الطاقة النووية Nuclear Energy

مقدمة

تعتبر الطاقة اهم جزء في المحيط حولنا حيث نعتمد عليها كلية في انجاز الشغل فأقول ان الشيء لديه طاقة أي لديه إمكانية على انجاز الشغل. أي ان كل شيء نعمله بحياتنا مرتبط بالطاقة بشكل او بآخر أي ان الطاقة هي المقياس الذي بواسطته نحدد القابلية على انجاز الشغل حتى لو كان النظر والقراءة مثلا فهي شكل من أشكال انجاز الشغل وعندما نجري فان الجسم سوف يحرق السكريات والدهون الموجودة فيه ويحولها إلى حرارة تنتشر في الجو المحيط او أنحاء الجسم نفسه والشغل الذي نقصده هنا هو حركة الأجسام او تسخينها او إضاءتها.

The Energy that makes our world work

وأشكال الطاقة هي: الطاقة الكهربائية- الطاقة الحركية-الطاقة الكيميائية –الطاقة الكامنة-طاقة المتحجرات-طاقة الكتل الحية-طاقة باطن الأرض-الطاقة الهيدروليكية- الطاقة النووية- الطاقة الشمسية-طاقة الرياح--طاقة الجاذبية

ان ابسط شكل للطاقة هبي الطاقة التي يمتلكها الجسم عندما يكون متحركا والتي تدعى بالطاقة الحركية Kinetic Energy وهذه الحركة يمكن ملاحظتها بالعين المجردة وهناك أنواع أخرى من الطاقة الخطية لا يمكن ملاحظتها بالعين المجردة مثل الطاقة الحركية للأكترونات داخل ألذره وتدعى بالحركة المجهرية وكذلك طاقات الصوت والضوء والطاقة لا تمثل إحدى خواص النظام تحت الدراسة وهي بذلك لا يمكن متابعتها وتسجيلها وإنما يمكن متابعة ومشاهدة آثارها

Do not even try to picture energy as you would a common object

أي عندما نحاول إظهار حركة جسم معين فإننا سوف نظهر الجسم فقط ولا تظهر معه طاقته الحركية ولا يمكن التميز بين جسم متحرك بسرعة عادية وآخر ساكن له نفس المواصفات ولكن يختلف عنه بالسرعة إلا إذا كان هناك اثر لتلك الحركة في الوسط او على الجسم بمعنى اصح ان الطاقة ليست من خواص الجسم الأساسية مثل الكتلة والكثافة وبعض الأجسام يظهر عليها بانها تمتلك طاقة نتيجة لتغير شكلها عن الشكل المعروف مثل النابض المضغوط.

الطاقة يمكن ان تحول من شكل إلى آخر وهي كمية محفوظة مثلها الكتلة. وتعرف على انها مقياس للقابلية في انجاز الشغل

Energy is the ability to do work

 

الطاقة بشكل عام تصنف الة نوعين أساسين هما الطاقة المتجددة   Renewable Energy مثل الطاقة الشمسية وطاقة باطن الأرض والطاقة الحية..... والنوع الثاني هو الطاقة الغير متجددNonrenewable Energy  مثل الطاقة الكهربائية والطاقة النووية والطاقة الكيمائية .....

مع العلم ان معظم الطاقة التي نستهلكها تأتي على شكل طاقة غير متجدد وهي دائما تتحول الى حرارة ترسل الى الجو المحيط  (هل في النتيجة ترتفع درجة حرارة الهواء المحيط باكرة الأرضية؟) ( هل يمكن ان نقسم جميع انواع الطاقة على انها تنحصر بين الطاقة الحركية والكامنة وكيف ؟)

قانون حفظ الطاقة

الطاقة لا تفنى ولا تستحدث ويمكن ان تتحول من شكل الى لآخر بتأثير فعل معين او بدونه وكذلك يمكن ان تتحول الى مادة. ويمكن النظر الى حركة البندول البسيط لملاحظة تبدل الطاقة من شكل الى آخر (لماذا يتوقف البندول بعد حين؟)

