بوابة:تقانة نووية/مقالة مختارة

معاهدة الحد من انتشار الأسلحة النووية برزت منذ الخمسينيات أصوات مناهضة لعمليات الاختبار والتسلح النووي، حيث أُجري منذ 16 يونيو 1945 وحتى 31 ديسمبر 1953 أكثر من خمسين انفجاراً نووياً تجريبياً، مما حدا بالكثير من الشخصيات العالمية إلى التعبير عن رفضها لهذه الأفعال، ومن أبرزها جواهر لال نهرو رئيس وزراء الهند آنذاك والذي دعا إلى التخلي عن إجراء أي اختبارات نووية، دون أن تلقى دعواته آذاناً صاغية من القوى العظمى آنذاك بسبب انهماكها في تفاصيل الحرب الباردة.

بدأت أولى المحاولات للحد من الأسلحة النووية في عام 1963؛ حيث وقعت 135 دولة على اتفاقية سُميت معاهدة الحد الجزئي من الاختبارات النووية وقامت الأمم المتحدة بالإشراف على هذه المعاهدة؛ علماً بأن الصين وفرنسا لم توقعا على هذه المعاهدة وكانتا من الدول ذات الكفاءة النووية.

اتفاقية عدم انتشار السلاح النووي (NPT أو NNPT) معاهدة دولية، بدأ التوقيع عليها في 1 يوليو 1968 للحد من انتشار الأسلحة النووية التي تهدد السلام العالمي ومستقبل البشرية. حتى الآن وقع على الاتفاقية 188 دولة. مع ذلك ما زال خارج الاتفاقية دولتين نوويتين أكيدتين (تملكان تجارب نووية مصرح بها) هما الهند وباكستان ودولة نووية محتملة هي إسرائيل (لم تصرح إسرائيل حتى الآن عن امتلاكها للسلاح النووي رغم الكثير من المؤشرات التي تؤكد ذلك). إحدى الأطراف التي يحتمل امتلاكها لقوة نووية هي كوريا الشمالية أيضا مازالت خارج الاتفاقية. تم اقتراح الاتفاقية من قبل إيرلندا وكانت فنلندا أول من وقع عليها.

مشروع مانهاتن (بالإنجليزية: Manhattan Project)‏ هو مشروع بحث وتطوير جرى العمل عليه في أثناء الحرب العالمية الثانية لإنتاج الأسلحة النووية لأول مرة. قادت الولايات المتحدة المشروع مدعومةً من المملكة المتحدة وكندا. أشرف الجنرال ليزلي غروفز من فيلق القوات البرية الأمريكي الهندسي على المشروع من عام 1942 حتى عام 1946. صمم القنبلة الفعلية الفيزيائي المتخصص في الطاقة النووية روبرت أوبنهايمر مدير مختبر لوس ألاموس. اختيرت مقاطعة مانهاتن لتكون المكوِّن العسكري للمشروع في سرية تامة، ثم ذاع صيت المشروع بأكمله فيما بعد باسم مانهاتن بدلًا من تطوير المواد البديلة الذي كان الاسم الحركي الرسمي للمشروع. خلال سيره، ضم المشروع النووي الأمريكي نظيره البريطاني السابق له، سبائك الأنابيب. في عام 1939، بدأ المشروع بداية متواضعة، ولكنه نما ليوظف أكثر من مئة وثلاثين ألف شخص وليتكلف نحو مليارَي دولار (ما يعادل 23 مليار دولار تقريبًا في عام 2018). ذهب أكثر من تسعين في المئة من التكلفة لبناء المصانع وإنتاج المواد الانشطارية، بينما خُصصت العشرة في المئة الأخرى لتطوير الأسلحة وإنتاجها. أُجري البحث والإنتاج في أكثر من ثلاثين موقعًا في كافة أرجاء الولايات المتحدة، والمملكة المتحدة، وكندا.

