التحول النووي

يعود مصطلح التحويل إلى الخيمياء . سعى الخيميائيون وراء حجر الفلاسفة ، القادر على تحويل المعادن الخسيسة إلى ذهب. ^{[ 3 ]} وبينما فهم الخيميائيون غالبًا مصطلح تحويل المعادن الخسيسة إلى ذهب كاستعارة لعملية روحانية أو دينية، تبنى بعض الممارسين تفسيرًا حرفيًا وحاولوا صنع الذهب من خلال تجارب فيزيائية. وقد نوقشت استحالة التحويل المعدني بين الخيميائيين والفلاسفة والعلماء منذ العصور الوسطى. تم تجريم التحويل الخيميائي الزائف ^{[ 4 ]} والسخرية منه علنًا بدءًا من القرن الرابع عشر. كتب خيميائيون مثل مايكل ماير وهينريش كونراث رسائل تكشف زيف ادعاءات صنع الذهب. وبحلول عشرينيات القرن الثامن عشر، لم يعد هناك أي شخصيات محترمة تسعى إلى التحويل الفيزيائي للمواد إلى ذهب. ^{[ 5 ]} في القرن الثامن عشر، استبدل أنطوان لافوازييه نظرية العناصر الكيميائية القديمة بنظرية العناصر الكيميائية الحديثة، وطوّر جون دالتون مفهوم الذرات (انطلاقًا من نظرية الجسيمات الكيميائية القديمة ) لشرح مختلف العمليات الكيميائية. ويُعدّ تفكك الذرات عمليةً متميزةً تتطلب طاقاتٍ أكبر بكثير مما كان بإمكان الكيميائيين القدماء تحقيقه.

طُبِّق هذا المفهوم بوعي لأول مرة في الفيزياء الحديثة على يد فريدريك سودي ، عندما اكتشف مع إرنست رذرفورد عام ١٩٠١ أن الثوريوم المشع يتحول إلى راديوم . ويتذكر سودي لاحقًا أنه في لحظة الإدراك هذه، صرخ قائلًا: "رذرفورد، هذا تحول نووي!" فرد عليه رذرفورد بحدة: "يا سودي، لا تسمّها تحولًا نوويًا ، سيُعتبروننا خيميائيين." ^{[ ٦ ]} كان رذرفورد وسودي يراقبان التحول النووي الطبيعي كجزء من التحلل الإشعاعي من نوع تحلل ألفا .

أُنجز أول تحويل نووي اصطناعي عام 1925 على يد باتريك بلاكيت ، الباحث الذي كان يعمل تحت إشراف رذرفورد، وذلك بتحويل النيتروجين إلى أكسجين باستخدام جسيمات ألفا موجهة نحو النيتروجين: ^14N + α → ^17O + p. ^{[ 7 ]} كان رذرفورد قد أظهر عام 1919 انبعاث بروتون (أطلق عليه اسم ذرة هيدروجين ) من تجارب قصف جسيمات ألفا، لكنه لم يكن لديه أي معلومات عن النواة المتبقية. قدمت تجارب بلاكيت بين عامي 1921 و1924 أول دليل تجريبي على تفاعل تحويل نووي اصطناعي. وقد حدد بلاكيت بدقة عملية التكامل الأساسية وهوية النواة المتبقية.

في عام 1932، حقق زميلا رذرفورد، جون كوكروفت وإرنست والتون ، تفاعلاً نووياً اصطناعياً كاملاً وتحويلاً نووياً، باستخدام بروتونات مُسرّعة اصطناعياً ضد الليثيوم-7 لتقسيم النواة إلى جسيمين ألفا. عُرف هذا الإنجاز شعبياً باسم "تقسيم الذرة"، على الرغم من أنه لم يكن تفاعل الانشطار النووي الحديث الذي اكتشفه أوتو هان ، وليز مايتنر ، ومساعدهما فريتز ستراسمان في عام 1938 في العناصر الثقيلة. ^{[ 8 ]} في عام 1941، أبلغ روبي شير ، وكينيث بينبريدج، وهربرت لورانس أندرسون عن التحويل النووي للزئبق إلى ذهب . ^{[ 9 ]}

في وقت لاحق من القرن العشرين، تم توضيح عملية تحول العناصر داخل النجوم، مما يفسر الوفرة النسبية للعناصر الأثقل في الكون. باستثناء العناصر الخمسة الأولى، التي نتجت في الانفجار العظيم وعمليات الأشعة الكونية الأخرى ، فإن التخليق النووي النجمي يفسر وفرة جميع العناصر الأثقل من البورون . في ورقتهم البحثية المنشورة عام 1957 بعنوان "تخليق العناصر في النجوم " ^{[ 10 ]} ، شرح ويليام ألفريد فاولر ، ومارجريت بوربيدج ، وجيفري بوربيدج ، وفريد ​​هويل كيف يمكن تفسير وفرة جميع العناصر الكيميائية تقريبًا، باستثناء أخفها، من خلال عملية التخليق النووي في النجوم.