الطاقة والمادة

يمكن ان تتحول الطاقة الى مادة كما يحدث إثناء توليد زوج إلكترون- بوزترون من أشعة كاما وكذلك يمكن ان تتحول المادة الى طاقة كما يحدث في الانشطار النووي وفق العلاقة التالية:

 

E=m C(+2)

 

 

 

 

 

( سوف نتطرق إلى معظم أنواع الطاقة تباعا من خلال هذا الموقع)

 

الطاقة النووية:

ان الجهود التي بذلت بعد الحرب العالمية الثانية في البحوث والتنمية في مجال الذرة وتركيبها وسيل الدراسات النظرية والعملية في هذا المجال جعلت من محاول استثمار الطاقة النووية كبديل مؤهل للنفط في مجال إنتاج الكهرباء وهذه الجهود مازالت مستمرة في التغلب على المصاعب في إنتاج هذه الطاقة وكذلك وسائل المان التي يشترط إتباعها عند استخدام هذه الطاقة من حيث عدم المساس بالتوازن الطبيعي للبيئة والمردود الاقتصادي. وتسابقت دول العالم في دراسة احتياطي الوقود النووي لديها أي اليورانيوم  وكلفة الاستفادة منه ويوازي ذلك الاستخدام العسكري لهذه الطاقة. وقلما نال موضوع علمي أهمية عسكرية واقتصادية وسياسية كما نال موضوع الطاقة النووية

تظهر الطاقة النووية كطاقة كامنة تربط مكونات النواة ذات الحجم الصغير جدا بحيث عندا تتفكك النواة الى مكوناتها أطلقت هذه الطاقة على شكل حرارة وجسيمات تمتلك طاقة حركية هائلة وأشعة وقد احتر العلماء لإيجاد تفسير مقنع لطبيعة القوى النووية ووضعت نماذج كثيرة ومازال البحث جاري في مجال النماذج النووية لمعرفة طبيعة هذه الرابطة والتي عندما تتفكك تظهر على شكل طاقة هائلة. فمثلا ان الطاقة التي تربط المكون الواحد لنواة التربتيوم H (3,1) – عدد النيوكلونات الكلي 3 وعدد البروتونات 1- هي 8.482 MeV  ( هذه الوحدة تكافيء 1.6E-13 جول) وطاقة الربط للنيوكلون الواحد النواة الهيليوم  He(3,2) هي 7.711MeV  فنلاحظ ان هناك فرق في طاقة الربط سببه طاقة كولوم الناتجة عن تنافر البروتونات مع بعضها وكلما ازداد العدد الكتلي ارتفعت طاقة الربط حتى تتشبع عند أنوبة الحديد Fe وثم تعدو الى الانخفاض مع زيادة العدد الكتلي حتى تصل الى اقل قيمها عند مجموعة اليورانيوم.

عندما تتهيج النواة ( طرق تهيج النواة تختلف كليا عن طرق التهيج الاعتيادية!!!) ترتفع نيكلوناتها الى مستويات للطاقة مرتفعة نسبيا وتصبح النواة بحالة متهيجة Excited وتعود الى وضع الاستقرار بأن تبعث الأشعة النووية مثل ( كاما- بيتا- ألفا..) وتعود الى وضع الاستقرار اعتمادا على العمر النصفي ! للانحلال وعند الاستمرار في اكتساب الطاقة ( الطاقة هنا تكتسب بقيمتها وليس بتركيزها !!!) فان النيوكلونات تقذف خارج النواة وتترك عند النواة طاقة كبيرة لا تتحملها مما يؤدي الى انشطارها Nuclear Fission

التفاعلات النووية  Nuclear Reaction

هي عملية إنتاج الطاقة او امتصاصها نتيجة للإتحاد الأنوية مع بعضها أو تصادم ( اقتناص) النواة مع جسيمة  وذلك لتوليد نواة جديدة ( مثلا اقتناص نواة اليورانيوم 235 للنيوترون يولد نواة اليورانيوم 236 المتهيجة او اقتناص نواة النيتروجين للبروتون يولد نواة الأكسجين ويطلق اشعة كاما) وعندما تعود النواة الى وضع الاستقرار تطلق الطاقة التي بحوزتها على شكل أشعة كاما او حتى جسيمات اخرى حتى لو كانت من نفس نوع الجسيمة التي تفاعلت معها  الفترة بين التهيج وإطلاق النواتج تكون طويلة جدا بمليارات من السنين او قصيرة جدا قد تصل           الى  10E-16 sec

