كتب nuclear reactions

يقسم الانشطار النووي الذرات الأثقل إلى ذرات أخف. ويربط الاندماج النووي الذرات الأخف مع بعضها لتكوين ذرات أثقل. وتعطينا كلا ردتي الفعل طاقة اقوي مليون مرة من ردات الفعل الكيميائية المشابهة، تكون الانفجارات النووية أقوى مليون مرة مقارنة بالانفجارات غير النووية، التي طالبت ببراءة اختراع فرنسية في مايو 1939 م.

في بعض الطرق، تكون ردات الفعل للانشطار والالتحام متكاملة ومتعاكسة، مع خصائص فريدة في كل منهما. لنفهم كيفبة تصميم السلاح النووي، من المفيد ان نفهم آلية التشابه والاختلاف بين الانشطار والالتحام. الشرح النالي يستخدم ارقاما تقريبية.

الانشطار النووي

عندما يصدم نيوترون حر نواة ذرة انشطارية مثل اليورانيوم-235 ( 235 يو)، ينشق اليورانيوم إلى ذرتين أصغر تسمى شظايا الانشطار، بالإضافة إلى نيوترونات أكثر. الانشطار يمكن أن يكون مكتفي ذاتيا أنه ينتج نيوترونات أكثر من السرعة اللازمة لحدوث انشطارات جديدة.

نواة ال يو 235 يمكن أن تنشطر بعشرات الطرق بشرط أن يصل مجموع الأعداد الذرية إلى 92 ومجموع الكتل الذرية إلى 236 (اليورانيوم بالإضافة إلى النيوترون الإضافي) ،المعادلة التالية تبين واحدة من الانقسامات الممكنة (السترونتيوم-95 (⁹⁵Sr)، زينون-139 (¹³⁹Xe)، واثنين من النيوترونات (N)، بالإضافة إلى طاقة) لث انشطارات جديدة:::

التحرير الفوري للطاقة لكل ذرة حوالي 180 مليون إلكترون فولت (MeV)، أي 74 TJ / كجم. فقط ٪7من هذا يكون أشعة جاما والطاقة الحركية من نيوترونات الانشطار. ال 93٪ المتبقية تكون طاقة حركية (أو طاقة الحركة) من شظايا الانشطار المشحونة، تتطاير بعيدا عن بعضها البعض وتتنافر من بعضها البعض من الشحنة الموجبة لبروتوناتها (38 للسترونتيوم، 54 للزينون). هذه الطاقة الحركية البدائية تكون 67 تيرا جول / كجم، تعطي سرعة بدائية تساوي حوالي 12,000 كيلومتر في الثانية. الشحنة الكهربائية العالية للشظايا المشحونة تسبب الكثير من التصادمات الغير مرنة مع الأنوية القريبة، وتبقى هذه الشظايا محصورة داخل حفرة قنبلة اليورانيوم وتتلاعب؟ وتدك؟ وتحفر؟ حتى يتم تحويل حركتها إلى حرارة. هذا الحول الجزء من المليون من الثانية (مايكرو ثانية)، وهو الوقت الذي يتوسع به المركز والمحفذ في القنبلة حتى يصل قطر البلازما إلى عدة أمتار مع درجة حرارة عشرات الملايين من الدرجات.

