المواد الانشطارية

الموسوعة الحرة
سبيكة من اليورانيوم المخصب ، وهي مادة انشطارية

في الهندسة النووية ، تُعرف المادة الانشطارية بأنها مادة قابلة للانشطار النووي عند اصطدامها بنيوترون منخفض الطاقة. [ 1 ] ولا يمكن تحقيق تفاعل متسلسل حراري مستدام ذاتيًا إلا باستخدام المادة الانشطارية. ويمكن تمييز طاقة النيوترونات السائدة في النظام إما بنيوترونات بطيئة (أي  نظام حراري) أو بنيوترونات سريعة. ويمكن استخدام المادة الانشطارية كوقود لمفاعلات النيوترونات الحرارية ، ومفاعلات النيوترونات السريعة، والمتفجرات النووية .

الانشطاري مقابل القابل للانشطار

يختلف مصطلح "قابل للانشطار" عن مصطلح "قابل للانشطار" . يُطلق مصطلح "قابل للانشطار " على النظير الذي يمكنه أن يخضع للانشطار النووي (حتى باحتمالية منخفضة) بعد التقاط نيوترون عالي أو منخفض الطاقة [ 2 ] . أما النظير القابل للانشطار الذي يمكنه أن يخضع للانشطار باحتمالية عالية بعد التقاط نيوترون حراري منخفض الطاقة، فيُطلق عليه مصطلح " قابل للانشطار" [ 3 ] . تشمل المواد القابلة للانشطار تلك التي لا يمكن تحفيز انشطارها إلا بواسطة نيوترونات عالية الطاقة (مثل اليورانيوم-238 ). ونتيجة لذلك، تُعد المواد القابلة للانشطار (مثل اليورانيوم-235 ) مجموعة فرعية من المواد القابلة للانشطار.

نطاق الاستقرار النسبي: من الراديوم-226 إلى الأينشتاينيوم-252
      888990919293949596979899      
  
 154 
مفتاح هاف لايف
  1  10 100 
  1k 10 آلاف100 ألف
  مليون 10 ملايين100 مليون
  1G 10 غرام( أ )
250 سم252 درجة مئوية 154 
 153 251 Cf252 Es 153 
 152 248 سم250 قدم مكعب 152 
 151 247 سم248 كتاب249 Cf 151 
 150 244 بو246 سم247 كتاب 150 
 149 245 سم 149 
 148 242 بو243 صباحًا244 سم 148 
 147 241 بو243 سم 147 
 146 238 يو 240 بو241 صباحًا 146 
 145 239 بو 145 
 144 236 يو 237 Np238 بو 144 
 143 235 يو 236 نبتون 143 
 142 232 Th234 يو 235 نبتون236 بو 142 
 141 233 يو  141 
 140 228 را230 Th231 باسكال232 يو 
محاور الجدول
النيوترونات( ن )
البروتونات( Z )
 140 
 139 229​ 139 
 138 226 را227 فدان228​ 138 
  
      888990919293949596979899      
لا تظهر في هذا الجدول إلا النويدات التي يبلغ عمر النصف لها سنة واحدة على الأقل.

ينشطر اليورانيوم-235 بالنيوترونات الحرارية منخفضة الطاقة لأن طاقة الربط الناتجة عن امتصاص النيوترون أكبر من العتبة اللازمة للانشطار؛ لذلك، يُعتبر اليورانيوم-235 قابلاً للانشطار. في المقابل، تكون طاقة الربط المنبعثة من اليورانيوم-238 عند امتصاصه نيوترونًا حراريًا أقل من الطاقة الحرجة، لذا يجب أن يمتلك النيوترون طاقة إضافية لحدوث الانشطار. ونتيجة لذلك، يُعتبر اليورانيوم-238 قابلاً للانشطار ولكنه ليس قابلاً للانشطار. [ 4 ] [ 5 ]