 

الانشطار النووي  Nuclear Fission

 

هو واحد من التفاعلات النووية والتي تكتسب فيها النواة طاقة فوق تحمل طاقة الربط مما يؤدي الى انشطارها وهذه فكرة كانت تراود علمء الفيزياء لفترة زمنية طويلة لمعرفتهم المسبقة عن كمية الطاقة التي يمكن الحصول عليها.

في عام 1933 اكتشف فيرمي ان للنيوترون قابلية كبيرة على التفاعل مع الأنوية وقد تم إنتاج عدد من النظائر المشعة وثم توزعت النيترونات حسب الطاقة التي تمتلكها وتبين ان النيترونات الحرارية يمكن ان تؤسر من قبل النواة بسهولة. وفي عام 1939 اعلن عالمان من ألمانيا بأنهما وجدا عنصر البار يوم كناتج من قذف اليورانيوم  بالنيوترونات وقد خمنا فيما بعد  بان الباريوم لا بد ان ينتج من انشطار اليورانيوم وفي نفس الوقت اعلن العالم بور بانه يمكن انتاج تفاعل متسلسل! إثناء اقتناص النيترونات. وفي عام 1940 اكتشف البلوتونيوم Pu(239-94) ( لاحظ انه أثقل من اليورانيوم ويحتوي على عدد اكبر ويسمى من العناصر ما بعد اليورانيوم!) وفي عام 1942 توصل فيرمي ومجموعته الى إنتاج اول تفاعل متسلسل جرب تحت منصات ملعب لكرة القدم وبحلول عام 1945 تم تشغيل مفاعلات إنتاج البلوتونيوم وفي نفس العام استخدمت القنابل على اليابان.

لكل التفاعلات النووية يوجد مايسمى بمساحة المقطع وهو مقياس لاحتمالية حدوث التفاعل النووي فبالنسبة لليورنيوم 235 مساحة مقطعه كبيرة جدا بالنسبة للنبوترونات الحرارية ( النيترونات الحرارية هي النيترونات التي تتحرك دون ان يتم تبادل حراري بينها وبين الوسط ويمكن حساب طاقتها بعلاقة بولتزمان!!) بينما اليورنيوم 238 يمتلك مساحة مقطع كبير بالنسبة الى النيترونات السريعة ولهذا فان النيوترون الحراري يقتنص بسرعة من قبل اليورانيوم 235 مولدا نواة متهيجة مع انبعاث كمية من الطاقة تمثل طاقة الربط للنيوترون في النواة لآن النواة عندما دخل النواة لا بد وان يرتبط مع باقي المكونات في النواة وتنطلق من هذه العملية اشعة كاما والنيوترونات والطاقة المتبقية عند نواة اليورانيوم 236 تكون اكبر من طاقة الربط وهي مستقرة وعليه تهتز بشكل كبير يؤدي الى تشوهها أولا ومن ثم انشطارها الى مكونين يسميان بنواتج الانشطار ( نسبة عدد النيترونات الى عدد البروتونات فيهما مقربة الى النسبة في اليورانيوم وهي قسمة العدد 144 لنيوترونات على العدد 92 للبروتونات وتساوي 1.6 تقريبا او قريبا من هذا الرقم ) من أمثلتها نواة الزينون Xe(140-54)  ونواة الباريوم Ba(142-56) ولا توجد نواتج محدد لشظايا الانشطار Fission Fragmentsهذه وانما هناك ثلاثين احتمالا للنواتج. وقد وجد عمليا ان شظايا الانشطار يكون عددها الكتلي من 72 الى 158 .  هذه النواتج عندما تنتج تكون بعيدة عن خط الاستقرار!! وتطلق أشعة بيتا لكي تهبط او ترتفع نحو خط الاستقرار ولهذا سوف تحدث سلسلة من التفاعلات النووية تسمى بالتفاعلات المتسلسلة والنيوترونات الناتجة من الانشطار والتي بكون عددها بين 2 و3 ( حسب نوعية شظايا الانشطار) تكون سريعة وتتفاعل مع انويه أخرى لا يشترط اليورانيوم وتكون نظائر أخرى بعيدة عن خط الاستقرار وأشعة كاما وهكذا ( تسمى هذه النيوترونات بالنيوترونات اللحظية) وهذه النيترونات السريعة لا تتفاعل مع اليورانيوم  235 وإنما يجب ان تبطأ كما يحث في المفاعلات النووية!! حتى يقتنصها اليورانيوم 235