ودرجة السخونة هذه تصل إلى مرحلة كافية لينبعث أشعة الجسم الأسود في الطيف الإشعاعي للأشعة السينية (أشعة اكس). هذه الأشعة السينية تُمتص بواسطة الهواء المحيط، فينتج النار والصوت العالي للانفجار النووي. معظم المنتجات الناتجة من الانشطار النووي لها العديد من النيترونات فلا تكون مستقرة، فتكون مشعة بواسطة انحلال بيتا، تحول النيترونات إلى بروتونات بواسطة اضمحلال بيتا (إلكترونات وأشعة غاما. مدى العمر النصف لها يتراوح من جزء من ألف من الثانية إلى حوالي 200,0000 سنة. العديد يتحلل إلى نظائر تكون مشعة بنفسها، إذا من 1 إلى 6 ( متوسط 3) تحللات قد تكون متطلبة للوصول إلى الاستقرار. في المتفاعلات، المنتجات المشعة تكون الفضلات النووية في الوقود المستهلك. في القنابل تصبح نثار ذري مشع، كلا المحلي والعالمي. في غضون ذلك، في داخل القنبلة المتفجرة تحمل النيوترونات المنطلقة من الانشطار تقريبا 3٪ من طاقة الانشطار الأولي. الطاقة الحركية للنيوترون تزيد من طاقة انفجار القنبلة لكنها ليست بفعالية الطاقة التي من الشظايا المشحونة، لأن تباطؤ النيوترونات لا يتم بشكل سريع. أهم تأثير لانشطار النيوترونات على قوة القنبلة هو البدء في انشطارات أخرى. ينبعث من قلب القنبلة أكثر من نصف النيوترونات، والباقي يضرب بالقرب من الأنوية U-235 ليتسبب في انشطارها أضعاف مضاعفة بسلسلة متزايدة ( 1، 2، 4، 8، 16، الخ). بدءا من واحد، عدد الانشطار نظرياً يمكن أن يتضاعف مئة مرة في جزء من مليون من الثانية، مما قد يؤدي إلى استهلاك كل اليورانيوم أو البلوتونيوم إلى مئات الأطنان من الرابط الرقم مئة في السلسلة. عملياً، القنابل لا تحتوي على هكذا مقدار من اليورانيوم أو البلوتونيوم، وعادة ( في سلاح حديث ) نحو 2 إلى 2.50 كيلوغرام من البلوتونيوم تمثل 40الى 50 كيلوطن من الطاقة، تخضع للانشطار قبل أن تفجر النواة نفسها إلى أجزاء. تركيب قنبلة انفجارية معا هو أعظم تحدي في تصميم سلاح الانشطار. حرارة الانشطار توسع تجويف اليورانيوم بسرعة لتفصل هدف النواة فتشكل مساحة للنيوترونات لتنبعث بدون أن تقبض. فتتوقف سلسلة ردات الفعل.

المواد التي يمكن أن تحمل سلسلة من ردات الفعل تسمى مواد انشطارية. اثنان من المواد الانشطارية المستخدمة في الأسلحة النووية هما:U-235 و يعرف أيضاً باليورانيوم عالي التخصيب (HEU)، أورالي (Oy) سبائك أوك ريدج. أو 25 ( آخر عدد من الإعداد الذرية، وهو 92 لليورانيوم والوزن الذري هنا 235، على التوالي) ؛ و Pu-239، ويعرف أيضاً بالبلوتونيوم، أو 49 (من 94 و 239).

نظير اليورانيوم الأكثر شيوعا، اليورانيوم إحدى النظائر المشعة الأكثر انتشارا. U-238، قابل للانشطار لكنه ليس انشطاري (بمعنى أنه غير قادر على حمل سلسلة السلسلة من ردود رد الفعل بنفسه ولكن يستطيع الانقسام مع النيترونات السريعة.) أسمائه المستعاره تضمن اليورانيوم الطبيعي أو اليوارانيوم الغير مخصب، اليورانيوم المستنفذ du. سبائك الأنبوب و 28. غير قادرة على حمل الرقم التسلسلي من ردود الفعل، لأن انقسام النيترونات ليس بالقوة الكافية لجهد u-238اكثر. النيترونات مصد للانصهار إلى الانشطارu-238. هذا u-238 الانشطار ردة فعل المنتجات معظمها طاقة في مرحلتين سلاح نووي حراري مثالي.