إن تحويل العناصر ما بعد اليورانيوم (أي العناصر الأثقل من اليورانيوم ) ، مثل نظائر البلوتونيوم (حوالي 1% وزناً في الوقود النووي المستهلك في مفاعلات الماء الخفيف) أو الأكتينيدات الثانوية ( النبتونيوم والأمريكيوم والكوريوم )، حوالي 0.1% وزناً لكل منها في الوقود النووي المستهلك في مفاعلات الماء الخفيف، لديه القدرة على المساعدة في حل بعض المشكلات التي تطرحها إدارة النفايات المشعة عن طريق تقليل نسبة النظائر طويلة العمر التي تحتويها. (هذا لا ينفي الحاجة إلى مستودع جيولوجي عميق للنفايات المشعة عالية المستوى ). عند تشعيع هذه النظائر بالنيوترونات السريعة في مفاعل نووي ، يمكن أن تخضع للانشطار النووي ، مما يؤدي إلى تدمير نظير الأكتينيد الأصلي وإنتاج طيف من نواتج الانشطار المشعة وغير المشعة .

يمكن قصف الأهداف الخزفية المحتوية على الأكتينيدات بالنيوترونات لتحفيز تفاعلات التحويل النووي وإزالة الأنواع طويلة العمر الأكثر صعوبة. قد تتكون هذه الأهداف من محاليل صلبة تحتوي على الأكتينيدات مثل (Am,Zr)N ، و (Am,Y)N ، و (Zr,Cm)O₂ _، و (Zr,Cm,Am) _O₂ ، و (Zr,Am,Y)O₂ _، أو من أطوار الأكتينيدات فقط مثل AmO₂ ، _و NpO₂ ، و _NpN ، و AmN ممزوجة ببعض الأطوار الخاملة مثل _MgO ، و MgAl₂O₄ ، و ( _Zr ,Y)O₂ _، و TiN، و ZrN . يتمثل دور الأطوار الخاملة غير المشعة بشكل أساسي في توفير سلوك ميكانيكي مستقر للهدف تحت تأثير الإشعاع النيوتروني. ^{[ 19 ]}

لكن هناك مشاكل في استراتيجية التقسيم والتحويل هذه:

• إنها محدودة بسبب الحاجة المكلفة والمعقدة لفصل نظائر نواتج الانشطار طويلة العمر قبل أن تخضع للتحول.
• بعض نواتج الانشطار طويلة العمر ، بما في ذلك منتج النفايات النووية السيزيوم-137 ، غير قادرة على التقاط ما يكفي من النيوترونات لحدوث التحول الفعال بسبب صغر مقطعها العرضي للنيوترونات وانخفاض معدل التقاطها الناتج.

أظهرت دراسة جديدة بقيادة ساتوشي تشيبا في معهد طوكيو للتكنولوجيا (تحت عنوان "طريقة لتقليل نواتج الانشطار طويلة العمر عن طريق التحويل النووي باستخدام مفاعلات الطيف السريع" ^{[ 20 ]} ) أنه يمكن تحقيق تحويل فعال لنواتج الانشطار طويلة العمر في مفاعلات الطيف السريع دون الحاجة إلى فصل النظائر. ويمكن تحقيق ذلك بإضافة مُعدِّل من ديوتيريد الإيتريوم . ^{[ 21 ]}