يُعرّف تعريف بديل النوى الانشطارية بأنها تلك النوى التي يمكن تحفيزها على الانشطار النووي (أي  أنها قابلة للانشطار) وتنتج أيضًا نيوترونات من هذا الانشطار قادرة على دعم تفاعل نووي متسلسل في الظروف المناسبة. وبموجب هذا التعريف، فإن النوى الوحيدة القابلة للانشطار ولكنها ليست انشطارية هي تلك التي يمكن تحفيزها على الانشطار النووي ولكنها تنتج نيوترونات غير كافية، سواء من حيث الطاقة أو العدد، لدعم تفاعل نووي متسلسل . وبالتالي، فبينما جميع النظائر الانشطارية قابلة للانشطار، فإن ليس كل النظائر القابلة للانشطار انشطارية. في سياق الحد من التسلح ، ولا سيما في مقترحات معاهدة حظر المواد الانشطارية ، يُستخدم مصطلح "انشطاري" غالبًا لوصف المواد التي يمكن استخدامها في المرحلة الأولية للانشطار في السلاح النووي. [ 6 ] هذه مواد تدعم تفاعلًا نوويًا متسلسلًا سريعًا ومتفجرًا .

وفقًا لجميع التعريفات المذكورة أعلاه، اليورانيوم-238 ( 238اليورانيوم -238 قابل للانشطار، ولكنه ليس انشطاريًا. النيوترونات الناتجة عن انشطار اليورانيوم -238يمتلك اليورانيوم طاقات أقل من النيوترون الأصلي (يتصرف كما في التشتت غير المرن )، وعادةً ما تكون طاقته أقل من 1 ميغا إلكترون فولت (أي بسرعة حوالي 14000 كم/ث )، وعتبة الانشطار اللازمة لإحداث انشطار لاحق هي 238   يو ، لذا انشطار 238لا يدعم عنصر اليورانيوم التفاعل النووي المتسلسل .

الانشطار السريع لـ 238يُساهم اليورانيوم في المرحلة الثانوية من السلاح النووي الحراري، نتيجةً لإنتاج النيوترونات عالية الطاقة من الاندماج النووي ، بشكل كبير في قوة هذه الأسلحة وفي تساقطها الإشعاعي. الانشطار السريع لليورانيوم -238وقد ثبت وجود تلاعبات من نوع U في أسلحة الانشطار النووي الخالصة. [ 7 ] الانشطار السريع لـ 238كما يساهم اليورانيوم بشكل كبير في إنتاج الطاقة لبعض مفاعلات النيوترونات السريعة .

النويدات الانشطارية

الأكتينيدات ونواتج الانشطار حسب نصف العمر
  • v
  • ت
  • هـ
الأكتينيدات [ 8 ] عن طريق سلسلة التحلل نطاق نصف العمر ( أ )نواتج انشطار اليورانيوم 235 حسب العائد [ 9 ]
4 ن (الثوريوم)4 ن + 1 (النبتونيوم)4 ن + 2 (راديوم)4 ن + 3 (أكتينيوم)4.5–7%0.04–1.25%أقل من 0.001%
228 Ra№4-6  أ155 يورو+
248 Bk [ 10 ]>  9  أ
244 سم​241 Puƒ250 قدم مكعب227 Ac№10-29  أ90 Sr85 كرونة113 م Cd+
232 Uƒ238 Puƒ243 سمƒ29–97  أ137 سيزيوم151 سم+121 متر قصدير
249 Cfƒ242 مترصباحًا141–351  أ

لا يوجد من نواتج الانشطار نصف عمر في نطاق 100 ألف  سنة إلى 210 ألف  سنة ...

241 صباحًا​251 Cfƒ [ 11 ]430–900  أ
226 Ra№247 كتاب1.3–1.6  ألف سنة
240 بو229​246 سم​243 صباحًا​4.7–7.4  ألف سنة
245 سم​250 سم8.3–8.5  ألف سنة
239 بوƒ24.1  ألف
230 Th№231 باسكالرقم32-76  ألف سنة
236 Npƒ233 Uƒ234 يورقم150-250 ألف  سنة99 Tc₡126 Sn
248 سم242 بو327–375  ألف سنة79 Se₡
1.33  مليون135 سيزيوم​
237 Npƒ1.61–6.5  مليون سنة93 زركونيوم107 Pd
236 يو247 سم​15-24 مليون  سنة129 I₡
244 بو80  مليون

