الاستعمالات الاخرى للمفاعلات - الانصهار النووي - الطاقة النووية .. الفيزياء
الاستعمالات الاخرى للمفاعلات
الى جانب الاستعمال المتزايد للمفاعلات فى محطات توليد الطاقة ، تم بناء مفاعلات صغيرة ومبرمجة كان الهدف منها تحقيق غايات اخرى ، ربما كان اهمها تسيير السفن . وقد استخدمت في هذا النوع المياه المضغوطة من اجل القيام بمهام التبريد والتخفيف من سرعة النوترونات في نفس الوقت .
وقد كانت اول غواصة ذرية انزلت الى البحر الغواصة الاميركية نوتيليس عام ١٩٥٤ . والمعروف ان استعمال الطاقة النووية في الغواصات يعطيها قدرة على الغوص لفترات طويلة من الوقت .
فالغواصة العادية تضطر للصعود الى سطح الماء مرات عديدة من اجل القيام بشحن بطارياتها بواسطة مولد ديزل يحتاج الى كميات من الهواء للقيام بعمله . وقد تمكنت اول غواصة من نوع نوتيليس من البقاء تحت الماء مسافة ٦٢٠٠٠ ميل عبرت خلالها القطب الشمالي دونما أي حاجة للتزود بالوقود .
وقد باشرت عدة دول بناء سفن نووية : الا ان هذه السفن ما زالت غير قادرة على منافسة السفن التي تعمل على النفط الا في حالات خاصة مثل كسح الجليد في المياه القطبية ، حيث برهنت عن تفوقها عن السفن العادية .
ولا بد من الاشارة الى ان المفاعلات النووية بدأت تظهر في البرامج السلمية . ففي عام ١٩٦٥ ، تم تزويد تابع فضائي اميركي بمفاعل سريع مده بحاجته من الطاقة لمدة ٤٣ يوما ، وتم تحويل الحرارة فيه الى كهرباء بواسطة مزدوجات حرارية . وهناك تصاميم اميركية لصنع صاروخ نووي يتألف من مفاعل حراري يستعمل فيه الغرافيت كمخفف السرعة النوترونات والهدروجين الذي تصل درجة حرارته الى ٢٠٠٠ درجة مئوية لتبريد المفاعل وتسيير الصاروخ . أما فوهة الصاروخ فانها تبرد بواسطة سائل الهدروجين المخزن في الصاروخ .
الانصهار النووي
يتبين من الرسم البياني لطاقة الترابط الموجود على الصفحة ١٢٢ ان توليد الطاقة بواسطة صهر الذرات الخفيفة ممكن كتوليدها من انشطار الذرات الثقيلة . فالانصهار يحدث في الشمس والنجوم وتفاعلاته تنتج لنا الطاقة التي لا حياة بدونها على الارض . ويعتقد ان النجوم ، كالشمس ، بدأت أولى مراحل حياتها على شكل سحابة من الهدروجين - أي من البروتونات والنوترونات والالكترونات - تم عملت قوى الجذب بين الذرات على ان تكون الكثافة في الداخل اكبر منها في الخارج ، مما يزيد من عدد الاصطدامات في مركز النجم ومن طاقته ، فينتج عن ذلك ارتفاع في الضغط وفي درجة الحرارة . وكلما ارتفعت درجة الحرارة ابتعدت الالكترونات عن مداراتها وأصبحت الذرات مشردة . والجدير بالذكر ان الغاز المشرد بهذا الشكل يدل على وجود حالة رابعة من حالات المادة تسمى البلازما .
وعندما ترتفع درجة حرارة البلازما تتحد البروتونات فيها مع النوترونات وتؤلف نوى ذرات الدوتريوم التي تتحد مع بعضها البعض لتأليف نوى التريتيوم والهليوم مجتمعة ولا يحدث هذا الانصهار الا على درجة من الحرارة تسمى درجة حرارة الاشتعال ، أما اذا بقيت درجة الحرارة دون هذه الدرجة ، فان قسما من الطاقة يذهب سدى بسبب ما يسمى اشعاعات الكبح - أي تحول الطاقة الحركية المباشر الى اشعة سينية ، وهو تحول ينجم عن تصادم قريب بين الالكترون والبروتون أو بين الالكترون والنواة .
