ما هي عملية الانشطار النووي؟ وكيف تتولد منها الطاقة؟

عند الحديث عن توليد الطاقة، عادة ما يتم ذكر الطاقة النووية وعمليات الانشطار النووي بالتوازي مع ذلك، لكن ما هي عملية الانشطار النووي؟ وكيف تتولد منها الطاقة؟

المحتويات:

1. ما هو الانشطار النووي؟

2. من أين تأتي الطاقة؟

3. الانشطار النووي وتوليد الطاقة.


1. ما هو الانشطار النووي؟

الانشطار النووي Nuclear Fission باختصار هو عملية تفتيت النوى (النوى الكبيرة عادة). عند انشطار النوى الكبيرة، مثل اليورانيوم 235، يتم إطلاق الطاقة.

يتم في هذه العملية إطلاق الكثير من الطاقة بحيث يكون هناك انخفاض ملموس في الكتلة. ومن معادلة الكتلة والطاقة، هذا يعني أن جزءاً من الكتلة يتحول إلى طاقة. كمية الكتلة المفقودة في عملية الانشطار تساوي حوالي 3.20 × 10−11 جول من الطاقة.

تحدث عملية الانشطار بشكل عام عندما يتم ضرب نواة كبيرة غير مستقرة نسبياً (بمعنى أن هناك مستوى معين من عدم التوازن في النواة بين قوة كولوم والقوة النووية القوية) يتم ضربها بواسطة نيوترون حراري منخفض الطاقة. بالإضافة إلى النوى الأصغر التي يتم إنشاؤها عند حدوث الانشطار، يطلق الانشطار النووي النيوترونات أيضاً.

تاريخ الانشطار النووي.

قام إنريكو فيرمي في الأصل بتقسيم نواة اليورانيوم في عام 1934. كما كان يعتقد أنه يمكن إنتاج عناصر معينة بقذف اليورانيوم بالنيوترونات.

على الرغم من أنه توقع أن تحتوي النوى الجديدة على أعداد ذرية أكبر من عدد اليورانيوم الأصلي، إلا أنه وجد أن النوى المتكونة كانت نظائر مشعة لعناصر أخف.


2. من أين تأتي الطاقة؟

تأتي الطاقة الهائلة التي يتم إطلاقها من هذا الانقسام من مدى صعوبة تنافر البروتونات مع بعضها البعض بقوة كولوم، التي بالكاد تتماسك معاً بواسطة القوة القوية.

يدفع كل بروتون كل بروتون آخر بقوة 20 نيوتن تقريباً، أي تقريباً قوة يد تستقر على الحائط. هذه قوة هائلة بشكل لا يصدق بالنسبة لمثل هذه الجسيمات الصغيرة.

تؤدي هذه القوة الهائلة على مسافة صغيرة إلى قدر معقول من الطاقة المنبعثة والتي تكون كبيرة بما يكفي لإحداث انخفاض ملموس في الكتلة. هذا يعني أن الكتلة الكلية لكل جزء من شظايا الانشطار أقل من كتلة نواة البداية. تُعرف هذه الكتلة المفقودة باسم عيب الكتلة Mass Defect.

تحتوي جميع النوى على هذه الطاقة الرابطة باستثناء الهيدروجين (الذي يحتوي على بروتون واحد فقط ولا يحتوي على نيوترونات).

من المفيد التفكير في طاقة الربط المتاحة لكل نواة وهذا ما يسمى طاقة الربط لكل نواة. وهي مقدار الطاقة المطلوبة لكل نواة لفصل النواة.

تكون نواتج الانشطار أكثر استقراراً، مما يعني أنه من الصعب فصلها عن بعضها. نظراً لأن طاقة الارتباط لكل نواة لنواتج الانشطار أعلى، فإن كتلتها النووية الكلية تكون أقل.

ينتج عن هذه الطاقة الرابطة العالية والكتلة المنخفضة إنتاج الطاقة. في الأساس، يعتبر عيب الكتلة وطاقة الارتباط النووي مصطلحين قابلين للتبادل.


3. الانشطار النووي وتوليد الطاقة.

انقسام العناصر الثقيلة هو تفاعل طارد للحرارة. يمكن أن يطلق الانشطار ما يصل إلى 200 مليون إلكترون فولت مقارنةً بحرق الفحم الذي لا يعطي سوى القليل من الجهد الكهربائي.

من هذا الرقم وحده يتضح سبب استخدام الانشطار النووي في توليد الكهرباء. بالإضافة إلى ذلك، فإن كمية الطاقة المنبعثة هي أكثر كفاءة بكثير لكل كتلة من الفحم.

كما أن السبب الرئيسي لاستخدام الانشطار النووي لتوليد الكهرباء هو أنه مع الاعتدال المناسب واستخدام قضبان التحكم، يمكن للنيوترونات الحرة المقذوفة من تفاعل الانشطار أن تتفاعل أكثر مع الوقود مرة أخرى.

يؤدي هذا بعد ذلك إلى إنشاء تفاعل نووي متسلسل مستدام، والذي يطلق كميات متواصلة إلى حد ما من الطاقة. أحد الجوانب السلبية لاستخدام الانشطار كوسيلة لتوليد الكهرباء هو أن النوى الوليدة الناتجة مشعة.

عند استخدام الانشطار النووي لتوليد الكهرباء، يشار إليه على أنه الطاقة النووية. في هذه الحالة، يتم استخدام اليورانيوم 235 كوقود نووي ويتم تشغيل انشطاره عن طريق امتصاص نيوترون حراري بطيء الحركة.

كما أن النظائر الأخرى التي يمكن تحفيزها للانشطار مثل هذه هي البلوتونيوم 239 واليورانيوم 233 والثوريوم 232.  بالنسبة للعناصر الأخف من الحديد في الجدول الدوري، ينتج الاندماج النووي بدلاً من الانشطار النووي طاقة. ومع ذلك، لا توجد حالياً طريقة تسمح لنا بالوصول إلى الطاقة التي يمكن أن ينتجها الاندماج.