الدرس 3 التفاعلات النووية |
|
للتفاعلات النووية تطبيقات مهمة في الحياة مثل توليد الطاقة، وإنتاج النظائر المشعة التي تستخدم في تشخيص الأمراض وعلاجها، وفي كثير من التطبيقات الصناعية. |
التفاعل النووي Nuclear Reaction
اصطدام جُسيم نووي مثل البروتون أو النيوترون بنواة ذرة أخرى،
وعندما يقترب منها مسافة كافية، يبدأ عندها تأثير القوة النوويّة.
حيث يُسمّى الجسيم (a) القذيفة Projectile، في حين تُسمى( (
نواة مركّبة (Compound nucleus(CN والتي لا تلبث أن تضمحلّ لتعطي
قذف نواة النيتروجين( على النحو الآتي: لقد بدأ هذا التفاعل بتفاعل نواة النيتروجين( ألفا ( لا تلبث أن تضمحلّ لينتج عنها نواة مستقرة
|
والنيوترونات. إنّ شحنة جسيمات ألفا والبروتونات موجبة، لذا تُسرَّع حتى تمتلك طاقة حركيّة كافية تُمكّنها من التغلب على قوة التنافر النظائر المشعّة، التي تُستخدم في العديد من مجالات الحياة. |
حساب طاقة التفاعل النووي (Q) يرمز إلى الطاقة الممتَصّة أو المتحرّرة من التفاعل بالرمز(Q)، وتحسب إذا كانت قيمة (Q) موجبة يكون التفاعل منتجًا للطاقة Exoergic، وإذا كانت |
أفكر لماذا يحتاج البروتون إلى طاقة أكبر من النيوترون النيوترون متعادل الشحنة، بينما البروتون موجب الشحنة،لذا يتأثر البروتون بقوة تنافر كهربائي أثناء اقترابه من النواة؛ لذلك يحتاج إلى طاقة أكبر للتغلب على قوة التنافر الكهربائية. |
أفكر في التفاعلات النووية يتم تسريع القذيفة وتوجيهها نحو النواة الهدف. يستخدم المجال الكهربائي في تسريع القذائف المشحونة، ويستخدم المجال المغناطيسي في توجيهها. |
الانشطار النووي Nuclear Fission نواة ثقيلة لنواتين أو أكثر، أصغر منها في الكتلة. تقع على يمين المنحنى الموضَّح في الشكل . |
|
فمثلاً، عند قذف نواة ( حيث نواة( |
|
وتمتلك النوى الناتجة من هذا الانشطار طاقات ربط نووية لكل نيوكليون أكبر من النواة الأم ،على نحو ما هو مبيَّن في الجدول المجاور، ويصاحب ذلك نقص في الكتلة يتحوّل إلى طاقة. وتكمن أهميّة هذا التفاعل في الطاقة الكبيرة المتحرّرة منه، حيث إنّ انشطار كلّ نواة ينتج عنه طاقة تساوي(200MeV) تقريبًا، أو ما يعادل ( فتساوي |
|
التفاعل المتسلسل Chain reaction تنبعث نيوترونات نتيجة انشطار نواة نظير اليورانيوم ( النيوترونات قد تمتصها نواة ( نيوترونات جديدة قد تمتصّها نوى يورانيوم أخرى، وهذا ما يُسمّى تفاعلاً متسلسلاً Chain reaction.
|
|
تخصيب اليورانيوم كي يكون التفاعل المتسلسل ممكناً من الناحية العمليّة يجب توافر أمور عدّة أهمّها، توافر اليورانيوم المخصّب Enriched uranium. حيث يحتوي اليورانيوم الخام على(%0.7)تقريبا من ( ( ونظرا إلى أن نسبة ( اليورانيوم الخام لزيادة نسبة النظير ( يُستخدم في الوقود النووي.وتسمى العملية التي تزاد فيها نسبة ( |
يحتوي اليورانيوم الخام على نسبة قليلة من ( التفاعل المتسلسل. |
معالجة اليورانيوم الخام لزيادة نسبة ( |
|
الكتلة الحرجة إضافة إلى ما سبق، يجب توفير الحدّ الأدنى من الكتلة التي تضمن استمرار حدوث التفاعل، وتسمى الكتلة الحرجة Critical mass وهي أقلّ كتلة من الوقود النووي تضمن استمرار حدوث التفاعل المتسلسل، |
الكتلة الحرجة أقل من الكتلة الحرجة
استخدام كتلة أقل من الحرجة يؤدي إلى تسرب النيوترونات إلى الخارج. |
مثال أحسب الطاقة Q الناتجة من تفاعل الانشطار الآتي: حيث كتل النوى مُعطاة في الجدول الآتي:
المُعطيات : الكتل في الجدول المطلوب: الحل:
|
المفاعل النوويّ Nuclear Reactors
|
|||
1.الوقود النوويّ Nuclear fuel : تكون مادّة الوقود النوويّ على الغالب من اليورانيوم المخصّب، حيث على نحو ما يوضّح الشكل. 2. قضبان التحكّم Control roads: تُصنع من موادّ لديها مقدرة عالية على امتصاص النيوترونات مثل، فعند إدخال عدد مناسب منها بين حزم الوقود إبطاء التفاعل المتسلسل، وبذلك يتم التحكم 3.الموادّ المُهدّئة Moderators :هي موادّ ذات أعداد كتلية صغيرة، مثل:الماء الثقيل، والماء العادي، الناتجة من الانشطار؛ لتتمكّن من إحداث تفاعلات اليورانيوم ( 4.نظام التبريد Cooling system :تُستخدم أبراج تبريد تُزوِّد المفاعل والمكثّف الماء البارد باستمرار؛ لتبريد 5. مولّد بخار الماء Steam generator :يُحوِّل الماءَ الساخن والمضغوط القادم من قلب المفاعل |
قضبان الوقود النووي تكون على شكل أقراص فوق بعضها في أنابيب طويلة.
