إحداث أي تفاعل نووي، حيث تتم هنا عدة تشتتات للنيوترون عن الأنوية ويجد نفسه في نهاية المطاف خارج الكرة.

6) قد يصادف النيوترون الهارب في طريقه للخارج مواداً معينة تتمكن من رده إلى الخلف عندما يتصادم معها ومن ثم يمكن أن يدخل ثانية إلى كرة اليورانيوم، حيث يعيد الكرة كما في الخطوات السابقة.

7) إمتصاص للنيوترون بواسطة المواد الإنشائية المستخدمة في إنشاء المفاعل، وما أكثرها أو بواسطة أنوية المادة المهدئة.

في واقع الأمر نضيف المهدئ إلى المفاعل وذلك لأننا نرغب أحياناً في إحداث تفاعل الإنشطار النووي بواسطة النيوترونات البطيئة أو الحرارية ومن المواد المستخدمة كمهدئات في المفاعلات: الماء والماء الثقيل والكربون، .. . الخ.