(8-1-4) الانشطار النووي :

اكتشف العلماء عام 1939م أن نواة ذرة اليورانيوم ذات عدد الكتلة (235) : $_{92}U^{235}$ تنشطر إلى جزئين عند قصفها بنيوترونات بطيئة حيث تقتنص نواة اليورانيوم أحد هذه النيوترونات فتتكون نواة جديدة هي نواة اليورانيوم $_{92}U^{236*}$ وهذه النواة تكون غير مستقرة ولذلك تنشطر إلى نواتين متقاربتين في الكتلة إلى حد ما. وتسمى عملية انشطار نواة ذرة إلى نواتين أو أكثر بالانشطار النووي . وتنبعث أثناء الانشطار نيوترونات جديدة وكمية من الطاقة (شكل (4-11)).

فعندما يقصف اليورانيوم (235) بنيوترون بطئ فإن نواة اليورانيوم تنشطر لنواتين هما نواة عنصر الباريوم $_{56}Ba^{141}$ ونواة عنصر الكريبتون $_{36}Kr^{92}$ وتنطلق 3 نيوترونات خلال هذه العملية أيضاً بالإضافة إلى إنطلاق طاقة نووية هي طاقة الربط التي كانت تربط النواتين مع بعضهما في نواة واحدة . وذلك حسب المعادلة :

يورانيوم (235) + نيوترون $\longleftarrow$ باريوم + كريبتون + 3 نيوترونات + طاقة

وعندما تمتص النيوترونات الثلاثة المنطلقة من ذرة اليورانيوم المنشطرة بوساطة 3 ذرات يورانيوم أخرى فإنها تنشطر بدورها فتخرج منها 9 نيوترونات وتلاقي هذه النيوترونات 9 ذرات يورانيوم أخرى فتنشطر فتخرج منها 27 نيوترون وهكذا تتضاعف ذرات اليورانيوم المنشطرة بسرعة فائقة . ويسمى مثل هذا النوع من التفاعل الذي يتضاعف فيه عدد ذرات اليورانيوم المنشطرة تلقائياً دون بذل طاقة غير الطاقة التي تبدأ التفاعل بالتفاعل المتسلسل . وقد وجد أن التفاعل المتسلسل يمكن أن يشمل كل ذرات اليورانيوم إذا كانت كمية اليورانيوم الموجودة ذات كتلة محددة تسمى بالكتلة الحرجة أي يحدث انفجار في هذه الحالة فقط .

الشكل (4-11) : التفاعل النووي المتسلسل في اليورانيوم U 235 .

القنبلة الذرية :

تصنع القنبلة الذرية الانشطارية من عدة كيلوجرامات من عنصر اليورانيوم $_{92}U^{235}$ على هيئة نصفي كرة على أن يكون كل نصف غير قابل للانفجار وهو منفصل عن النصف الآخر لأن كتلة أي منهما لا تبلغ الكتلة الحرجة الضرورية لإنفجار اليورانيوم. ولتفجير القنبلة يقوم جهاز آلي بتقريبهما من بعضهما حيث يصلان معاً إلى الكتلة الحرجة فيحدث الانشطار النووي المتسلسل خلال بضعة أجزاء من البليون من الثانية وينتج عن ذلك كمية هائلة من الحرارة (تصل في مركز الإنفجار إلى أكثر من مليون درجة مئوية) . وهذه الحرارة تمتد إلى الغلاف الهوائي المحيط بالقنبلة فيحدث انفجار عنيف. وقد تم صنع أول ثلاث قنابل نووية في منتصف عام 1945م في الولايات المتحدة وقصفت الولايات المتحدة باثنتين منها مدينتي هيورشيمـا ونجازاكي باليابان عام 1945م مع نهاية الحرب العالمية الثانية فأحدثت دماراً هائلاً ومئات الألوف من القتلى حيث كانت قوة كل واحدة منها تعادل انفجار 20000 طن من مادة (TNT) شديدة الانفجار . ولكن صنع القنبلة الذرية ليس بتلك البساطة المذكورة هنا، ذلك لأن اليورانيوم 235 اللازم لصنعها لا يوجد في الطبيعة إلا بكميات ضئيلة وحتى هذه توجد مختلطة باليورانيوم 238 الأكثر وفرة ولذلك لا بد من فصل الإثنين عن بعضهما للحصول على الكمية الكافية من اليورانيوم 235 لصنع قنبلة. ولأن $Z = 92$ بروتون لكليهما فهما كيميائيا متشابهين ولا يمكن فصلهما كيميائيا(وهي الطريقة الأسهل) ولذلك لا بد أن يتم الفصل فيزيائيا. والطرق

المستخدمة لهذا الفصل معقدة ومكلفة ولا تنتج إلا كميات ضئيلة ولذلك استخدم عدد كبير من نفس الأجهزة ولإختلاف كتلتي النواتين تستخدم أجهزة الطرد المركزية السريعة جدا لفصلهما. غير أن التفاعل المتسلسل في اليورانيوم يمكن الإستفادة منه أيضا في الأغراض السلمية حيث يمكن استخدام التفاعل المتسلسل في توليد الطاقة بإستعمال المفاعلات النووية للإستفادة منها في توليد الكهرباء.

الشكل (4-12) : المفاعل النووي .

ويتركب المفاعل النووي من قضبان الوقود النووي الذي هو عادة اليورانيوم 238 (الذي لا يحدث فيه تفاعل متسلسل ولا ينشطر) والذي يتم تخصيبه بنسبة من اليورانيوم 235 والذي يحدث فيه التفاعل المتسلسل أي الإنشطار الذي يولد بدوره طاقة حرارية كبيرة جدا.(يتحدث الإعلام كثيرا عن هذا اليورانيوم المخصب او الوقود النووي المخصب) ويتم التحكم في التفاعل المتسلسل في داخل المفاعل النووي وذلك لإبطائه أو لإيقافه عن طريق قضبان من الكادميوم أو البورون أو الكوبالت . وتدخل هذة القضبان بين قضبان اليورانيوم فتعمل على امتصاص النيوترونات المتولدة من التفاعل المتسلسل مما يؤدي إلى تقليل التفاعل المتسلسل و يمكن أيضا إيقافه. ويحاط المفاعل بطبقة سميكة من المعدن أو الخرسانة المسلحة لتعمل كدرع واق يمنع تسرب الإشعاعات النووية الضارة بالبشر والبيئة إلى خارج المفاعل . ( شكل ((12-4)).

ويمكن إنتاج طاقة كهربية من الطاقة الحرارية المتولدة في المفاعل من التفاعل المتسلسل في اليورانيوم. حيث يستخدم سائل يمر بالمفاعل فترتفع درجة حرارته وتصبح عالية . وبعدها يمرر هذا السائل الساخن جدا حول وعاء (غلاية) به ماء ،فيتم التبادل الحراري فيسخن الماء بدوره ويتحول إلى بخار .ثم يتم ضغط البخار ويوجه نحو زعانف دوارة (توربين) فتدور فتشغل معها المولدات الكهربائية الضخمة. وهكذا تتحول الطاقة الحرارية المتولدة بفعل التفاعل النووي إلى طاقة كهربائية مفيدة وبكميات كبيرة. لاحظ أن السائل الأول مفصول عن الماء حتى لا يلوثه لأن ذلك السائل يمر على قضبان اليورانيوم المشعة وبالتالي يكون ملوثا .