... ولا يتجاوز 15.7 مليون  سنة [ 12 ]

232 Th№238 U№235 Uƒ№0.7–14.1  مليار سنة

بشكل عام، معظم نظائر الأكتينيدات ذات العدد الفردي من النيوترونات قابلة للانشطار. تمتلك معظم أنواع الوقود النووي عددًا ذريًا فرديًا ( A = Z + N = العدد الإجمالي للنيوكليونات )، وعددًا ذريًا زوجيًا Z. وهذا يعني وجود عدد فردي من النيوترونات. تكتسب النظائر ذات العدد الفردي من النيوترونات  طاقة إضافية تتراوح بين 1 و2 ميغا إلكترون فولت من امتصاص نيوترون إضافي، وذلك بفضل تأثير الازدواج الذي يُفضل الأعداد الزوجية من كلٍّ من النيوترونات والبروتونات. هذه الطاقة كافية لتوفير الطاقة الإضافية اللازمة للانشطار بواسطة النيوترونات الأبطأ، وهو أمر بالغ الأهمية لجعل النظائر القابلة للانشطار قابلة للانشطار أيضًا.

بشكل عام، تُعدّ النوى التي تحتوي على عدد زوجي من البروتونات والنيوترونات، وتقع بالقرب من منحنى معروف في الفيزياء النووية يربط بين العدد الذري والعدد الكتلي، أكثر استقرارًا من غيرها؛ لذا، فهي أقل عرضةً للانشطار. فهي تميل إلى تجاهل النيوترون والسماح له بالانطلاق، أو امتصاصه دون اكتساب طاقة كافية لتشويه النواة بما يكفي لحدوث الانشطار. كما أن هذه النظائر "الزوجية-الزوجية" أقل عرضةً للانشطار التلقائي ، ولها أيضًا فترات نصف عمر جزئية أطول نسبيًا لتحلل ألفا أو بيتا . ومن أمثلة هذه النظائر اليورانيوم-238 والثوريوم-232 . من جهة أخرى، باستثناء النوى الأخف وزنًا، فإن النوى ذات العدد الفردي من البروتونات والنيوترونات ( Z فردي، N فردي ) عادةً ما تكون قصيرة العمر (باستثناء ملحوظ هو النبتونيوم-236 الذي يبلغ عمر النصف له 154,000 سنة) لأنها تتحلل بسهولة عن طريق انبعاث جسيمات بيتا إلى نظائرها ذات العدد الزوجي من البروتونات والنيوترونات ( Z زوجي ، N زوجي ) التي تصبح أكثر استقرارًا. ويعود الأساس الفيزيائي لهذه الظاهرة أيضًا إلى تأثير الازدواج في طاقة الربط النووي، ولكن هذه المرة من ازدواج البروتون-بروتون والنيوترون-نيوترون. ويعني عمر النصف القصير نسبيًا لهذه النظائر الثقيلة ذات العدد الفردي من البروتونات والنيوترونات أنها غير متوفرة بكميات كبيرة وذات إشعاع عالٍ.

وفقًا لقاعدة الانشطار التي اقترحها يغال رونين، بالنسبة لعنصر ثقيل ذي عدد ذري ​​(Z) يتراوح بين 90 و100، يكون النظير قابلًا للانشطار إذا وفقط إذا كان 2 × Z − N ∈ {41، 43، 45 } (حيث N = عدد النيوترونات و Z = عدد البروتونات )، مع بعض الاستثناءات. [ 13 ] [ 14 ] تنطبق هذه القاعدة على جميع النوى باستثناء أربعة عشر نواة - سبعة منها تستوفي المعيار ولكنها غير قابلة للانشطار، وسبعة أخرى قابلة للانشطار ولكنها لا تستوفي المعيار. [ ملاحظة 1 ]

الوقود الكهربائي

لكي تكون المادة وقودًا مفيدًا لتفاعلات الانشطار النووي المتسلسلة، يجب أن:

