الإنشطار النووي وصناعة القنابل النووية والذرية

صناعة القنابل النووية والذرية يعتمد بشكل أساسي على الإنشطار النووي ،كما يسخدم أيضا الإنشطار النووي فى إنتاج الطاقة الكهربائية في  المفاعلات النووية ،والمادتين الأكثر استعمالاً فى هذة العمليات لأنتاج الطاقة المختلفة  هما اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239 ،بعد الدمار الذى سببته الحروب السابقة من اطلاق القنابل النووية وتجريبها صار دراسة هذه العمليات يجب أن يخضع لمعايير قانونية وتحت رقابه عامة وذالك بعد معاهدة الحد من انتشار الأسلحة النووية أو معاهدة عدم انتشار الأسلحة النووية ،ولكن هذا لايمنع الدول من التطوير والدراسات والتجارب الخفية للزيادة من القوة النووية الخاصة بها .

ما هو الإنشطار النووى

الإنشطار النووي هي عملية انقسام نواة ذرة ثقيلة إلى عدة أجزاء صغيرة وهذه النواتج أو الأجزاء كتلتها تساوي نصف الكتلة الأصلية تقريبًا.⁽¹⁾مقالة بعنوان /المفـاهيــم العامــة في الفيزياء النوويــة و تطبيقــاتها من defense-arab.com وبهذه العملية يتحول عنصر معين إلى عنصر أخر وينتج عن عملية الإنشطار النووي إنبعاث نيوترونات وفوتونات عالية الطاقة (بالاخص أشعة غاما) وجسيمات نووية مثل جسيمات ألفا وأشعة بيتا وتكون كتل هذه الأجزاء أقل من الكتلة الأصلية .⁽²⁾Nuclear fission  من – britannica.com وبذالك فإن الكتلة المفقودة (حوالي 0.1٪ من الكتلة الأصلية) تم تحويلها إلى طاقة (حرارية وإشعاعية) وفقًا لمعادلة أينشتاين.⁽³⁾مقالة بعنوان/Nuclear Fission: Basicsمن –atomicarchive.com

متى يمكن أن يحدث الإنشطار النووى ؟

يمكن أن يحدث الإنشطار عندما تلتقط نواة ذرة ثقيلة نيوترونًا ، أو يمكن أن يحدث تلقائيًا.

الإنشطار النووي المتسلسل

يشير التفاعل المتسلسل  للإنشطار النووى إلى عملية تنتج فيها النيوترونات المنبعثة في الإنشطار إنشطارًا إضافيًا في نواة أخرى على الأقل، تنتج هذه النواة بدورها نيوترونات  وتتكرر هذه العملية،يصحب ذلك الإنشطار النووي الذي يتم بأكمله خلال جزء من ثانية ارتفاع مهول في درجة الحرارة والضغط وقد تكون مدمرة ، يتم التحكم في عملية الإنشطار النووى المتسلسل فى الطاقة النووية  أو عدم التحكم فيها فى الأسلحة النووية.⁽⁴⁾مقالة /التفاعل التسلسلي من- wikizero.com

عندما يتفاعل النيوترون مع نواة اليورانيوم وعلى الأخص اليورانيوم-235 تنقسم النواة إلى قسمين متساويين تقريبا ً ،فإذا أطلق كل نيوترون نيوترونين إضافيين ، فإن عدد الانشقاقات يتضاعف كل جيل في هذه الحالة ، في 10 أجيال يوجد 1،024 انشطارًا وفي 80 جيلًا حوالي 6 × 10 ²³ انشطارًا (مول).

الطاقة المنبعثة من إنشطار اليورانيوم

U ²³⁵ + n → انشطار + 2 أو 3 n + 200 MeV

التحكم فى الطاقة النووية

P = nE / t

على سبيل المثال: إذا تم إطلاق 200 ميغاواط من الطاقة في انشطار  نواة U ²³⁵ مفردة ، فإن عدد الإنشطارات المطلوبة في الثانية لإنتاج طاقة 1 كيلووات يجب أن يكون ؟ (معطى   eV = 1.6 × 10 ^–19  J)

الحل:

يطلق انشطار نواة U ²³⁵ مفردة 200 ميجا فولت من الطاقة.
تُعطى الطاقة المنبعثة في الانشطار بالصيغة
E = 200 MeV = 200 × 10 ⁶  × 1.6 × 10 ^–19  = 3.2 × 10 ^–11  Joule
P = nE / t
=> n / t = P / E = 10 ³  / 3.2 × 10 ^–11  = 3.125 × 10 ¹³