وتقدر الطاقة التي يطلقها تفاعل الانصهار بحوالي ۱۳ × ۱۰-۱۲ جول . وبما ان كلغ الدوتريوم يحتوي على ۳ × ٢٦١٠ نواة ، فان الطاقة الناتجة عن تحول الدوتريوم الى هيليوم هي ٣ × ١٤١٠ جول ، أي ما يعادل ستة اضعاف الطاقة الناتجة عن انشطار كلغ واحد من اليورانيوم . ولهذا السبب يشكل الانصهار منبعا كامنا لكميات هائلة
( تفاعلات الانصهار في الهدروجين ( فوق ) وفي نظائر الليثيوم ( تحت )
من الطاقة ، بالاضافة الى كونه وقودا متوفرا بغزارة كافية . فالبحر مليء بالهدروجين ، وهو يحتوي على ذرات الدوتريوم بمعدل ١٥ ذرة في كل ۱۰۰۰۰۰ ذرة من ذراته ومع ذلك ، لا بد من بلوغ درجة حرارة الاشتعال اللازمة لاطلاق التفاعل من ذرات الدوتريوم ( وتقدر بحوالي ٥٠ مليون درجة ) والجدير بالذكر ان المصدر الوحيد لبلوغ درجة الحرارة هذه هو القنبلة الذرية ( الانشطارية ) . وقد تم تحقيق اول تفاعل انصهاري على الارض عام ١٩٥٢ عندما احيطت قنبلة انشطارية بطبقة من مادة مهدرجة - شكل ذلك اول قنبلة هدروجينية - كان لها أثر مدمر اكبر بكثير مما خلفته القنبلة الذرية نفسها . فقد كانت القنبلة الذرية التي ألقيت على هيروشيما مساوية لـ ٢٠ كيلو طن من ت . ن . ت . اما القنبلة الانشطارية الانصهارية فانها تعادل ٢٠ ميغاطن من تنت . ولا بد من الاشارة الى ان ديتروات الليثيوم مادة قابلة للانصهار .
الاستعمالات الاخرى للمفاعلات
الى جانب الاستعمال المتزايد للمفاعلات فى محطات توليد الطاقة ، تم بناء مفاعلات صغيرة ومبرمجة كان الهدف منها تحقيق غايات اخرى ، ربما كان اهمها تسيير السفن . وقد استخدمت في هذا النوع المياه المضغوطة من اجل القيام بمهام التبريد والتخفيف من سرعة النوترونات في نفس الوقت .
وقد كانت اول غواصة ذرية انزلت الى البحر الغواصة الاميركية نوتيليس عام ١٩٥٤ . والمعروف ان استعمال الطاقة النووية في الغواصات يعطيها قدرة على الغوص لفترات طويلة من الوقت .
فالغواصة العادية تضطر للصعود الى سطح الماء مرات عديدة من اجل القيام بشحن بطارياتها بواسطة مولد ديزل يحتاج الى كميات من الهواء للقيام بعمله . وقد تمكنت اول غواصة من نوع نوتيليس من البقاء تحت الماء مسافة ٦٢٠٠٠ ميل عبرت خلالها القطب الشمالي دونما أي حاجة للتزود بالوقود .
وقد باشرت عدة دول بناء سفن نووية : الا ان هذه السفن ما زالت غير قادرة على منافسة السفن التي تعمل على النفط الا في حالات خاصة مثل كسح الجليد في المياه القطبية ، حيث برهنت عن تفوقها عن السفن العادية .
ولا بد من الاشارة الى ان المفاعلات النووية بدأت تظهر في البرامج السلمية . ففي عام ١٩٦٥ ، تم تزويد تابع فضائي اميركي بمفاعل سريع مده بحاجته من الطاقة لمدة ٤٣ يوما ، وتم تحويل الحرارة فيه الى كهرباء بواسطة مزدوجات حرارية . وهناك تصاميم اميركية لصنع صاروخ نووي يتألف من مفاعل حراري يستعمل فيه الغرافيت كمخفف السرعة النوترونات والهدروجين الذي تصل درجة حرارته الى ٢٠٠٠ درجة مئوية لتبريد المفاعل وتسيير الصاروخ . أما فوهة الصاروخ فانها تبرد بواسطة سائل الهدروجين المخزن في الصاروخ .
