الطاقة النووية

لـطـوبـولـوجيـا الجـبريـة


بافل س. ألكسندروف ( 1896 ) عالم رياضي روسي. برع في العلوم الرياضية ودرَّس في عدة معاهد وجامعات. من أهن أعماله :
- اخترع الطوبولوجيا الجبرية.
- كما يعود إليه الفضل في اكتشاف الرفاع الملتحم والمندمج.




302 - الطاقة النووية




في عام 1939 قام العالم والمخترع الألماني أوتوهان باختراع الانشطار النووي. فقد اكتشف هذا المخترع الانشطار النووي بعد أن عرف من خلال تجاربه كيف تنشطر نواة اليورانيوم 235 عندما تقذف بالنيترونات البطيئة مطلقة كمية كبيرة من الطاقة يمكن استخدامها سلميا ً أو عسكريا ً. ولهذا كانت وظيفة الطاقة النووية ( الانشطار النووي ) الأساسية هي تشغيل المحطات النووية لتوليد الطاقة أو القنابل النووية. تتألف هذه الطاقة من النواة والإلكترونات والبروتونات والنيوترونات واليورانيوم بنسبة 235 والبلوتونيوم بنسبة 234 واليورانيوم بنسبة 238.
إننا نعرف أن الفحم عندما يشتعل يطلق طاقة حرارية كبيرة وهذه الطاقة نابعة من الطاقة الكيميائية وأن عملية اشتعال الفحم هي عملية أكسدة للكربون فعندما تتحد ذرة كربون مع ذرتي أوكسجين نحصل على ثاني أكسيد الكربون الذي يولد طاقة وعلى العكس اكتشف العلماء أنه عندما يدخل نيترون كقذيفة في نواة يورانيوم تنشطر هذه النواة فورا ً مع إطلاق الطاقة التي هي أكبر من الطاقة الكيميائية ملايين المرات وهذه الطاقة المنبعثة من النواة تسمى الطاقة الذرية أو النووية ويظهر مع انشطار ذرة اليورانيوم أطلاق اثنين أو ثلاثة نيترونات جديدة تتمكن من شطر أنوية أخرى مما يطلق المزيد عن الطاقة والنيترونات التي تشطر عددا ً أكبر من ذرات اليورانيوم وهكذا يستمر التفاعل السريع ويطلق عليه التفاعل المتسلسل ويمكن استغلال هذه الطاقة الكبيرة إما سلميا ً أو حربيا ً أو علميا ً. فعندما تحطم نواة الذرة تندفع أجزاؤها المتطايرة بسرعة عظيمة والطاقة الحركية لهذه الأجزاء تتحول إلى طاقة حرارية مكافئة يمكن استغلالها للخير في محطات توليد القدرة أو للشر والدمار في القنبلة الذرية.
ولكي تتاح هذه الطاقة للاستغلال ينبغي إطلاق تفاعل متسلسل في مادة ذات فاعلية إشعاعية ويحدث التفاعل المتسلسل حينما تصطدم الأجزاء المتطايرة من نواة ذرة بنواة ذرة أو بأنوية ذرات أخرى فتسبب انفلاقها وهذه الفلقات ترتبط بدورها بأنوية أخرى فتسبب انشطارها وهكذا دواليك ، ويحصل الانشطار في الأنوية الإشعاعية الكبيرة كأنوية اليورانيوم نتيجة لقصفها بالجسيمات الذرية.




303 - دائرة المعارف الذرية 1


الإلكترون :
يعتبر الإلكترون من الوحدات الأساسية المكونة لبنية الذرة، حيث تعادل كتلته 1836/1 من كتلة ذرة الهيدروجين، أما شحنته فتعادل 4.803 × 10 – 10 وحدة كهروستاتيكية.
وقد اعتبر الإلكترون أصغر وأدق الجسيمات الدقيقة لفترة طويلة ، وكل الإلكترونات متساوية الشحنة والكتلة وتتشابه في لفها ، سواء كانت إلكترونات لمادة الحديد أو الماء أو الخشب أو غيرها.
ويختلف عدد الإلكترونات في كل ذرة عن الأخرى طبقا ً لموقعها في الجدول الدوري للعناصر التي رتبت فيه العناصر الكيميائية طبقاً لأعدادها الذرية. وتدور الإلكترونات حول النواة ، نظرا ً لحركتها الدائمة فهي لا تستقر في مدار محدد نظراً لارتباط شحنتها السالبة بشحنة النواة الموجبة ، ومن ثم فإن الإلكترونات تتواجد فيما يسمى بسحابة الاحتمال ، ولكي ينطلق الإلكترون من مدار إلى آخر لا بد من انبعاث أو اكتساب الفوتونات ، ولا يمكن تركيز الإلكترونات كلها في الذرة الواحدة في مدار واحد نظراً لاختلاف طاقاتها ، وتعتمد الخواص الكيميائية للعناصر على عدد وتركيب الإلكترونات في المدار ( الغلاف ) الآخر. وإذا واجهنا سيلاً من الإلكترونات في مادة موصلة أو شبه موصلة فهذا هو التيار الكهربي.

البروتون :
أحد الجسيمات المستقرة التي تدخل مع النيترون في تركيب كل نوى الذرات للعناصر الكيميائية باستثناء عنصر واحد هو الهيدروجين الخفيف الذي تتكون نواته من بروتون واحد فقط ، وكتلة البروتون تعادل الإلكترون 1836 مرة ، أما شحنته فإنها موجبة وتساوي عددياً شحنة الإلكترون السالبة. والعدد الذري للعنصر بعدد البروتونات الموجودة في ذراته ، وهو مساو لعدد الإلكترونات الخارجية الموجودة في الذرة المتعادلة.

