الانشطار النووي

يمكن أن تتحلل العديد من العناصر الأثقل ذات طاقات الربط الأصغر لكل نيوكليون إلى عناصر أكثر استقرارًا لها أعداد كتل وسيطة وطاقات ربط أكبر لكل نيكلون & # 8212 ؛ أي الأعداد الكتلية وطاقات الربط لكل نيوكليون— والتي تكون أقرب إلى “ذروة” الرسم البياني لطاقة الربط بالقرب من 56. أحيانًا يتم إنتاج النيوترونات أيضًا. يسمى هذا التحلل لنواة كبيرة إلى أجزاء أصغر بالانشطار. يكون الانشطار عشوائيًا إلى حد ما مع تكوين عدد كبير من النواتج المختلفة. الانشطار عادة لا يحدث بشكل طبيعي ولكن يحدث عن طريق القصف بالنيوترونات.

تنتج كمية هائلة من الطاقة عن طريق انشطار العناصر الثقيلة. على سبيل المثال، عندما يخضع مول واحد من اليورانيوم-235 للانشطار، تزن المنتجات حوالي 0.2 جرام أقل من المواد المتفاعلة؛ هذه الكتلة & #8220؛المفقودة&#8221؛ يتم تحويلها إلى كمية كبيرة جدًا من الطاقة &#8212؛ حوالي 1.8 × 10¹⁰ كيلوجول لكل مول من اليورانيوم 235. تنتج تفاعلات الانشطار النووي كميات كبيرة بشكل لا يصدق من الطاقة مقارنة بالتفاعلات الكيميائية. ينتج انشطار كيلوغرام واحد من اليورانيوم-235، على سبيل المثال، حوالي 2.5 مليون ضعف الطاقة التي ينتجها حرق كيلوغرام واحد من الفحم.

عندما يخضع للانشطار، ينتج U-235 اثنين من نوى “متوسطة الحجم” واثنين أو ثلاثة نيوترونات. قد تتسبب هذه النيوترونات بعد ذلك في انشطار ذرات أخرى من اليورانيوم-235، والتي بدورها توفر المزيد من النيوترونات التي يمكن أن تسبب انشطار المزيد من النوى، وما إلى ذلك. إذا حدث هذا، فلدينا تفاعل نووي متسلسل. من ناحية أخرى، إذا هرب عدد كبير جدًا من النيوترونات من المادة الكتلية دون التفاعل مع النواة، فلن يحدث تفاعل متسلسل.

تسمى المواد التي يمكن أن تتعرض للانشطار نتيجة لأي قصف بالنيوترونات مادة قابلة للانشطار. المادة التي يمكن أن تتعرض للانشطار نتيجة للقصف بواسطة نيوترونات حرارية بطيئة الحركة تسمى أيضًا المواد الانشطارية.

يصبح الانشطار النووي مستدامًا ذاتيًا عندما يساوي أو يتجاوز عدد النيوترونات الناتجة عن الانشطار عدد النيوترونات الممتصة عن طريق تقسيم النوى بالإضافة إلى العدد الذي يتسرب إلى المناطق المحيطة. إن كمية المادة الانشطارية التي ستدعم تفاعلًا متسلسلًا مستدامًا ذاتيًا هي كتلة حرجة. كمية المواد الانشطارية التي لا يمكنها تحمل تفاعل متسلسل هي كتلة دون حرجة. تُعرف كمية المادة التي يوجد فيها معدل متزايد من الانشطار بالكتلة فوق الحرجة.

تعتمد الكتلة الحرجة على نوع المادة: نقاوتها ودرجة حرارتها وشكل العينة وكيفية التحكم في التفاعلات النيوترونية. تصبح المواد عادة أقل كثافة في درجات الحرارة المرتفعة ، مما يسمح للنيوترونات بالهروب بسهولة أكبر. يمكن أن تصل النيوترونات التي تبدأ من مركز جسم مسطح إلى السطح بسهولة أكبر من وصول النيوترونات التي تبدأ من مركز جسم كروي. إذا كانت المادة محاطة بوعاء مصنوع من مادة عاكسة للنيوترونات مثل الجرافيت ، فإن عددًا أقل بكثير من النيوترونات يمكن أن يهرب، مما يعني أن كمية أقل بكثير من المواد الانشطارية مطلوبة للوصول إلى الكتلة الحرجة.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.