التكنولوجيا النووية

إن الغالبية العظمى من الظواهر الطبيعية الشائعة على الأرض لا تتضمن سوى الجاذبية والكهرومغناطيسية ، وليس التفاعلات النووية. ويعود ذلك إلى أن نوى الذرات تبقى متباعدة عمومًا لاحتوائها على شحنات كهربائية موجبة، وبالتالي تتنافر فيما بينها .

في عام ١٨٩٦، كان هنري بيكريل يُجري أبحاثًا حول التفسفر في أملاح اليورانيوم عندما اكتشف ظاهرة جديدة عُرفت فيما بعد بالنشاط الإشعاعي . ^{[ ١ ]} بدأ هو وبيير كوري وماري كوري بدراسة هذه الظاهرة. وخلال هذه العملية، تمكنوا من عزل عنصر الراديوم ، وهو عنصر شديد الإشعاع. اكتشفوا أن المواد المشعة تُنتج أشعة قوية نافذة من ثلاثة أنواع متميزة، أطلقوا عليها أسماء ألفا وبيتا وجاما نسبةً إلى الأحرف اليونانية الثلاثة الأولى . بعض هذه الأنواع من الإشعاع قادر على اختراق المواد العادية، وجميعها قد تكون ضارة بكميات كبيرة. تعرض جميع الباحثين الأوائل لحروق إشعاعية متنوعة ، تشبه حروق الشمس ، ولم يُعروا الأمر اهتمامًا يُذكر.

استغل مصنعو الأدوية الزائفة ظاهرة النشاط الإشعاعي الجديدة (كما فعلوا مع اكتشافات الكهرباء والمغناطيسية في وقت سابق)، وتم طرح عدد من الأدوية والعلاجات الحاصلة على براءات اختراع والتي تتضمن النشاط الإشعاعي .

تدريجيًا، تبيّن أن الإشعاع الناتج عن التحلل الإشعاعي هو إشعاع مؤين ، وأن حتى الكميات الضئيلة جدًا التي لا تُسبب احتراقًا قد تُشكّل خطرًا جسيمًا على المدى الطويل . توفي العديد من العلماء الذين كانوا يعملون في مجال النشاط الإشعاعي بسبب السرطان نتيجة تعرضهم له. اختفت معظم الأدوية المشعة المسجلة ببراءات اختراع، لكن تطبيقات أخرى للمواد المشعة استمرت، مثل استخدام أملاح الراديوم لإنتاج مؤشرات مضيئة في العدادات .

مع ازدياد فهمنا للذرة، باتت طبيعة النشاط الإشعاعي أكثر وضوحًا. بعض النوى الذرية الكبيرة غير مستقرة، ولذا تتحلل (تطلق مادة أو طاقة) بعد فترة عشوائية. كما أصبح فهمنا لأنواع الإشعاع الثلاثة التي اكتشفها بيكريل وكوري أكثر اكتمالًا. يحدث تحلل ألفا عندما تطلق النواة جسيم ألفا ، وهو عبارة عن بروتونين ونيوترونين ، أي ما يعادل نواة الهيليوم . أما تحلل بيتا فهو إطلاق جسيم بيتا ، وهو إلكترون عالي الطاقة . بينما يُطلق تحلل غاما أشعة غاما ، التي على عكس إشعاعي ألفا وبيتا، ليست مادة بل إشعاع كهرومغناطيسي ذو تردد عالٍ جدًا ، وبالتالي طاقة عالية . يُعد هذا النوع من الإشعاع الأخطر والأصعب في حجبه. وتوجد جميع أنواع الإشعاع الثلاثة بشكل طبيعي في بعض العناصر .

وقد أصبح من الواضح أيضاً أن المصدر النهائي لمعظم الطاقة الأرضية هو الطاقة النووية، إما من خلال الإشعاع القادم من الشمس والناجم عن التفاعلات النووية الحرارية النجمية أو عن طريق التحلل الإشعاعي لليورانيوم داخل الأرض، وهو المصدر الرئيسي للطاقة الحرارية الأرضية .