مفهوم الكتلة الحرجة

هي أقل كتلة من اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239 (أو بعض العناصر الأخرى فوق اليورانيوم) التي يمكن أن يتم فيها التفاعل المتسلسل من دون توقف، ،على الرغم من أنه يتم إنتاج اثنين إلى ثلاثة نيوترونات لكل انشطار إلا أنه ليست كل هذه النيوترونات متاحة لمواصلة تفاعل الإنشطار،إذا كانت الظروف تُفقد النيوترونات بمعدل أسرع مما تتشكل عن طريق الإنشطار ، فإن التفاعل المتسلسل لن يكون مستدامًا ذاتيًا.⁽⁵⁾الكتلة الحرجة من- ويكيبيديا

عند النقطة التي يمكن أن يصبح فيها التفاعل المتسلسل مستدامًا ذاتيًا ، يُشار إلى هذا باسم الكتلة الحرجة .في القنبلة الذرية ، يجب تجميع كتلة من المواد الإنشطارية أكبر من الكتلة الحرجة على الفور وتماسكها معًا لمدة حوالي جزء من المليون من الثانية للسماح للتفاعل المتسلسل بالإنتشار قبل انفجار القنبلة.⁽⁶⁾ ملف بعنوان/Fusion Chain Reactionمن –ramauniversity.ac.in

الكتلة فوق الحرجة 

هي الكتلة التي تكون فيها النسبة المئوية للنيوترونات الناتجة عن الإنشطار التي تلتقطها نواة انشطارية أخرى كبيرة بما يكفي بحيث يتسبب كل حدث إنشطار ، في المتوسط ​​، في أكثر من حدث إنشطار إضافي واحد.

تتمثل المهمة الأولى لتصميم القنابل النووية في التجميع السريع لكتلة فوق حرجة من اليورانيوم الإنشطاري أو البلوتونيوم.تعتمد كمية الكتلة الحرجة للمادة الإنشطارية على عدة عوامل شكل المادة وتكوينها وكثافتها ومستوى نقاوتها.

باستخدام عاكس نيوتروني نحتاج فقط إلى حوالي 11 رطلاً (5 كيلوغرامات) من البلوتونيوم 239 النقي تقريبًا أو 239 أو حوالي 33 رطلاً (15 كيلوجرامًا) من اليورانيوم 235 لتحقيق الكتلة الحرجة.⁽⁷⁾مقالة بعنوان/Weapon Materials Basics من –ucsusa.org

لتجنب حدوث تفاعل متسلسل أثناء المناولة ، يجب أن تكون المادة الإنشطارية في السلاح دون الحرجة قبل التفجير. قد يتكون من مكون واحد أو أكثر يحتوي كل منها على أقل من كتلة حرجة غير مضغوطة. يمكن أن تحتوي القشرة المجوفة الرقيقة على أكثر من الكتلة الحرجة للكرة العارية ، مثلها مثل الأسطوانة ، التي يمكن أن تكون طويلة بشكل عشوائي دون أن تصل إلى درجة الحرجية.

 حدث مثل هذا الحادث النووي لأول مرة في الولايات المتحدة في مفاعل صغير (مفاعل ثابت 1 ) حيث انفجر المفاعل مما أدى إلى وفاة ثلاثة من العاملين في الحال،كان المفاعل قد وصل إلى حالة فوق الحرجة خلال 4 مللي ثانية بسبب انتزاع قضيب تحكم (الوحيد) عن دون اكتراث.⁽⁸⁾Table of Nuclear Reactor Accidents من- ieer.org

حساب الكتلة الحرجة

الكتلة الحرجة تعتمد حسابيا على معامل تزايد النيوترونات k، حيث:k = f / n .حيث(f) = متوسط عدد النيوترونات الناتجة من الإنشطار الواحد، وتتفاعل وتؤدي إلى إنشطار،و(n) = متوسط عدد النيوترونات التي تغادر الكتلة من دون أن تشترك في تفاعل إنشطار.فعندما تكون k = 1، تكون الكتلة حرجة.

الكتلة الحرجة لبعض المواد

بعض تلك الكتل الحرجة للكتلة الكروية العارية، أي من دون عاكس للنيوترونات يعمل على رد النيوترونات الخارجة من الكتلة لتحفيز تفاعلها مع المادة النووية.الكتلة الحرجة لليورانيوم-235 : 52 كيلوجرام، أي كرة قطر 17 سم،الكتلة الحرجة للبلوتونيوم-239 : 10 كيلوجرام، أي كرة قطر 10 سم،الكتلة الحرجة للبلوتونيوم-240 : 40 كيلوجرام، أي كرة قطر 15 سم.