الانصهار النووي
يتبين من الرسم البياني لطاقة الترابط الموجود على الصفحة ١٢٢ ان توليد الطاقة بواسطة صهر الذرات الخفيفة ممكن كتوليدها من انشطار الذرات الثقيلة . فالانصهار يحدث في الشمس والنجوم وتفاعلاته تنتج لنا الطاقة التي لا حياة بدونها على الارض . ويعتقد ان النجوم ، كالشمس ، بدأت أولى مراحل حياتها على شكل سحابة من الهدروجين - أي من البروتونات والنوترونات والالكترونات - تم عملت قوى الجذب بين الذرات على ان تكون الكثافة في الداخل اكبر منها في الخارج ، مما يزيد من عدد الاصطدامات في مركز النجم ومن طاقته ، فينتج عن ذلك ارتفاع في الضغط وفي درجة الحرارة . وكلما ارتفعت درجة الحرارة ابتعدت الالكترونات عن مداراتها وأصبحت الذرات مشردة . والجدير بالذكر ان الغاز المشرد بهذا الشكل يدل على وجود حالة رابعة من حالات المادة تسمى البلازما .
وعندما ترتفع درجة حرارة البلازما تتحد البروتونات فيها مع النوترونات وتؤلف نوى ذرات الدوتريوم التي تتحد مع بعضها البعض لتأليف نوى التريتيوم والهليوم مجتمعة ولا يحدث هذا الانصهار الا على درجة من الحرارة تسمى درجة حرارة الاشتعال ، أما اذا بقيت درجة الحرارة دون هذه الدرجة ، فان قسما من الطاقة يذهب سدى بسبب ما يسمى اشعاعات الكبح - أي تحول الطاقة الحركية المباشر الى اشعة سينية ، وهو تحول ينجم عن تصادم قريب بين الالكترون والبروتون أو بين الالكترون والنواة .
وتقدر الطاقة التي يطلقها تفاعل الانصهار بحوالي ۱۳ × ۱۰-۱۲ جول . وبما ان كلغ الدوتريوم يحتوي على ۳ × ٢٦١٠ نواة ، فان الطاقة الناتجة عن تحول الدوتريوم الى هيليوم هي ٣ × ١٤١٠ جول ، أي ما يعادل ستة اضعاف الطاقة الناتجة عن انشطار كلغ واحد من اليورانيوم . ولهذا السبب يشكل الانصهار منبعا كامنا لكميات هائلة
( تفاعلات الانصهار في الهدروجين ( فوق ) وفي نظائر الليثيوم ( تحت )
من الطاقة ، بالاضافة الى كونه وقودا متوفرا بغزارة كافية . فالبحر مليء بالهدروجين ، وهو يحتوي على ذرات الدوتريوم بمعدل ١٥ ذرة في كل ۱۰۰۰۰۰ ذرة من ذراته ومع ذلك ، لا بد من بلوغ درجة حرارة الاشتعال اللازمة لاطلاق التفاعل من ذرات الدوتريوم ( وتقدر بحوالي ٥٠ مليون درجة ) والجدير بالذكر ان المصدر الوحيد لبلوغ درجة الحرارة هذه هو القنبلة الذرية ( الانشطارية ) . وقد تم تحقيق اول تفاعل انصهاري على الارض عام ١٩٥٢ عندما احيطت قنبلة انشطارية بطبقة من مادة مهدرجة - شكل ذلك اول قنبلة هدروجينية - كان لها أثر مدمر اكبر بكثير مما خلفته القنبلة الذرية نفسها . فقد كانت القنبلة الذرية التي ألقيت على هيروشيما مساوية لـ ٢٠ كيلو طن من ت . ن . ت . اما القنبلة الانشطارية الانصهارية فانها تعادل ٢٠ ميغاطن من تنت . ولا بد من الاشارة الى ان ديتروات الليثيوم مادة قابلة للانصهار .
تعليق