في الإشعاع النووي الطبيعي، تكون النواتج الثانوية ضئيلة جدًا مقارنةً بالنوى التي تنشأ منها. الانشطار النووي هو عملية انقسام النواة إلى أجزاء متساوية تقريبًا، وإطلاق الطاقة والنيوترونات خلال هذه العملية. إذا ما امتصت نواة غير مستقرة أخرى هذه النيوترونات، فإنها تنشطر بدورها، مما يؤدي إلى تفاعل متسلسل . يُشار إلى متوسط ​​عدد النيوترونات المنبعثة من كل نواة والتي تنشطر بدورها إلى نواة أخرى بالرمز k . تشير قيم k الأكبر من 1 إلى أن تفاعل الانشطار يُطلق نيوترونات أكثر مما يمتص، ولذلك يُطلق عليه اسم التفاعل المتسلسل المستدام ذاتيًا. تُسمى كتلة المادة القابلة للانشطار الكبيرة بما يكفي (وبتكوين مناسب) لإحداث تفاعل متسلسل مستدام ذاتيًا بالكتلة الحرجة .

عندما يلتقط نواة مناسبة نيوترونًا، قد يحدث انشطار فوري، أو قد تبقى النواة في حالة غير مستقرة لفترة وجيزة. إذا كان عدد الاضمحلالات الفورية كافيًا لاستمرار التفاعل المتسلسل، يُقال إن الكتلة تصل إلى حالة الاضمحلال الفوري الحرج ، وسيزداد إطلاق الطاقة بسرعة وبشكل لا يمكن السيطرة عليه، مما يؤدي عادةً إلى انفجار.

عندما اكتُشفت هذه المعلومة عشية الحرب العالمية الثانية ، دفعت دولًا عديدة إلى بدء برامج بحثية لدراسة إمكانية صنع قنبلة ذرية ، وهي سلاح يستخدم تفاعلات الانشطار لتوليد طاقة تفوق بكثير الطاقة التي يمكن توليدها باستخدام المتفجرات الكيميائية. وقد طوّر مشروع مانهاتن ، الذي أدارته الولايات المتحدة بمساعدة المملكة المتحدة وكندا ، أسلحة انشطارية متعددة استُخدمت ضد اليابان عام 1945 في هيروشيما وناغازاكي . وخلال المشروع، طُوّرت أيضًا أولى مفاعلات الانشطار ، وإن كانت مخصصة في المقام الأول لتصنيع الأسلحة ولم تكن تُستخدم لتوليد الكهرباء.

في عام 1951، كانت أول محطة طاقة نووية انشطارية هي الأولى التي تنتج الكهرباء في مفاعل التوليد التجريبي رقم 1 (EBR-1) في أركو، أيداهو، مما بشر بـ "العصر الذري" لاستخدام الطاقة البشرية بشكل أكثر كثافة. ^{[ 2 ]}

مع ذلك، إذا كانت الكتلة حرجة فقط عند تضمين النيوترونات المتأخرة، فإنه يمكن التحكم في التفاعل، على سبيل المثال عن طريق إضافة أو إزالة مواد امتصاص النيوترونات . وهذا ما يسمح ببناء المفاعلات النووية . لا تستطيع النوى التقاط النيوترونات السريعة بسهولة؛ بل يجب إبطاؤها (النيوترونات البطيئة)، عادةً عن طريق التصادم مع نوى مُعدِّل النيوترونات ، قبل أن تتمكن من التقاطها بسهولة. واليوم، يُستخدم هذا النوع من الانشطار بشكل شائع لتوليد الكهرباء.