تاريخ إستخدام اليورانيوم والبلوتونيوم فى عملية الإنشطار

عرف العلماء أن اليورانيوم 238 لم يكن مناسبًا لسلاح نووي ومع ذلك فإن لليورانيوم 235 احتمالية انشطارية عالية، يعطى اليورانيوم الطبيعي 0.7٪ فقط من اليورانيوم 235 وهذا يعني أن كمية كبيرة من اليورانيوم الطبيعي كانت مطلوبة للحصول على الكميات اللازمة من اليورانيوم 235 وأيضا لا يمكن فصل اليورانيوم 235 كيميائيًا عن اليورانيوم 238  لأن الخصائص متشابهة كيميائيًا،فكان لابد من تطوير طرق بديلة لفصل الخصائص كانت هذه مشكلة أخرى يجب على علماء مشروع مانهاتن حلها قبل صنع قنبلة، تنبأت الأبحاث بأن البلوتونيوم 239 سيكون له احتمال إنشطاري مرتفع ومع ذلك فإن البلوتونيوم 239 ليس عنصرًا طبيعيًا ويجب تصنيعه فتم بناء المفاعلات في هانفورد بواشنطن لإنتاج البلوتونيوم.

الإنشطار النووي التلقائي

وهو أن تنشطر الذرة  دون أي تدخل خارجي ، يحتوي البلوتونيوم 239 على معدل انشطاري تلقائي مرتفع جدًا مقارنة بمعدل الانشطار التلقائي لليورانيوم 235 كان على العلماء أن يأخذوا في الاعتبار معدل الإنشطار التلقائي لكل مادة عند تصميم القنابل النووية.⁽⁹⁾ محاضرة / الانشطار النووي Nuclear fission من-art.uobabylon.edu

شاهد أيضاً :ماري كوري عالمة الفيزياء الإولى الحاصلة على جائزة نوبل

وقت رد الفعل للقنابل النووية

يسافر النيوترون المنطلق بسرعة حوالي 10 مليون متر في الثانية ، أو حوالي 3٪ من سرعة الضوء. الوقت المميز لجيل ما هو تقريبًا الوقت اللازم لعبور قطر كرة المادة الانشطارية.تبلغ الكتلة الحرجة من اليورانيوم حجم كرة البيسبول (0.1 متر). الوقت الذي يستغرقه النيوترون لعبور الكرة هو: T = 1 × 10 ^-8 ثواني .كما تبلغ العملية الكاملة لانفجار قنبلة حوالي 80 ضعف هذا الرقم ، أو حوالي ميكروثانية.

أشهر أنواع القنابل النووية

1- قنبلة ليتل بوي (قنبلة هيروشيما)

وليتل بوي هو الاسم الرمزي لنوع القنبلة الذرية التي أُلقيت على مدينة هيروشيما اليابانية في 6 أغسطس 1945 خلال الحرب العالمية الثانية . كان أول سلاح نووي يستخدم في الحرب. وأساس صناعة قنبلة ليتل بوي هو اطلاق كتلة واحدة من اليورانيوم 235 على كتلة أخرى من اليورانيوم 235 عن طريق مادة دفعية عديمة الدخان من مسحوق مسحوق الكوردايت (مادة تستخدم فى طلقات الأسلحة ) ، مما أدى إلى تكوين كتلة فوق حرجة،بمجرد تجميع قطعتين من اليورانيوم معًا ، يُدخل البادئ انفجارًا من النيوترونات ويبدأ التفاعل المتسلسل ، ويستمر حتى تصبح الطاقة المنبعثة كبيرة جدًا بحيث تنفجر القنبلة نفسها.

2- قنبلة فات مان  ( قنبلة ناغازاكي اليابانية )

وفات مان هو الاسم الرمزي للقنبلة النووية التي فجرتها الولايات المتحدة فوق مدينة ناغازاكي اليابانية في 9 أغسطس 1945،تستخدم فيها  الشحنات المتفجرة لضغط كرة من البلوتونيوم بسرعة كبيرة إلى كثافة كافية لجعلها حرجة وتنتج انفجارًا نوويًا.

3-القنابل النيوترونية

وفيها يتم وضع قنبلة انشطارية صغيرة بالقرب من كتلة أكبر من الوقود النووي الحراري ثم توضع العنصرين ضمن سميكةعادة ما تكون مصنوعة من اليورانيوم أو الرصاص أو الفولاذ. تحبس العلبة الطاقة من القنبلة الانشطارية لفترة وجيزة ، مما يسمح لها بتسخين وضغط الوقود الحراري النووي الرئيسي فتنتج أعدادًا هائلة من النيوترونات عالية الطاقة التي يمكن أن تسبب تفاعلات إنشطار في مادة الغلاف مما يمكن أن تضيف طاقة كبيرة إلى التفاعل .