على سبيل المثال، يمكن إعادة معالجة البلوتونيوم وتحويله إلى وقود أكسيد مختلط ، ثم تحويله في المفاعلات التقليدية. إلا أن هذه العملية محدودة بسبب تراكم البلوتونيوم-240 في وقود MOX المستهلك، الذي لا يُعدّ خصبًا بشكل خاص (إذ يحدث تحويله إلى بلوتونيوم-241 قابل للانشطار ، ولكن بمعدلات أقل من إنتاج المزيد من البلوتونيوم-240 من خلال امتصاص النيوترونات بواسطة البلوتونيوم-239 )، كما أنه ليس قابلًا للانشطار باستخدام النيوترونات الحرارية. حتى الدول التي تُجري عمليات إعادة معالجة نووية واسعة النطاق، مثل فرنسا ، لا تُعيد عادةً استخدام محتوى البلوتونيوم في وقود MOX المستهلك. يمكن تحويل العناصر الأثقل في المفاعلات السريعة ، ولكن ربما يكون ذلك أكثر فعالية في مفاعل دون حرج ، يُعرف أحيانًا باسم مُضخِّم الطاقة ، والذي ابتكره كارلو روبيا . كما اقتُرحت مصادر نيوترونات الاندماج باعتبارها مناسبة أيضًا. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

توجد أنواع عديدة من الوقود النووي التي يمكن أن تحتوي على البلوتونيوم في تركيبها الأولي عند بداية دورة التشغيل، ثم تنخفض نسبة هذا العنصر فيها عند نهاية الدورة. خلال هذه الدورة، يُحرق البلوتونيوم في مفاعل طاقة لتوليد الكهرباء. لا تقتصر أهمية هذه العملية على توليد الطاقة فحسب، بل تتعداها إلى إمكانية استهلاك فائض البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة النووية، بالإضافة إلى البلوتونيوم الناتج عن إعادة معالجة الوقود النووي المستهلك.

يُعدّ وقود الأكسيد المختلط أحد هذه الأنواع. ويُشكّل مزيجه من أكاسيد البلوتونيوم واليورانيوم بديلاً لوقود اليورانيوم منخفض التخصيب المستخدم بشكل أساسي في مفاعلات الماء الخفيف. ونظرًا لوجود اليورانيوم في الأكسيد المختلط، فإنه على الرغم من احتراق البلوتونيوم، سيتم إنتاج جيل ثانٍ من البلوتونيوم من خلال الالتقاط الإشعاعي لليورانيوم-238 وما يتبعه من تحللين بيتا سالبين.

تُعدّ أنواع الوقود التي تحتوي على البلوتونيوم والثوريوم خيارًا آخر. في هذه الأنواع، يتم امتصاص النيوترونات المنبعثة من انشطار البلوتونيوم بواسطة الثوريوم-232 . بعد هذا الامتصاص الإشعاعي، يتحول الثوريوم-232 إلى ثوريوم-233، الذي يخضع لتحللين بيتا سالبين ينتج عنهما نظير اليورانيوم-233 القابل للانشطار . يُعدّ المقطع العرضي للامتصاص الإشعاعي للثوريوم-232 أكبر بثلاث مرات من نظيره لليورانيوم-238، مما يُؤدي إلى تحويله إلى وقود قابل للانشطار بنسبة أعلى من تحويله إلى يورانيوم-238. ونظرًا لعدم وجود اليورانيوم في الوقود، لا يتم إنتاج جيل ثانٍ من البلوتونيوم، وبالتالي ستكون كمية البلوتونيوم المحترق أكبر من تلك الموجودة في أنواع الوقود الأكسيدية المختلطة. مع ذلك، سيظل اليورانيوم-233، القابل للانشطار، موجودًا في الوقود النووي المُستخدَم. يمكن استخدام البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة والبلوتونيوم المستخدم في المفاعلات في وقود البلوتونيوم والثوريوم، مع كون البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة هو الذي يُظهر انخفاضًا أكبر في كمية البلوتونيوم-239.

يمكن تحويل بعض نواتج الانشطار المشعة إلى نظائر مشعة أقصر عمراً عن طريق التحويل النووي. وقد دُرست عملية التحويل النووي لجميع نواتج الانشطار التي يزيد عمر النصف لها عن سنة واحدة في غرونوبل، ^{[ 25 ]} بنتائج متفاوتة.

يُعدّ السترونتيوم-90 والسيزيوم-137، اللذان يبلغ عمرهما النصفي حوالي 30 عامًا، أكبر مصادر الإشعاع (بما في ذلك الحرارة) في الوقود النووي المستهلك على مدى عقود إلى حوالي 305 أعوام ( أما القصدير-121م فهو ضئيل الأهمية نظرًا لانخفاض إنتاجيته)، ولا يتحولان بسهولة لانخفاض مقطع امتصاصهما للنيوترونات . لذا، ينبغي تخزينهما ببساطة حتى يتحللا. ونظرًا لضرورة هذه المدة الطويلة من التخزين، يمكن أيضًا تخزين نواتج الانشطار ذات الأعمار النصفية الأقصر حتى تتحلل.