إذا أُجبرت النوى على التصادم، فإنها تخضع لعملية الاندماج النووي . قد تُطلق هذه العملية طاقة أو تمتصها. عندما تكون النواة الناتجة أخف من نواة الحديد ، تُطلق الطاقة عادةً؛ وعندما تكون أثقل من نواة الحديد، تُمتص الطاقة عمومًا. تحدث عملية الاندماج هذه في النجوم ، التي تستمد طاقتها من الهيدروجين والهيليوم . تُشكّل النجوم، من خلال التخليق النووي النجمي ، العناصر الخفيفة ( من الليثيوم إلى الكالسيوم ) بالإضافة إلى بعض العناصر الثقيلة (ما بعد الحديد والنيكل ، عبر عملية S ). أما وفرة العناصر الثقيلة المتبقية، من النيكل إلى اليورانيوم وما بعده، فتعود إلى التخليق النووي في المستعرات العظمى ، وهي عملية R.

بالطبع، لا تُعدّ هذه العمليات الطبيعية في الفيزياء الفلكية أمثلة على "التكنولوجيا" النووية. فبسبب التنافر الشديد بين النوى، يصعب تحقيق الاندماج النووي بطريقة مُتحكَّم بها. تستمد القنابل الهيدروجينية ، المعروفة رسميًا بالأسلحة النووية الحرارية، قوتها التدميرية الهائلة من الاندماج النووي، لكن لا يمكن التحكم في طاقتها. يُحقَّق الاندماج النووي المُتحكَّم به في مُسرِّعات الجسيمات ؛ وهذه هي الطريقة التي تُنتَج بها العديد من العناصر الاصطناعية . كما يُمكن لجهاز الاندماج النووي إنتاج اندماج نووي مُتحكَّم به، وهو مصدر مفيد للنيوترونات . مع ذلك، يعمل كلا الجهازين بفقدان صافٍ للطاقة. وقد أثبتت طاقة الاندماج النووي المُتحكَّم بها والقابلة للتطبيق أنها بعيدة المنال، على الرغم من بعض الادعاءات الكاذبة . وقد أعاقت الصعوبات التقنية والنظرية تطوير تكنولوجيا اندماج نووي مدنية فعّالة، على الرغم من استمرار الأبحاث حتى يومنا هذا في جميع أنحاء العالم.

في البداية، اقتصرت دراسة الاندماج النووي على المراحل النظرية خلال الحرب العالمية الثانية، عندما بحثه علماء مشروع مانهاتن (بقيادة إدوارد تيلر ) كطريقة لصنع قنبلة. تخلى المشروع عن الاندماج بعد أن خلص إلى أنه سيتطلب تفاعل انشطار لتفجيره. ولم يتم تفجير أول قنبلة هيدروجينية كاملة إلا في عام ١٩٥٢، وقد سُميت بهذا الاسم لأنها استخدمت تفاعلات بين الديوتيريوم والتريتيوم . تُعد تفاعلات الاندماج أكثر طاقةً بكثير لكل وحدة كتلة من الوقود مقارنةً بتفاعلات الانشطار ، لكن بدء سلسلة تفاعلات الاندماج أصعب بكثير.

الطاقة النووية هي نوع من التكنولوجيا النووية التي تعتمد على الاستخدام المُتحكم به للانشطار النووي لإنتاج الطاقة اللازمة لأعمال متنوعة، تشمل الدفع، والتدفئة، وتوليد الكهرباء. تُنتج الطاقة النووية من خلال تفاعل نووي متسلسل مُتحكم به يُولّد حرارة تُستخدم لغلي الماء، وإنتاج البخار، وتشغيل التوربينات البخارية. تُستخدم التوربينات لتوليد الكهرباء و/أو لأداء أعمال ميكانيكية.

تُوفّر الطاقة النووية حاليًا ما يقارب 15.7% من كهرباء العالم (عام 2004)، وتُستخدم لتشغيل حاملات الطائرات وكاسحات الجليد والغواصات (حتى الآن ، حالت الاعتبارات الاقتصادية والمخاوف في بعض الموانئ دون استخدام الطاقة النووية في سفن النقل). ^{[ 6 ]} تعتمد جميع محطات الطاقة النووية على الانشطار النووي. ولم يُسفر أي تفاعل اندماج نووي اصطناعي عن مصدر مُجدٍ للكهرباء.

