الإحتراق الكيميائي
هو تفاعل كيميائي طارد للحرارة ناتج عن تفكك الروابط الكربونية لجزيئات الوقود المستخدم يتميز بأنه متسلسل , أي أنه يغذي نفسه طالما وجدت المواد المتفاعلة مع بعضها , وتشترط وجود الأكسجين مع أية مادة أخرى قابلة للإحتراق تسمى وقوداً , أي أن الإحتراق هو إتحاد الوقود بالأكسجين , إلا أن الإحتراق يحتاج إلى طاقة تنشيط ( Activation Energy ) في البداية , ولكنه متى بدأ يستمر من تلقاء نفسه إلى أن ينفذ الوقود أو أن يتم إخماده بواسطة ما , ولتوضيح ذلك نأخذ مثال الموقد فإذا أدرنا مفتاح الموقد تصاعد غاز البوتان واختلط بالأكسجين لكن من دون أن يحدث شيء لأنه لا بد من أن يصل البوتان والأكسجين إلى درجة حرارة مرتفعة لكي يتحدان وتُطرح الحرارة عندها كأحد نواتج التفاعل , وهذا ما يحدث عندما نستخدم عود الثقاب , فهو يرفع درجة حرارة كمية غاز البوتان إلى درجة حرارة الإشتعال فتشتعل بوجود الأكسجين ويبدأ تفاعل الإحتراق وتُطرح الحرارة , وتعمل هذه الحرارة المنبعثة بدورها على إشعال كمية أخرى من البوتان دون الحاجة إلى إشعال عود ثقاب آخر في كل مرة وهذا ما يسمى بالتفاعل المتسلسل ( Chain Reaction) ويكون الموقد تحت السيطرة ويمكن التحكم به عن طريق التحكم بكمية الغاز المتصاعد من الصمام وفي حالة الرغبة في إنهاء التفاعل نُقفل صمام الغاز .
الإحتراق النووي
الأمر نفسه في احتراق الوقود النووي لكن كتفاعل انشطار نووي طبعاً لا دخل للأكسجين فيه , مع الإشارة إلى أنه لا يحدث في أي كتلة من الوقود النووي من تلقاء نفسه إلا نادراً جداً وإذا حدث فإنه يحدث لنواة واحدة كل فترة زمنية طويلة , ولكي يكون الإنشطار النووي مجدياً لا بد لنا من إمداد الوقود النووي بالمنشط الذي يجعل التفاعل يبدأ أولاً وفي نفس الوقت تهيئة الظروف لكي يكون التفاعل متسلسلاً وإيجاد وسيلة للتحكم في مقدار التفاعل بحيث يمكن زيادة معدله أو إبطائه أو وقفه تماماً حسب الرغبة , طالما نتحدث عن كميات طاقة هائلة تنطلق من هذه التفاعلات , وهذا ما يتم في المفاعلات النووية ( Nuclear Reactors ) .
الوقود النووي
من الميزات الأساسية للوقود النووي احتواؤه على قدر من الطاقة يعادل ملايين المرات الطاقة المتولدة والناتجة من حرق نفس الكمية والوزن من الوقود التقليدي , حيث أن حرق كيلو غرام واحد من اليورانيوم 235 مثلاً يولد طاقة تعادل الطاقة المتولدة من حرق 1600 طن من البترول أو 2400 طن من الفحم الحجري .
نلقي نظرة الآن على اليورانيوم 235 المستخدم كوقود نووي , وللتوضيح فإن اليورانيوم الطبيعي يوجد على هيئة ثلاث نظائر هي :
اليورانيوم 238 ويشكل السواد الأعظم للعنصر ما نسبته 99.3 % تقريباً .
اليورانيوم 235 ويشكل 0.7 % تقريباً .
واليورانيوم 234 ونسبته ضئيلة جدأً نحو 0.006 % لذلك يهمل وجوده .