أما ناتج الانشطار التالي الأطول عمراً فهو الساماريوم-151 ، الذي يبلغ عمر النصف له 90 عاماً، وهو ماص جيد للنيوترونات لدرجة أن معظمه يتحول أثناء استخدام الوقود النووي؛ ومع ذلك، فإن تحويل الكمية المتبقية من ^{151 بشكل فعال}يتطلب وجود الساماريوم في النفايات النووية فصله عن نظائر الساماريوم الأخرى . ونظرًا للكميات الصغيرة وانخفاض نشاطه الإشعاعي، ¹⁵¹Sm أقل خطورة من ⁹⁰Sr و ¹³⁷ويمكن أيضًا ترك السيزيوم ليتحلل لمدة 970 عامًا تقريبًا.

أخيرًا، هناك سبعة نواتج انشطار طويلة العمر . تتميز هذه النواتج بفترات نصف عمر أطول بكثير، تتراوح بين 211,000 سنة و15.7 مليون سنة. اثنان منها، التكنيتيوم-99 واليود -129 ، يتمتعان بقدرة كافية على الحركة في البيئة ليشكلا خطرًا محتملاً، وهما نظائر حرة ( لا توجد نظائر مستقرة معروفة للتكنيتيوم ) أو خاليان إلى حد كبير من الاختلاط مع نظائر مستقرة لنفس العنصر، ولهما مقاطع عرضية نيوترونية صغيرة ولكنها كافية لدعم التحول النووي. بالإضافة إلى ذلك، فإن التكنيتيوم ^-99يمكن أن يحل التكنيتيوم محل اليورانيوم-238 في توفير توسيع دوبلر للتغذية الراجعة السلبية لاستقرار المفاعل. ^{[ 26 ]} وقد افترضت معظم الدراسات التي تناولت مخططات التحويل المقترحة ⁹⁹Tc ، ¹²⁹تُستخدم العناصر اليورانيومية، والعناصر العابرة لليورانيوم، كأهداف للتحويل النووي، مع بقاء نواتج انشطار أخرى، ونواتج تنشيط ، وربما يورانيوم مُعاد معالجته، كنفايات. ^{[ 27 ]} يُنتج التكنيتيوم-99 أيضًا كمنتج نفايات في الطب النووي من التكنيتيوم-99m ، وهو نظير نووي يتحلل إلى حالته الأرضية التي لا تُستخدم بعد ذلك. نظرًا لناتج التحلل البالغ ¹⁰⁰Tc (نتيجة ⁹⁹⁾قد يكون هناك أيضًا حافز اقتصادي للتحويل النووي، إذا أمكن خفض التكاليف إلى مستوى كافٍ، وذلك لأن التكنيتيوم (Tc ) يمتص نيوترونًا ويتحلل بنصف عمر قصير نسبيًا إلى نظير مستقر من الروثينيوم ، وهو معدن ثمين .

أما بالنسبة لمنتجات الانشطار الخمسة المتبقية طويلة العمر، فإن السيلينيوم-79 والقصدير -126 والبلاديوم -107 لا تُنتج إلا بكميات صغيرة (على الأقل في مفاعلات النيوترونات الحرارية الحالية ، ^235).تُستخدم مفاعلات الماء الخفيف التي تحرق-93 في إنتاج نظائر السيزيوم-135، ويجب أن تكون النظائر الأخيرة خاملة نسبيًا. أما النظيران الآخران، الزركونيوم-93 والسيزيوم -135 ، فيُنتجان بكميات أكبر، ولكنهما ليسا شديدي الحركة في البيئة. كما أنهما يُخلطان بكميات أكبر مع نظائر أخرى لنفس العنصر. يُستخدم الزركونيوم كغلاف في قضبان الوقود نظرًا لكونه "شفافًا" تقريبًا للنيوترونات، ولكن كمية صغيرة من ^{السيزيوم-93}يُنتج الزركونيوم عن طريق امتصاص النيوترونات من سبيكة الزركونيوم العادية دون آثار ضارة تُذكر. سواء ⁹³لم يتم دراسة إمكانية إعادة استخدام الزركونيوم في مواد التكسية الجديدة بشكل كبير حتى الآن.