تنقسم التطبيقات الطبية للتكنولوجيا النووية إلى التشخيص والعلاج الإشعاعي.

التصوير الطبي - يُعدّ التصوير الطبي بالأشعة السينية الاستخدام الأكبر للإشعاع المؤين في الطب ، حيث يُستخدم لتصوير الأعضاء الداخلية لجسم الإنسان. ويُعتبر هذا المصدر الأكبر للتعرض الإشعاعي الاصطناعي للإنسان. تُستخدم العديد من المستحضرات الصيدلانية المشعة ، والتي ترتبط أحيانًا بجزيئات عضوية، لتكون بمثابة مواد مشعة أو عوامل تباين في جسم الإنسان. كما تُستخدم النيوكليوتيدات المُصدرة للبوزيترونات للحصول على صور عالية الدقة في فترات زمنية قصيرة، وذلك في تطبيقات تُعرف باسم التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني .

يُستخدم الإشعاع أيضاً في علاج الأمراض في العلاج الإشعاعي .

نظراً لقدرة بعض الإشعاعات المؤينة على اختراق المواد، تُستخدم في العديد من طرق القياس. تُستخدم الأشعة السينية وأشعة غاما في التصوير الإشعاعي الصناعي لتصوير الأجزاء الداخلية للمنتجات الصلبة، كوسيلة للاختبار والفحص غير المتلف. توضع القطعة المراد تصويرها بين مصدر الإشعاع وفيلم فوتوغرافي داخل علبة. بعد فترة تعريض محددة، يُظهر الفيلم أي عيوب داخلية في المادة.

المقاييس - تستخدم المقاييس قانون الامتصاص الأسي لأشعة جاما

• مؤشرات المستوى: يوضع المصدر والكاشف على جانبين متقابلين من الحاوية، مما يشير إلى وجود المادة أو عدم وجودها في مسار الإشعاع الأفقي. تُستخدم مصادر بيتا أو جاما، حسب سمك وكثافة المادة المراد قياسها. تُستخدم هذه الطريقة مع حاويات السوائل أو المواد الحبيبية.
• أجهزة قياس السماكة: إذا كانت المادة ذات كثافة ثابتة، فإن الإشارة التي يقيسها كاشف الإشعاع تعتمد على سماكة المادة. وهذا مفيد للإنتاج المستمر، مثل إنتاج الورق والمطاط، وما إلى ذلك.

التحكم الكهروستاتيكي - لتجنب تراكم الكهرباء الساكنة في إنتاج الورق والبلاستيك والمنسوجات الاصطناعية وغيرها، يمكن وضع مصدر شريطي الشكل من باعث جسيمات ألفا ²⁴¹ أمريسيوم بالقرب من المادة في نهاية خط الإنتاج. يعمل المصدر على تأيين الهواء لإزالة الشحنات الكهربائية من المادة.

المؤشرات المشعة - بما أن النظائر المشعة تتصرف كيميائياً في الغالب مثل العنصر غير النشط، فإنه يمكن تتبع سلوك مادة كيميائية معينة عن طريق تتبع النشاط الإشعاعي. أمثلة:

• إن إضافة مادة مشعة غاما إلى غاز أو سائل في نظام مغلق يجعل من الممكن العثور على ثقب في أنبوب.
• إن إضافة مادة متتبعة إلى سطح أحد مكونات المحرك يجعل من الممكن قياس التآكل عن طريق قياس نشاط زيت التشحيم.

استكشاف النفط والغاز - يُستخدم التسجيل النووي للآبار للمساعدة في التنبؤ بالجدوى التجارية للآبار الجديدة أو القائمة. تتضمن هذه التقنية استخدام مصدر للنيوترونات أو أشعة غاما وكاشف إشعاعي يتم إنزالهما في الآبار لتحديد خصائص الصخور المحيطة، مثل المسامية والتركيب الصخري.

