أنواع الانشطار النووي
يتمثل الانشطار النووي (Nuclear Fission) في انقسام نواة الذرة إلى نوى أصغر، ويحدث هذا نتيجة لتفاعل كيميائي، حيث يمكن أن يكون الانقسم إما طبيعياً أو يحدث بشكل صناعي عبر توجيه نيوترونات عالية الطاقة نحو نواة عنصر معين، مما يتسبب في انطلاق عملية الانشطار داخل المفاعلات والمختبرات. وعند حدوث هذه التفاعلات، ينتج عنها كتلة مجمعة تقل عن الكتلة الأصلية للعنصر، وذلك بسبب تحويل الفرق بين الكتلتين إلى طاقة نووية. يُقسم الانشطار النووي إلى نوعين رئيسيين:
- الانشطار النووي الصناعي: يبدأ من خلال توجيه نيوترون عالي الطاقة نحو نواة عنصر مشع مثل اليورانيوم 235U، حيث يستجيب العنصر وينقسم، مما يؤدي إلى إنتاج طاقة نووية هائلة ونيوترونات إضافية. هذه النيوترونات تبدأ بدورها في تحفيز ذرات العنصر فيحدث انشطار متسلسل يستمر في إنتاج الطاقة.
- الانشطار النووي العفوي: يتمثل في انقسام نواة العناصر المشعة بشكل طبيعي دون تدخل خارجي، وهو حدوث نادر ومعقد لدرجة تجعل السيطرة عليه صعبة. ينجم هذا الانشطار عن امتصاص النواة المشعة لنيوترون مثالي، وذلك بسبب شحنته المتعادلة، ويعتبر اليورانيوم 235 هو العنصر الوحيد الموجود بشكل طبيعي الذي يمتلك قدرة الانشطار العفوي، حيث يمتلك isotopes نادرة وعمر نصفي يصل إلى 700 مليون سنة.
ما هو الانشطار النووي؟
يتم تعريف الانشطار النووي على أنه تفكيك أو تقسيم نوى الذرات الثقيلة إلى جزئيات أصغر وأقل كتلة من النواة الأساسية للعنصر. يُعتبر كل من اليورانيوم والبلوتونيوم من أبرز الأمثلة على العناصر الثقيلة المستخدمة في تفاعلات الانشطار النووي بهدف توليد الطاقة وإنتاج الكهرباء. يصاحب هذا الانقسام إصدار كمية كبيرة من الطاقة، مما يجعل التفاعلات النووية العفوية أو التلقائية غير آمنة، حيث قد تؤدي إلى كوارث في حال لم يتم مراقبتها بشكل جيد. ومن الناحية الأخرى، فإن التفاعلات المحكومة يمكن أن توفر طاقة كبيرة تساهم في إنتاج الكهرباء وباقي التطبيقات المستخدمة لصالح المجتمع. بينما تؤدي التفاعلات غير المحكومة إلى انفجارات ذات قوة تدميرية كبيرة كالجسيمات الناتجة عن الانفجارات النووية.
لحدوث تفاعل الانشطار، يتطلب الأمر توفير نيوترونات لتصطدم بنواة العنصر المشع، مما يؤدي إلى انقسامها إلى ذرتين أصغر حجمًا تُعرفان بنواتج الانشطار، ويرافق هذه النواتج إطلاق نيوترونات إضافية قد تبدأ تفاعلًا متسلسلًا، والذي بدوره يطلق كمية هائلة من الطاقة. تُستخدم هذه الطاقة غالبًا في تسخين الماء إلى بخار والذي تتستخدمه بدوره لتدوير التوربينات لإنتاج كهرباء نظيفة خالية من الكربون.