الطاقة المنبعثة عند الأنشطار

ان عملية الانشطار تمتلك أهمية كبيرة لكون معدل طاقة الانشطار قد يصل الى 200MeV للنواة الواحدة ويمكن حساب معدل طاقة الانشطار من المعادلة الشبه تجريبية للكتلة!! حيث ان طاقة الربط للجسيم الواحد هي بحدود 8.4MeV عند الأعداد الكتلية 80 الى 150 وقد وجد ان معظم نواتج الانشطار تمتلك عدد كتلي ضمن هذا المعدل، وطاقة الربط تبلغ 7.5MeV في منطقة اليورانيوم أي يوجد فرق مقداره 0.9MeV بين النواة المركبة ونواتج الأنشطار وهذا الفرق ينطلق عند عملية الانشطار

Binding energy/236=0.9

B.E=236x0.9=212.9=200 MeV

هذه الكمية من الطاقة للانشطار الواحد توزع بالشكل التلي:

Kinetic Energy of fission fragment 167

K.E> of neutrons=5

Energy of Gamma=7

Energy of Beta=5

Energy of delayed Gamma=5

Neutrino energy =11

Sum=200 MeV

ان انشطار اليورانيوم هو مصدر للطاقة وكذلك مصدر للنيترونات البطيئة والسريعة والتي تستخدم في مختلف قطاعات العلوم في الفيزياء وكذلك تستخدم في استمرار التفاعل وحدوث سلسلة من التفاعلات النووية تنتهي مع انتهاء المادة المنشطرة او في تداخل هندسي وفيزياء مدروس ومقنن!!

انشطار نواة واحدة من اليورانيوم يبعث طاقة مقدارها 200MeV=3.2E-4 erg ولمول الواحد فان الطاقة الناتجة هي 1.93E+20 erg  ( ألمول يحتوي عدد افاكادرو من الذرات أي 6.23E+23 ذره) ول تم تحويل ذلك الى حرارة فانه يعادل  2E+13 cal وهذه الطاقة وإذا عرفنا ان تسخين لتر من الماء من الصفر الى 100 درجة يستهلك 100000Cal فيمكن تقدير كمية الطاقة هذه والتي يمكن ان تعادل تفجير 20000kg   من مادة الـ TNT وعند استغلالها كمصدر للقدرة نجد ان الانشطار الواحد يحرر 32.2E-11 w والانشطار الكامل الغرام واحد من اليورنيوم يجهز 8.2E+20 W.sec او يساوي 2.3E+10kW.h أي ميكا واط لليوم الواحد واذا استمر تحرير الطاقة ليوم كامل فان الكيلوغرام ينتج حرارة بمعدل 100 ميكا واط وإذا حولت هذه الحرارة إلى كهرباء بكفاءة مقدارها 30% فان الطاقة الكهربائية تصبح 300000 kW وهذا يكافئ الطاقة الكهربائية الناتجة من معمل كهرباء يستهلك 2500 طن من الفحم في اليوم الواحد!!

 

والى اللقاء في مقال عن  الانفجار النووي وماذا يؤثر

 

 

 الدكتور عبد الرضا صبر

رئيس قسم الفيزياء / كلية التربية