إنشاء الطرق - تُستخدم مقاييس الرطوبة/الكثافة النووية لتحديد كثافة التربة والأسفلت والخرسانة. وعادةً ما يُستخدم مصدر السيزيوم-137.

• التألق الإشعاعي
• إضاءة التريتيوم : يُستخدم التريتيوم مع الفوسفور في مناظير البنادق لزيادة دقة التصويب ليلاً. وتستخدم بعض علامات المدرج وعلامات مخارج المباني نفس التقنية، لتبقى مضاءة أثناء انقطاع التيار الكهربائي. ^{[ 7 ]}
• الخلايا الكهروضوئية .
• كاشف الدخان: يحتوي كاشف الدخان التأيني على كتلة صغيرة من الأمريسيوم -241 المشع، وهو مصدر لإشعاع ألفا . توضع حجرتان للتأيين متجاورتان، تحتوي كل منهما على مصدر صغير من الأمريسيوم ^-241 يُولّد تيارًا كهربائيًا ثابتًا صغيرًا. إحداهما مغلقة وتُستخدم للمقارنة، بينما الأخرى مفتوحة للهواء المحيط، وتحتوي على قطب كهربائي شبكي. عند دخول الدخان إلى الحجرة المفتوحة، ينقطع التيار الكهربائي نتيجة التصاق جزيئات الدخان بالأيونات المشحونة، مما يُعيدها إلى حالة كهربائية متعادلة. هذا يُقلل التيار في الحجرة المفتوحة. وعندما ينخفض ​​التيار عن حد معين، يُطلق جهاز الإنذار.

في علم الأحياء والزراعة ، يُستخدم الإشعاع لإحداث طفرات جينية لإنتاج أنواع جديدة أو محسّنة، كما هو الحال في الزراعة الذرية . ومن استخداماته الأخرى في مكافحة الحشرات تقنية الحشرات العقيمة ، حيث تُعقّم الحشرات الذكور بالإشعاع ثم تُطلق، فلا تتكاثر، وبالتالي تُخفّض أعدادها.

في التطبيقات الصناعية والغذائية، يُستخدم الإشعاع لتعقيم الأدوات والمعدات. ومن مزاياه إمكانية تغليفها بالبلاستيك قبل التعقيم. ومن الاستخدامات الحديثة في إنتاج الغذاء تعقيم الأغذية باستخدام الإشعاع الغذائي .

تشعيع الأغذية ^{[ 8 ]} هو عملية تعريض الأغذية للإشعاع المؤين بهدف القضاء على الكائنات الدقيقة ، كالبكتيريا والفيروسات والحشرات التي قد تتواجد فيها. تشمل مصادر الإشعاع المستخدمة مصادر أشعة غاما المشعة، ومولدات الأشعة السينية، ومسرعات الإلكترونات. وتشمل التطبيقات الأخرى تثبيط الإنبات، وتأخير النضج، وزيادة إنتاج العصير، وتحسين إعادة الترطيب. التشعيع مصطلح أعمّ يشير إلى تعريض المواد للإشعاع عمدًا لتحقيق هدف تقني (ويُقصد هنا الإشعاع المؤين). لذا، يُستخدم التشعيع أيضًا في مواد غير غذائية، مثل الأجهزة الطبية، والبلاستيك، وأنابيب الغاز، وخراطيم التدفئة الأرضية، وأغلفة التغليف الحراري للأغذية ، وقطع غيار السيارات، والأسلاك والكابلات (للعزل)، والإطارات، وحتى الأحجار الكريمة. مقارنةً بكمية الأغذية المُشعّعة، فإن حجم هذه التطبيقات اليومية هائل، لكن المستهلك لا يلاحظه.