عند إدخال قضبان التحكم بين حزم الوقود فإنها تمتص بعضا من النيوترونات، فتعمل على إبطاء التفاعل المتسلسل.
|
||
أبراج التبريد يتصاعد منها بخار الماء.
|
الربط بالفضاء مكّنت التكنولوجيا النووية في إنتاج الطاقة، |
الاندماج النووي Nuclear Fusion يُسمّى التفاعل الذي تندمج فيه نواتان خفيفتان لتكوين نواة كتلتها أقلّ من مجموع كتلتي النواتين Nuclear fusion.و يحدث الاندماج النووي للنوى الخفيفة في المنطقة اليسرى من المنحنى المبين في الشكل المجاور. |
|
مثلا قد تندمج نواتا نظيري الهيدروجين؛الديتيريوم ( ويوضح الجدول المجاور طاقة الربط النووية لكل نيوكليون لكلٍّ منها. حيث يُلاحَظ من الجدول أنّ اندماج نواتي الديتريروم والتريتيوم نتج عنه نواة ( |
|
من الأمثلة على تفاعلات الاندماج النووي : مثل هذه التفاعلات النوويّة هي مصدر الطاقة التي تصلنا من الشمس، وتحتاج إلى درجات حرارة عالية جدًّا حتى تحدث؛ لذا تُسمّى هذه التفاعلات وعلى الرغم من صعوبة إجراء تفاعل الاندماج النووي، فهناك أبحاث جارية للتغلب على تلك |
مثال أجد طاقة التفاعل Q لتفاعل الاندماج الآتي: حيث كتل النوى المعطاة في الجدول الآتي بوحدة(amu)
المعطيات: الكتل في الجدول المطلوب: الحل: |
تطبيقات على الفيزياء النووية Applications of Nuclear Physics |
|
التعقب Tracing تتكونُ المُتعقّبات من نظائر مشعّة تُحقن في الجسم للكشف عن خلل وظيفي في أحد أعضائه. فمثلا يُستخدم اليود - 131 المشع للكشف عن يوديد الصوديوم المشع، ويتم تشخيص الخلل في عمل الغدة الدرقية ومن التطبيقات الطبية الأخرى حقن وريد في القدم بسائل يحتوي على عضو معين في الجسم، وذلك باستخدام جهاز للكشف عن الإشعاع. الأوردة أو الشرايين. |
|
في التطبيقات الطبية يتم تعريض المريض إلى جرعات إشعاعية متدنية ومحسوبة بدقة لا تؤثر سلبا فيه. |
|
العلاج بالإشعاع Radiation Therapy تنقسم الخلايا السرطانية بسرعة كبيرة، والإشعاعات الناتجة عن النظائر المشعة فعالة في قتل هذا النوع من الخلايا. فمثلا يستخدم نظير اليود- 131 المشع في علاج سرطان الغدة الدرقية، كما يستخدم الكوبالت- 60 في علاج سرطان الحنجرة. |
|
تحليل المواد Materials Analysis يمكنُ تحديدُ العناصر التي تُكوّن عينة معينة بطرق كيميائية، وهذا عادة يتطلب استخدام كمية كبيرة نسبيا من تلك العينة. يمكن التغلب على ذلك بقذف كمية قليلة من العينة المراد معرفة تركيبها بالنيوترونات، ما يؤدي إلى تحول العناصر التي امتصت النيوترونات إلى عناصر مشعة، ويتم تحديد هوية تلك العناصر بالكشف عن نوع الإشعاعات الصادرة عن العينة المشعة وقياس طاقتها. |
|
حفظ المواد الغذائية Food Preserving تطبيقات الفيزياء النووية في مجال الأطعمة تشهد اهتمامًا متزايدًا لقدرة الإشعاعات النووية على تعطيل عمل البكتيريا و قتلها. لذلك يتم تعريض المواد الغذائية المراد تخزينها فترات طويلة لأشعة غاما أو حزم من الإلكترونات ذات طاقة مرتفعة لقتل البكتيريا، ومن ثمّ تُحفظ في عبوات مغلقة لمنع وصول بكتيريا جديدة إليها. |
الربط بالتكنولوجيا افتُتح المفاعل النوويّ الأردنيّ للبحوث للزيادة إلى( في أغراض عدّة، منها: والنوويّة. |