وقد وجد أن اليورانيوم 235 هو الوحيد القابل للإنشطار بالنيوترونات , ولذلك فإنه وضمن تلك النسب التي أوردناها سابقاً فإن احتمال إصابة نواته بنيوترون شارد إحتمال ضئيل جدً أيضاً , مع الأخذ بعين الإعتبار أن المواد الصلبة معظمها فراغ كما أن اليورانيوم 238 يتميز بكونه شره للنيوترونات ويقتنصها بسهولة وبالتالي يمنع وصولها لليورانيوم 235 , إذن لضمان حدوث التفاعل المتسلسل علينا أن نركز اليورانيوم 235 بالنسبة لليورانيوم 238 ثم نزيد من حجمه حتى يمكن أن يتم فيه التفاعل الإنشطاري المتسلسل . وبالحساب وجد أن كتلة اليورانيوم 235 إذا وصلت إلى قدر معين يحدث بها التفاعل المتسلسل بسرعة هائلة , وفي أقل من جزء من الألف من الثانية وتنشطر جميع ذراتها وتنطلق طاقة هائلة على هيئة إنفجار مروع تسمى هذه الكتلة بالكتلة الحرجة ( Critical Mass ) , وتبلغ نحو 30 كغ ويبلغ حجمها حجم قبضة اليد وهذه هي الفكرة الأساسية التي بنيت عليها القنبلة الذرية .
لذلك كان لابد من استخلاص اليورانيوم 235 من اليورانيوم الطبيعي , ورفع نسبته من 0.7 % إلى 90 % أو أكثر وتعتبر عملية الإستخلاص هذه من العمليات الصناعية المكلفة جداً , لأن النظيرين U238 و U235 يتطابقان في خصائصهما الكيميائية والإختلاف الوحيد بينهما هو الفرق الضئيل في الكثافة وتسمى عملية الإستخلاص هذه بتخصيب اليورانيوم وهذه العملية تعتبر الحد الفاصل بين الإستخدام السلمي أو العسكري للطاقة النووية .
الوقود النووي
من الميزات الأساسية للوقود النووي احتواؤه على قدر من الطاقة يعادل ملايين المرات الطاقة المتولدة والناتجة من حرق نفس الكمية والوزن من الوقود التقليدي , حيث أن حرق كيلو غرام واحد من اليورانيوم 235 مثلاً يولد طاقة تعادل الطاقة المتولدة من حرق 1600 طن من البترول أو 2400 طن من الفحم الحجري .
نلقي نظرة الآن على اليورانيوم 235 المستخدم كوقود نووي , وللتوضيح فإن اليورانيوم الطبيعي يوجد على هيئة ثلاث نظائر هي :
اليورانيوم 238 ويشكل السواد الأعظم للعنصر ما نسبته 99.3 % تقريباً .
اليورانيوم 235 ويشكل 0.7 % تقريباً .
واليورانيوم 234 ونسبته ضئيلة جدأً نحو 0.006 % لذلك يهمل وجوده .
وقد وجد أن اليورانيوم 235 هو الوحيد القابل للإنشطار بالنيوترونات , ولذلك فإنه وضمن تلك النسب التي أوردناها سابقاً فإن احتمال إصابة نواته بنيوترون شارد إحتمال ضئيل جدً أيضاً , مع الأخذ بعين الإعتبار أن المواد الصلبة معظمها فراغ كما أن اليورانيوم 238 يتميز بكونه شره للنيوترونات ويقتنصها بسهولة وبالتالي يمنع وصولها لليورانيوم 235 , إذن لضمان حدوث التفاعل المتسلسل علينا أن نركز اليورانيوم 235 بالنسبة لليورانيوم 238 ثم نزيد من حجمه حتى يمكن أن يتم فيه التفاعل الإنشطاري المتسلسل . وبالحساب وجد أن كتلة اليورانيوم 235 إذا وصلت إلى قدر معين يحدث بها التفاعل المتسلسل بسرعة هائلة , وفي أقل من جزء من الألف من الثانية وتنشطر جميع ذراتها وتنطلق طاقة هائلة على هيئة إنفجار مروع تسمى هذه الكتلة بالكتلة الحرجة ( Critical Mass ) , وتبلغ نحو 30 كغ ويبلغ حجمها حجم قبضة اليد وهذه هي الفكرة الأساسية التي بنيت عليها القنبلة الذرية .
لذلك كان لابد من استخلاص اليورانيوم 235 من اليورانيوم الطبيعي , ورفع نسبته من 0.7 % إلى 90 % أو أكثر وتعتبر عملية الإستخلاص هذه من العمليات الصناعية المكلفة جداً , لأن النظيرين U238 و U235 يتطابقان في خصائصهما الكيميائية والإختلاف الوحيد بينهما هو الفرق الضئيل في الكثافة وتسمى عملية الإستخلاص هذه بتخصيب اليورانيوم وهذه العملية تعتبر الحد الفاصل بين الإستخدام السلمي أو العسكري للطاقة النووية .
