الكيمياء النووية والتفاعلات النووية

تتكون الذرة من جزأين أساسيين هما النواة التي تقع في المركز والالكترونات التي تدور حول النواة في مدارات محددة ،و تتكون نوى جميع الذرات من دقائق صغيرة أهمها البروتونات والنترونات التي يتغير عددها بتغير العنصر.

النشاط الإشعاعي

في عام 1896 اكتشف العالم بيكرل أن أملاح اليورانيوم تطلق أشعة شديدة النفوذ بشكل تلقائي ،ودون مؤثر خارجي وبعد عامين على هذا الاكتشاف تمكنت ماري وزوجها بيير كوري من فصل عنصرين مشعين آخرين هما البولونيوم والراديوم.

وبدراسة ظاهرة النشاط الإشعاعي والتعرف على طبيعة العناصر المشعة تبين أنه تنطلق من نوى العناصر المشعة جسيمات عالية السرعة هي :

1- جسيمات ألفا 

يتألف كل منها بروتونين ونترونين وهي تطابق نوى ذرات الهيليوم وتؤدي إلى تأين ذرات المادة التي تجتازها كما يمكن امتصاصها بورق مقوى.

2- جسيمات بيتا

 وهي الكترونات عالية السرعة ذات نفوذية أكبر من نفوذية جسيمات ألفا ولكنها أقل قدرة على تأيين ذرات المواد التي تجتازها.

3- أشعة غاما 

التي ترافق هذا النشاط الإشعاعي وهي أمواج كهرطيسية ذات طول موجة قصير جدا وبالتالي طاقتها عالية ولها نفوذية كبيرة جدا.

سلاسل النشاط الإشعاعي

إن العناصر المشعة تلقائيا غير مستقرة ولهذا السبب فإن نواة كل من هذه العناصر تجري بعض التعديلات في مكوناتها بشكل تلقائي ويتمثل ذلك في إطلاق جسيمات ألفا أو بيتا و أشعة غاما لتعطي نواة عنصر آخر تتحول بدورها إلى نواة عنصر آخر حتى نحصل على النواة المستقرة.

يطلق اسم سلسلة النشاط الإشعاعي على مجموعة العناصر المشعة التي يتفكك أحدها ليعطي عنصرا آخر وهكذا حتى تنتهي بعنصر مستقر ،ويتم التمييز بين نوعين من التحولات التي تطرأ على نواة العنصر وذلك حسب نوع الجسيم الصادر عن النواة.

1- التحول من نموذج ألفا : وفيه يطلق العنصر المشع جسيم ألفا.

2- التحول من نموذج بيتا وفيه يطلق العنصر المشع جسيم بيتا.

يفسر إصدار نواة العنصر المشع لجسيم بيتا بأن أحد نترونات النواة يتفكك ليعطي بروتونا يستقر في النواة والكترونا ينطلق إلى خارج النواة مؤلفا جسيم بيتا.

وتؤكد التجارب أنه لاتنطلق جسيمات ألفا وبيتا في آن واحد من نواة العنصر المشع أما أشعة غاما فتنطلق من النواة مصاحبة لانطلاق جسيم ألفا وبيتا.

النشاط الإشعاعي الصنعي

إن أهم التفاعلات التي تحدث عندما تصطدم قذيفة بنواة ما هي :

1- تفاعلات الالتقاط : وهي التفاعلات التي تلتقط بها النواة القذيفة دون أن تنقسم ويرافق ذلك انتشار طاقة ( أشعة غاما ) .

2- تفاعلات التطافر : وهي التفاعلات التي يؤدي بها قذف النواة بجسيم إلى نشوء جسيم آخر ونواة عنصر جديد ويترافق ذلك مع انتشار طاقة حرارية.

3- تفاعلات الانشطار : وهو انشطار نواة ثقيلة إلى نواتين متوسطتي الكتلة نتيجة تفاعل نووي.

حيث اكتشف العلماء أنه إذا قذفت نواة اليورانيوم 235 بنترون بطئ فإن النواة تلتقط هذا النترون متحولة إلى نواتين متوسطتي الكتلة مع انطلاق ثلاثة نترونات سريعة جدا.

وإذا أمكن إبطاء النترونات السريعة الناتجة عن الانشطار النووي السابق ، فإن كل واحد منها يستطيع أن يشطر نواة جديدة من نوى اليورانيوم 235 بعد التقاطه ، وهكذا ينتج تفاعل نووي متسلسل بإمكانه إنتاج كمية هائلة من الطاقة تتزايد مع استمرار حدوث التفاعل  وإذا تم التحكم بعدد النترونات المشاركة في التفاعل يصبح بالإمكان التحكم في الطاقة الناتجة والسيطرة عليها واستغلالها في العديد من الأغراض.

تطبيقات الكيمياء النووية

تستغل الطاقة النووية الناتجة عن الانشطار النووي في المفاعلات النووية في مجالات عديدة منها الأبحاث العلمية وتوليد الطاقة الكهربائية وتحلية مياه البحر وإنتاج النظائر المشعة.

مم يتكون المفاعل النووي ؟

يتكون من الأجزاء الرئيسية التالية

1- قلب المفاعل وهو الجزء المركزي منه الذي يحوي الوقود النووي على هيئة قضبان من اليورانيوم 235.

2- الوسط المخفف لسرعة النترونات وهي صفائح من الغرافيت تحيط بالوقود.

3- مكعب ضخم من الغرافيت يحيط بقلب المفاعل يحول دون تسرب النترونات إلى خارج المفاعل إذ يعكسها إلى داخله ويحاط هذا المكعب بدرع إسمنتي واق.

4- جهاز المراقبة والتحكم حيث يتألف من عداد لقياس شدة الإشعاع ويتم التحكم باستخدام قضبان مصنوعة من الكادميوم مغلفة بالفولاذ فعند إدخال هذه القضبان في قلب المفاعل يمكنها إيقاف تفاعل الانشطار.

5- دارة تبريد تنقل الطاقة الحرارية الهائلة وهي الناتج الرئيسي للمفاعل إلى خارج المفاعل.

 يضغط في قلب المفاعل غاز ثنائي أكسيد الكربون أو غاز الهليوم الذي يسخن بشدة ، ثم يوجه إلى مرجل ضخم يحوي الماء حيث يمرر الغاز في أنبوب حلزوني داخل المرجل  فيتحول الماء السائل إلى بخار يستفاد منه في تدوير عنفة تدير منوبة  ، لتنتج الطاقة الكهربائية أو تبخر حرارة الغاز الكمية الداخلة من مياه البحر إلى المرجل ، وبعد تكثيف تلك الأبخرة يتم الحصول على ماء عذب.