  • كن في منطقة منحنى طاقة الربط حيث يكون تفاعل الانشطار المتسلسل ممكناً (أي  فوق الراديوم ).
  • احتمالية عالية لحدوث الانشطار عند التقاط النيوترونات
  • يُطلق أكثر من نيوترون واحد في المتوسط ​​لكل عملية التقاط نيوترون. (عدد كافٍ منها في كل انشطار، للتعويض عن حالات عدم الانشطار والامتصاص في المواد غير الوقودية)
  • يتمتع بعمر نصف طويل نسبياً
  • يجب أن يكون متوفراً بكميات مناسبة.
نسب الامتصاص والانشطار للنويدات الانشطارية
النيوترونات الحرارية [ 15 ]النيوترونات فوق الحرارية
σ F (ب)σ γ (ب)%σ F (ب)σ γ (ب)%
531468.0%233 يو76014016%
5859914.5%235 يو27514034%
75027126.5%239 بو30020040%
101036126.3%241 بو57016022%

تشمل النويدات الانشطارية في الوقود النووي ما يلي:

لا تملك النوى القابلة للانشطار فرصة مؤكدة للانشطار عند امتصاصها للنيوترون. وتعتمد هذه الفرصة على نوع النواة وطاقة النيوترون. بالنسبة للنيوترونات ذات الطاقة المنخفضة والمتوسطة، يوضح الجدول على اليمين مقاطع امتصاص النيوترون للانشطار (σF ) ، ومقطع امتصاص النيوترون مع انبعاث أشعة غاما (σγ ) ، ونسبة حالات عدم الانشطار.

تشمل النويدات الخصبة في الوقود النووي ما يلي:

  • الثوريوم-232 ، الذي ينتج اليورانيوم-233 عن طريق التقاط النيوترونات مع حذف خطوات التحلل الوسيطة.
  • اليورانيوم-238 ، الذي ينتج البلوتونيوم-239 عن طريق التقاط النيوترونات مع حذف خطوات التحلل الوسيطة.
  • البلوتونيوم-240 ، الذي ينتج البلوتونيوم-241 مباشرة عن طريق التقاط النيوترونات.

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ تشير قاعدة الانشطار التي تمت صياغتها على هذا النحو إلى أن 33 نظيرًا من المحتمل أن تكون قابلة للانشطار: Th-225، 227، 229؛ Pa-228، 230، 232؛ U-231، 233، 235؛ Np-234، 236، 238؛ Pu-237، 239، 241؛ Am-240، 242، 244؛ Cm-243، 245، 247؛ Bk-246، 248، 250؛ Cf-249، 251، 253؛ Es-252، 254، 256؛ Fm-255، 257، 259. أربعة عشر نظيراً فقط (بما في ذلك نظير نووي شبه مستقر طويل العمر) لها عمر نصف لا يقل عن عام: Th-229، U-233، U-235، Np-236، Pu-239، Pu-241، Am-242m، Cm-243، Cm-245، Cm-247، Bk-248، Cf-249، Cf-251، وEs-252. من بين هذه النظائر، U-235 هو النظير الوحيد الموجود طبيعياً . من الممكن إنتاج U-233 وPu-239 من نظائر طبيعية أكثر شيوعاً (Th-232 وU-238 على التوالي) عن طريق التقاط نيوترون واحد . أما النظائر الأخرى، فتُنتج عادةً بكميات أقل من خلال امتصاص المزيد من النيوترونات .