يرتبط التأثير الحقيقي لمعالجة الأغذية بالإشعاع المؤين بتلف الحمض النووي (DNA) ، وهو المادة الوراثية الأساسية للحياة. فلا تستطيع الكائنات الدقيقة التكاثر ومواصلة أنشطتها الضارة أو الممرضة. كما تتوقف الكائنات الدقيقة المسببة للتلف عن نشاطها. ولا تستطيع الحشرات البقاء على قيد الحياة أو تصبح عاجزة عن التكاثر. ولا تستطيع النباتات إكمال عملية النضج أو الشيخوخة الطبيعية. كل هذه التأثيرات مفيدة للمستهلك ولصناعة الأغذية على حد سواء. ^{[ 8 ]}

إن كمية الطاقة اللازمة لتشعيع الطعام بشكل فعال منخفضة مقارنة بطهي نفس الطعام؛ فحتى عند جرعة نموذجية تبلغ 10 كيلو غراي، فإن معظم الطعام، الذي يعادل الماء فيزيائيًا (فيما يتعلق بالتسخين)، سيسخن بمقدار 2.5  درجة مئوية (4.5  درجة فهرنهايت) فقط.

تتميز معالجة الأغذية بالإشعاع المؤين بكثافة طاقة عالية جدًا لكل انتقال ذري، مما يسمح بتكسير الجزيئات وإحداث تأين (ومن هنا جاءت التسمية)، وهو ما لا يمكن تحقيقه بالتسخين العادي. وهذا ما يفسر الفوائد الجديدة، ولكنه يثير في الوقت نفسه مخاوف جديدة. يمكن أن توفر معالجة الأغذية الصلبة بالإشعاع المؤين تأثيرًا مشابهًا للبسترة الحرارية للسوائل، كالحليب. مع ذلك، يُعد استخدام مصطلح "البسترة الباردة" لوصف الأغذية المُشعَّعة أمرًا مثيرًا للجدل، لأن البسترة والتشعيع عمليتان مختلفتان جوهريًا، على الرغم من أن النتائج النهائية المرجوة قد تكون متشابهة في بعض الحالات.

يُبدي معارضو تشعيع الأغذية مخاوف بشأن المخاطر الصحية للإشعاع المُستحث . ويذكر تقرير صادر عن المجلس الأمريكي للعلوم والصحة، وهو منظمة تُعنى بالدفاع عن مصالح هذه الصناعة ، بعنوان "الأغذية المُشععة": "إن أنواع مصادر الإشعاع المُعتمدة لمعالجة الأغذية لها مستويات طاقة مُحددة أقل بكثير من تلك التي من شأنها أن تجعل أي عنصر في الطعام مُشعًا. ولا يصبح الطعام المُشعّع أكثر إشعاعًا من الأمتعة التي تمر عبر جهاز فحص بالأشعة السينية في المطار أو الأسنان التي تم تصويرها بالأشعة السينية." ^{[ 9 ]}

يُسمح حالياً بتعريض الأغذية للإشعاع في أكثر من 40 دولة، ويُقدّر حجم الإنتاج بأكثر من 500 ألف طن متري (490 ألف طن إنجليزي؛ 550 ألف طن أمريكي) سنوياً على مستوى العالم. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

تُعدّ معالجة الأغذية بالإشعاع تقنية غير نووية في جوهرها؛ إذ تعتمد على استخدام الإشعاع المؤين الذي يُمكن توليده بواسطة مُسرّعات الإلكترونات وتحويله إلى إشعاع كبح، أو باستخدام أشعة غاما الناتجة عن التحلل النووي. وتوجد صناعة عالمية لمعالجة الأغذية بالإشعاع المؤين، وتعتمد غالبيتها، من حيث العدد وقدرة المعالجة، على المُسرّعات. ومع ذلك، تُعتبر معالجة الأغذية بالإشعاع تطبيقًا محدودًا مقارنةً باللوازم الطبية، والمواد البلاستيكية، والمواد الخام، والأحجار الكريمة، والكابلات والأسلاك، وغيرها.