أنواع الانشطار النووي
يُعرف الانشطار النووي (Nuclear Fission) بأنه عملية انقسام نواة الذرة إلى نوى أصغر نتيجة تفاعل كيميائي. يمكن أن يكون هذا الانقسام إما تلقائياً أو ناتجاً عن تدخل صناعي، حيث يتم توجيه نيوترونات إلى نواة العنصر باستهداف معين لتحفيزها لتبدأ عملية الانشطار. وتتميز نواتج هذه التفاعلات بأنها تمتلك كتلة أقل مقارنة بالكتلة الأصلية للعنصر، نظرًا لانتقال الفرق في الكتلة إلى طاقة نووية. ويُقسم الانشطار النووي إلى نوعين رئيسيين:
- الانشطار النووي الصناعي: يبدأ عندما يتم توجيه نيوترون عالي الطاقة نحو نواة عنصر مشع مثل اليورانيوم 235 (235U). تستجيب النواة لهذا التحفيز، مما يؤدي إلى انقسامها وإطلاق طاقة هائلة مصاحبة بإنتاج نيوترونات إضافية تؤدي إلى تحفيز نوى أخرى من نفس العنصر، مما يؤدي إلى بدء تفاعل متسلسل يستمر في إنتاج الطاقة.
- الانشطار النووي العفوي: يُعتبر من الظواهر النادرة، حيث تنقسم نواة العناصر المشعة إلى نوى أصغر ومستقرة بشكل تلقائي دون الحاجة إلى أي تدخل خارجي. وبسبب طبيعته النادرة وصعوبة السيطرة عليه، يُعتبر أقل فعالية مقارنةً بالانشطار النووي الصناعي. يحدث هذا النوع عندما تمتص النواة المشعة نيوترون، حيث أن النيوترون يعد مثالياً لذلك بفضل شحنته المتعادلة مما يسهل امتصاصه من قبل النواة الثقيلة. العنصر الوحيد المعروف بأنه قابل للانشطار في الطبيعة هو اليورانيوم 235، والذي يتميز بنصف عمر يصل إلى 700 مليون سنة.
ما هو الانشطار النووي؟
الانشطار النووي هو عملية تفكيك أو تقسيم النوى الخاصة بالذرات الثقيلة إلى جزئيين أصغر من النواة الأساسية للعنصر وأقل كتلة. وتُعتبر نواة كل من اليورانيوم والبلوتونيوم من أبرز النماذج المستخدمة حاليًا في تفاعلات الانشطار النووي بغرض إنتاج الطاقة وتوليد الكهرباء. يترافق هذا الانقسام مع إطلاق كمية هائلة من الطاقة، مما يجعل التفاعلات النووية العفوية أو الحُرة خطيرة وقد تؤدي إلى كوارث في حال عدم التحكم بها. بالمقابل، يمكن أن توفر التفاعلات النووية المُنظّمة طاقة هائلة للاستفادة منها في إنتاج الكهرباء والتطبيقات الأخرى المفيدة للمجتمع، عكس التفاعلات غير المسيطر عليها مثل تلك المستخدمة في القنبلة الذرية، التي تؤدي إلى انفجارات مدمرة.
لكي يحدث تفاعل الانشطار، يجب توفر نيوترونات لاصطدامها بذرة العنصر المشع، مما يؤدي إلى انقسام هذه الذرة إلى ذرتين أصغر حجماً تُعرفان بـ “نواتج الانشطار”. يصاحب هذه النواتج إطلاق نيوترونات إضافية يمكنها بدء تفاعل متسلسل يفجر طاقة هائلة تُستخدم بشكل واسع في تسخين الماء وتحويله إلى بخار، والذي يُستخدم بدوره لتدوير التوربينات وإنتاج كهرباء نظيفة خالية من الكربون.
كيف يحدث الانشطار النووي؟
تحدث عمليات الانشطار النووي، سواء كانت عفوية أو اصطناعية، بعد توجيه عدد من النيوترونات نحو نواة عنصر ثقيل. تؤدي هذه النيوترونات إلى إحداث اضطراب في استقرار نواة العنصر، مما يتسبب في تحللها وتجزيئها إلى نواتين تكاد تكون متطابقتين، حيث تكون كتلة النواة الأصلية أكبر من مجموع كتلتي النواتج المتحصلة. بالإضافة إلى ذلك، يحدث تفاعل الانشطار مع إنتاج طاقة ضخمة تتجاوز بكثير طاقة احتراق الكربون أو الطاقة الناتجة عن تفجير الديناميت. نتيجة لتسارع التفاعل النووي، تُظهر نتائج تفوق إنتاج الطاقة النووية بشكل كبير مقارنةً بتفاعلات كيميائية طبيعية. يجب التحكم في عدد النيوترونات المتحررة للحفاظ على استقرار التفاعل وسرعته. عبر ضبط عدد النيوترونات، يمكن للعلماء التحكم في طبيعة التفاعل، وهذه هي الفكرة الأساسية وراء عمل المفاعلات النووية.
اكتشاف الانشطار النووي
تم اكتشاف تفاعلات الانشطار النووي في عام 1938 من قبل العالمين “هان” و “ستراسمان” خلال تجاربهما على عنصر اليورانيوم. بعد تجريبهما لضرب نواة العنصر بالنيوترونات، اكتشفا أن التفاعل أنتج مادة “نظائر الباريوم”، والتي لم يكن لها تفسير في ذلك الوقت. بعد ذلك، أرسل العالم “هان” رسالة إلى العالمة “مايتنر” يصف فيها تجربته، وقامت مايتنر وابن أخيها “أوتو فريش” بدراسة هذه النتائج وتحليلها لفهمها. توصلوا في النهاية إلى أن النواة المنقسمة تعمل كقطرة سائلة، وفقاً لنموذج كيميائي اقترحه العالم الروسي “جورج جاموف”. ومع ذلك، وجد “أوتو فريش” بأن النموذج غير كافٍ، ورسم مخططات تبين كيف يمكن للنواة أن تتغير بعد اصطدامها بالنيوترون، مما يؤدي إلى الانقسام عن طريق قوة التنافر الكهربائي. واكتشفت مايتنر أن مجموع الكتلتين الناتجتين أقل بحوالي خمس كتلة نواة اليورانيوم الأصلية، واستندت هذه الفكرة على معادلة أينشتاين الشهيرة (E=mc²). نقلت هذه الاكتشافات إلى الولايات المتحدة، حيث أثارت اهتمام الباحثين وبدأ العمل بها.