كيف يحدث الانشطار النووي؟
يحدث الانشطار النووي التلقائي أو المفتعل من خلال توجيه مجموعة من النيوترونات نحو نواة ثقيلة، مع التأكد من سرعة الاصطدام وقوته، حيث يؤدي ذلك إلى خرق استقرار نواة العنصر المشع، مما يؤدي إلى انقسامها إلى نواتين بحجم وكتلة متقاربة، على أن تكون كتلة النواة الأم أكبر من مجموع كتلتي نواتج الانشطار. بالإضافة إلى ذلك، يصاحب تلك النواتج إطلاق كمية كبيرة من الطاقة ونيوترونين أو ثلاثة تعمل على تحفيز المزيد من ردود الفعل، مما يسمح بتكوين ما يعرف بعملية التفاعل المتسلسل. خلال جزء ضئيل من الثانية، تطلق النوى المنقسمة طاقة تفوق مليون مرة الطاقة المنبعثة من احتراق الكربون أو تفجير الديناميت. وهذا، فضلًا عن كون الطاقة الناتجة من هذه التفاعلات نسبيًا ضئيلًا مقارنةً بالطاقة المطلقة، فإن سرعة التفاعل النووي تبقى أسرع بكثير من التفاعلات الكيميائية. من هنا تظهر الحاجة إلى التحكم في عدد النيوترونات المتحررة والمساهمة في التفاعل المتسلسل لضمان استقرار وسرعة هذا التفاعل. عندما يتمكن العلماء من ضبط عدد النيوترونات، فإنهم بذلك يتحكمون بعملية التفاعل ذاته، وهذا هو الأساس الذي تعمل عليه المفاعلات النووية.
اكتشاف الانشطار النووي
تم اكتشاف تفاعلات الانشطار النووي في عام 1938 على يد العالمين “هان” و”ستراسمان”، بعد أن قاما بتجارب على عنصر اليورانيوم. بعد ضرب نواة العنصر بالنيوترونات، لاحظا أن التفاعل أنتج مادة “نظائر الباريوم” كواحدة من نواتج التجربة، ولكن لم يكن لديهما تفسير واضح لهذا الناتج الإضافي. لم يكن معروفًا حتى ذلك الحين أن للنيوترونات قدرة على تكسير نواة ذرة أكبر منها. ونتيجة لذلك، قام العالم “هان” بإرسال رسالة إلى العالمة “مايتنر” يصف لهما تجربته، وبعد ذلك انضم إليها ابن أخيها الفيزيائي “أوتو فريش” لدراسة النتائج وتحليلها. توصلوا إلى أن النواة المنقسمة هي بمثابة قطرة سائلة، مستندين في ذلك إلى نموذج كيميائي فرضه مسبقًا الفيزيائي الروسي “جورج جاموف.” ولكن هذا التفسير لم يكن مقنعًا لأوتو فريش، الذي قام برسم مخططات توضح كيف يمكن أن تتحول نواة اليورانيوم السائلة إلى مستطيلة بعد اصطدامها بالنيوترون ثم انقسامها، ولاحظ أنه بعد الانقسام، يحدث انفصال جزئي للمادة مؤديًا إلى طاقة عالية تصل إلى 200 ميغا إلكترون فولت. وهذا دفعهم جميعا للاستفسار عن مصدر هذه الطاقة. وعندما قامت مايتنر بتحليل النوى الناتجة، اكتشفت أن مجموع كتلتيهما أقل بحوالي خمس كتلة اليورانيوم الأصلية، فتستند إلى المعادلة الشهيرة لأينشتاين التي تربط الكتلة بالطاقة (E = mc²)، ليظهر بعد ذلك أن الانشطار المصاحب للنواة يُنتج نواتج ذات كتلة أقل وطاقة عالية تصل لـ200 ميغا فولت. قامت مايتنر بإبلاغ ابن أخيها أوتو فريش، الذي نقل الخبر إلى الفيزيائي بور، مما أدى إلى وصول معلومات اكتشاف الانشطار النووي إلى الولايات المتحدة مع اهتمام فوري وبدء العمل وفقًا لهذه الاكتشافات.