التريتيوم :
نظير مشع ثقيل للهيدروجين ، وزنه الذري 3 ، وتتكون نواة التريتيوم من بروتون واحد ونيوترونين ، وفترة نصف العمر له هي 12 سنة ، وتعرف فترة نصف العمر بأنها الوقت الذي هلاله يتحلل نصف المادة الأصلية. وللتريتيوم نظير خفيف للهيليوم هو الهيليوم 3 ، ويمكن الحصول على جسم الإنسان بسبب نشاطه الإشعاعي القوي ، وتطايره الزائد.

الثوريوم :
عنصر طبيعي ثقيل من العناصر المشعة ، وزنه الذري 236.05 وعدده الذري 0.90 وهو يتميز بأن فترة نصف العمر له هي أطول فترة على الإطلاق بين العناصر الطبيعية المشعة، حيث تبلغ 14.500.000.000 سنة ، ولا يمكن استخدام الثوريوم كوقود نووي في حالته الطبيعية العادية. بل يمكن ذلك بواسطة قذفه بالنيوترونات في المفاعلات الذرية.




304 - دائرة المعارف الذرية 2


أشعة جاما :
إحدى أنواع موجات الإشعاع التي تصدر من نوع الذرات المشعة الطبيعية أو الصناعية، وهي موجات كهرومغناطيسية مشعة ذات طاقة عالية ، وطول موجة قصيرة جداً ( 1 ْ انجستروم أو أقل ) ومن ثم فإن قدرة اختراقها كبيرة. ولذلك فإن لها أخطارا ً كبيرة على الإنسان والكائنات الحية ، ولهذا السبب فإن المفاعلات الذرية تحاط بحوائط سميكة من الخرسانة والرصاص وأجهزة معدة أخرى. وتستخدم أشعة جاما في أغراض علمية وتكنولوجية كثيرة ، وهي تفيد في علاج السرطان ، وحفظ وتعقيم المواد الغذائية ، والأدوية ، وفي شتى مجالات العلم المختلفة.

الحالة البلازمية للمادة :
كلنا نعرف أن المادة يمكن أن تتواجد في ثلاث صور فيزيائية ، هي الحالة الصلبة ، والسائلة ، والغازية ، وكمثال لذلك فهو يتواجد في هذه الصور الثلاث ( صلب : ثلج، سائل، غاز، بخار الماء).
وفي الحقيقة فإن الكون الفسيح يحتوي على كميات ضئيلة من هذه الصور الثلاث ، حيث يجزم العلماء أن 90% من كل المواد التي في الكون ( النجوم والكواكب و الفراغات الموجودة بين هذه النجوم والكواكب ) تتكون في حالة أخرى غير الصلابة والسيولة والغازية ، يطلق عليها اسم : البلازما.
وإذا سخنا غازاً لملايين الدرجات ، فإن الروابط بين الإلكترونات والنواة في الغاز تضعف وتتفكك ، وتنفصل الإلكترونات ، ويحدث التأين ، وإذا سخنا الغازات المتأينة ملايين الدرجات في التفاعلات النووية الحرارية فسوف نحصل على البلازما ، والبلازما وسط كهربي متعادل ، وله قدرة على توصيل التيار الكهربي أفضل من النحاس. وأهم استخداماتها هو إنتاج الطاقة الكهربائية مباشرة من الطاقة الحرارية .

خاصية النشاط الإشعاعي :
وهي تعني التفتت التلقائي لنواة الذرة ، عن طريق انبعاث إشعاعات جسيمة أو كهرومغناطيسية منها ، وقد اكتشف هذه الظاهرة العالم بيكريل عام 1896م ، والنشاط الإشعاعي إما طبيعي أو مستحدث ، وينتج النوى المشع صناعياً في التفاعلات النووية ، وعموما ً فإنه ينتج من تفتت النواة إشعاعيا ً بعد تحولها إلى نواة عنصر آخر ، فمثلاً ينتج عن تفتت الراديوم بانبعاث ألفا تحوله إلى غاز الراديون ، وأهم أنواع الإشعاعات هي أشعة ألفا وهي جسيمات موجبة ثبت أنها نوى عنصر الهيليوم ، وأِشعة بيتا وهي جسيمات سالبة ثبت أنها إلكترونات O موجبة – وهي البوزيترونات ، وأشعة جاما. وترجع أهمية النشاط الإشعاعي إلى أنه كان المفتاح لدراسة نواة الذرة ، كما أن له تطبيقات كثيرة في ميادين العلوم والتصنيع والزراعة.

الديوتيروم :
ويطلق عليه أحياناً – الهيدروجين الثقيل – وقد أكتشف في عام 1932م ، ولا تختلف قشرته الإلكترونية عن قشرة الهيدروجين العادي في أي شيء ، فهي تحتوي على إلكترون واحد فقط غير أن نواته أكبر من نواة الهيدروجين العادي بمرتين تقريباً ، وهي تتكون من جسمين مرتبطين ببعضهما ارتباطاً وثيقاً ، أحدهما بروتون والآخر جسيم متعادل : أي نيوترون.
ويشكل الديوتيريوم نسبة صغيرة من إجمالي الهيدروجين الموجود في الطبيعة – حوالي 0.0156% من الهيدروجين الإجمالي. ومع ذلك فإنه يمكن للإنسانية أن تحصل من هذه الكمية على مصدر غير محدود للطاقة ، حيث سيصبح في المستقبل وقوداً للمنشآت الحرارية النووية المنتجة للطاقة. ويستخدم الديوتيروم الآن حالياً في التكنيك كمادة مفجرة.