مراجع

  1. ↑ "NRC: مسرد المصطلحات - المواد الانشطارية" . www.nrc.gov .
  2. ↑ "NRC: مسرد المصطلحات - المواد الانشطارية" . www.nrc.gov .
  3. ↑ "الشرائح - الجزء الأول: الحركية" . شبكة جامعة UNENE للتميز في الهندسة النووية . تم الاطلاع عليه في 3 يناير 2013 .
  4. ↑ جيمس ج. دودرشتات ولويس ج. هاميلتون (1976). تحليل المفاعلات النووية . جون وايلي وأولاده، رقم ISBN 0-471-22363-8.
  5. ↑ جون ر. لامارش وأنتوني جون باراتا (الطبعة الثالثة) (2001). مقدمة في الهندسة النووية . برنتيس هول. ISBN 0-201-82498-1.
  6. ↑ المواد الانشطارية والأسلحة النووية، مؤرشفة بتاريخ 6 فبراير 2012 في أرشيف الإنترنت ، الهيئة الدولية المعنية بالمواد الانشطارية
  7. ↑ سيمكو، توماس؛ باريك، برافين؛ هاينز، دوغلاس (2006). "نمذجة آثار اختبار ترينيتي". النمذجة والحسابات التطبيقية في العلوم النووية . سلسلة ندوات الجمعية الكيميائية الأمريكية. المجلد. سلسلة ندوات الجمعية الكيميائية الأمريكية. الصفحات 142-159 . doi : 10.1021/bk-2007-0945.ch011 . ISBN   9780841239821.
  8. ↑ بالإضافة إلى الراديوم (العنصر 88). على الرغم من كونه من العناصر شبه الأكتينية، إلا أنه يسبق الأكتينيوم (89) مباشرةً، ويأتي بعد فجوة عدم استقرار ثلاثية العناصر بعد البولونيوم (84)، حيث لا توجد نظائر ذات عمر نصفي لا يقل عن أربع سنوات (أطول نظير عمري في هذه الفجوة هو الرادون-222 بعمر نصفي أقل من أربعة أيام ). لذا، فإن أطول نظائر الراديوم عمرًا، والذي يبلغ 1600 عام، يستحق إدراجه هنا.
  9. ↑ على وجه التحديد من الانشطار النيوتروني الحراري لليورانيوم-235، على سبيل المثال في مفاعل نووي نموذجي .
  10. ↑ ميلستيد، ج.؛ فريدمان، أ.م.؛ ستيفنز، س.م. (1965). "عمر النصف ألفا للبركليوم-247؛ نظير جديد طويل العمر للبركليوم-248". الفيزياء النووية . 71 (2): 299. Bibcode : 1965NucPh..71..299M . doi : 10.1016/0029-5582(65)90719-4 .كشفت التحليلات النظائرية عن وجود نوع من النظائر ذات الكتلة 248 بوفرة ثابتة في ثلاث عينات تم تحليلها على مدى حوالي 10 أشهر. وقد عُزي ذلك إلى نظير من Bk 248 بنصف عمر يزيد عن 9 سنوات. لم يُرصد أي نمو لـ Cf 248 ، ويمكن تحديد الحد الأدنى لنصف عمر جسيمات بيتا السالبة بحوالي 10⁴ سنوات . لم يُرصد أي نشاط جسيمات ألفا يُعزى إلى النظير الجديد؛ ومن المرجح أن يكون نصف عمر جسيمات ألفا أكبر من 300 سنة.
  11. ↑ هذا هو أثقل نظير مشع بنصف عمر لا يقل عن أربع سنوات قبل " بحر عدم الاستقرار ".
  12. ↑ باستثناء تلك النوى " المستقرة كلاسيكيا " ذات فترات نصف العمر التي تتجاوز بكثير فترة نصف عمر 232 Th؛ على سبيل المثال، في حين أن 113m Cd له فترة نصف عمر تبلغ أربعة عشر عامًا فقط، فإن فترة نصف عمر 113 Cd تبلغ ثمانية كوادريليون عام.
  13. ↑ رونين واي، 2006. قاعدة لتحديد النظائر الانشطارية. العلوم النووية والهندسة ، 152:3، الصفحات 334-335.
  14. ↑ رونين، ي. (2010). "بعض الملاحظات حول النظائر الانشطارية". حوليات الطاقة النووية . 37 (12): 1783-1784 . Bibcode : 2010AnNuE..37.1783R . doi : 10.1016/j.anucene.2010.07.006 .
  15. ↑ "مخطط تفاعلي للنويدات" . مختبر بروكهافن الوطني. مؤرشف من الأصل بتاريخ 24 يناير 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 أغسطس 2013 .