اندماج النوى الذرية

الاندماج النووي ينتج النيوتيرونات التي تحمل طاقة من خلال تفاعلها فاغلب تفاعلات الاندماج في الأسلحة تسمى بتفاعل D-Tوتستخدم فيها الحرارة وضغط الانشطار النووي أو هيدروجين -2 أو الديوتريوم D2. تندمج مع هيدروجين -3، أو تريتيوم لإنتاج هيليوم -4 و نيوتيرون وطاقة. بحسب المعادلة التالية:

مجموع الطاقة التي تنتج هو 17.6 ميجا إلكترون فولت، وهو عشر الانشطار لكن كثافة المكونات بنسبة واحد إلى خمسين، لذلك فالطاقة الناتجة لكل وحدة كتلية تكون أكبر. هي أعظم. في تفاعلات الانشطار 80 بالمائة من الطاقة وهو ما يعادل 14 ميجا إلكترون فولت تكون لحركة النيوتيرون الذي لا يحمل شحنة إلكترونية ويكون غالبا بكثافة ذرة الهيدروجين التي تصنعه مكثف بأنوية الهيدروجين التي تصنعه، إمكانية خروجه عن موقعه أو محوره مع استمرار احتفاظه بطاقته يساعد على استمرار التفاعل أو إنتاج الاشعة السينية التي تستخدم للانفجارات والحرائق. الطريقة العلمية الوحيدة للاستفادة من معظم طاقة الانشطار هي بحصر النيوترون داخل زجاجة ضخمة من المواد الثقيلة مثل:الرصاص، اليورانيوم أو البلوتونيوم. فإذا حصرنا 14 ميجا فولت نيترون بمادة اليورانيوم (أما نوع:235 أو 238) أو بمادة البوتونيوم، النتيجة التي سوف تظهرلنا هو انشطار وإطلاق طاقة قدرها 180 ميجا فولت من طاقة الانشطار، أي إنتاج طاقة بعشرة أضعاف الطاقة المدخلة. الانشطار النووي هذا ضروري لبدء عملية الانشطار الأصلية، كما أنه يساعد على تحمل قوة الانشطار، ويحصر ويضاعف الطاقة التي أُنتجت في نيوترون الانشطار. وفي حالة انفجار النيوترون (أنظر في الأسفل)، فإن عملية الانشطار لا تتم بعد ابتعاد النيوترونات عن الهدف المنشود.

إنتاج التريتيوم

ثالث الأشياء المهمة في التفاعل النووي هو حين يتم إطلاق التريتيوم الضروري لنوع من الانصهار في الأسلحة. يصننع التريتيوم، أو هيدروجين 3 (يحتوي على بروتون و 2 نيوترونات، عن طريق قذف عنصر الليثيوم -6 مع نيوترونات (n). هذه العملية تؤدي إلى انشطار نواة عنصر الليثيوم لينتج عنصرا الهيليوم والتريتيوم إضافة إلى الطاقة:

وجود المفاعل النووي أمر ضروري لتوفير النيوترونات إذا أريد توفيرالتريتيوم قبل استخدام السلاح، لكن قد تستعمل في مراحل مراحلة مبكرة من تفاعلات الانصهار لانشطار الليثيوم-6 (مثلا على شكل ديوتيريد الليثيوم) و تكوين التريتيوم لاستخدامات مخصصة. هذه الطريقة تساعد على استخدام كميات أقل من التريتيوم المستخدم في السلاح: يتم إنشاء التريتيوم عندما يتم التفجير. المقياس الصناعي لتحويل الليثيوم 6 إلى تريتيوم مشابه جدا لطريقة تحويل عنصر اليورانيوم 238 إلى بلوتينيوم 239. في كلا الحالتين المواد المزودة (أو المُنتِجة) يتم وضعها داخل المفاعل النووي وإزالتها بعد تحويلها بعد فترة من الزمن.

انشطار ذرة واحدة من البلوتونيوم يطلق طاقة أكبر بعشر مرات من الطاقة الكلية لانشطار ذرة واحدة من التريتيوم. لهذا السبب، يتم تضمين التريتيوم في مكونات الأسلحة النووية عندما تتسبب في انشطار أكبر من تضحيات إنتاجها، وتحديداً في حالة الانشطار المعزز بالانصهار. هناك أربعة أنواع رئيسية للأسلحة النووية، أولها الانشطار النقي ويستخدم التفاعل النووي الأول من الثلاث التفاعلات النووية المذكورة سابقاً. النوع الثاني هو الانشطار المعزز بالانصهار ويستخدم أول تفاعلين.النوع الثالث هو الانشطار النووي الحراري ذو مرحلتين ويستخدم جميع التفاعلات الثلاثة.