الثُوريوم هو عنصر كيميائي من عناصر الجدول الدوري وله الرمز Th، وعدده الذري 90. ونظرا لأنه فلز له نشاط إشعاعي طفيف، ويوجد بصورة طبيعية فإنه يعد من أنواع الوقود النووي البديلة لليورانيوم. الثوريوم مثل اليورانيوم والبلوتونيوم، يمكن أن يستخدم كوقود في المفاعلات النووية. بالرغم من أنه لا ينشطر بمفرده، حيث ²³²Th يقوم بامتصاص النيترونات البطيئة لإنتاج اليورانيوم-233 (²³³U)، والذي يحدث له انشطار. ومثله مثل ²³⁸U فإنه يورانيوم خصب. وبالترتيب طبق للأهمية فإن²³³U أفضل من النظيرين الأخريين المستخدمين كوقود، ²³⁵U والبلوتينيوم-239 (²³⁹Pu)، نظرا لإنتاجه العالي من النيترونات لكل نيترون ممتص. ويعطى بداية ببعض المواد المنشطرة (²³⁵U أو ²³⁹Pu) تنتج دورة مستمرة مشابهة، ولكن بكفاءة أعلى من الممكنة بواسطة ²³⁸U إلى ²³⁹Pu (في مفاعلات النيترون البطيء). يقوم ²³²Th بامتصاص النيترون ليصبح ²³³Th الذي ينحل تلقائيا إلى بروأكتينيوم-233 (²³³Pa) ثم ²³³U، ويمكن عندها الحصول على الوقود المشع من المفاعل، ويفصل ²³³U من الثوريوم (عملية مشابهة حيث أنها تتضمن فصل كيميائي بدلا من الفصل بواسطة النظائر)، ويتم تغذيته لمفاعل آخر كنوع من أنواع الدورة المغلقة في دورات الوقود النووي.

اليورانيوم هو عنصر كيميائي يرمز له بحرف U وعدده الذري 92. وهو فلز لونه أبيض يميل إلى الفضي يقع ضمن سلسلة الأكتينيدات في الجدول الدوري. تبدو القطعة الصافية منه قريبة من معدن الفضة أو الفولاذ ولكنها ثقيلة جداً نسبة إلى حجمها. تحوي ذرة اليورانيوم 92 بروتون و92 إلكترون، منها 6 إلكترونات تقع في أغلفة التكافؤ. يعتبر اليورانيوم عنصرًا متحللاً ذو نشاط إشعاعي واهن؛ وذلك لأن كل نظائره غير مستقرة في الطبيعة (تتراوح فترة عمر النصف لنظائر اليورانيوم الطبيعية الستة بين 69 سنة و4.5 مليار سنة، بدءًا من يورانيوم-233 وحتى يورانيوم-238). أكثر نظائر اليورانيوم شيوعًا هو يورانيوم-238 (الذي يحوي 146 نيوترون ويمثل ما يقرب من 99.3% من اليورانيوم المتواجد في الطبيعة) ويورانيوم-235 (الذي يحوي 143 نيوترونًا، وهو يمثل 0.7% وهي النسبة المتبقية من العنصر الطبيعي). يحتل اليورانيوم المركز الثاني بعد البلوتونيوم في العناصر ذات الكتلة الذرية الأعلى (أو الأثقل وزنًا) والتي تواجدت في الطبيعة بصورة ابتدائية. وتبلغ كثافة اليورانيوم نحو 19.1 جرام/سنتيمتر مكعب في درجة حرارة الغرفة، أي أن 1 متر مكعب من اليورانيوم يزن نحو 19.1 طنا، وهو بذلك أعلى كثافة من الرصاص بحوالي 70%، ولكنه أقل بقليل من الذهب أو التنغستن. يتواجد اليورانيوم طبيعيًا تكون بتركيزات منخفضة في التراب والصخور والماء تصل لبضعة أجزاء لكل مليون، ويتم استخلاصه تجاريًا من المعادن الحاوية له مثل اليورانينيت.

المفاعل النووي هو جهاز ضخم أو محطة قوى تستخدم لتوليد تفاعل نووي متسلسل مُسْتَدَام وللتحكم فيه، أو بتعبير أدق للتحكم في معدل سير التفاعل النووي بحيث يمكن السيطرة عليه والاستفادة من طاقته لفترة طويلة. من المفاعلات النووية أنواع صغيرة تستخدم في البحوث العلمية ومنها ما هو محطة قوى تولد الكهرباء باستغلال الطاقة النووية. فشل نظام التحكم في معدل سريان التفاعل النووي المتسلسل يؤدي إلى انصهار المفاعل؛ هذا لأن المفاعل يطلق طاقته كلها دفعة واحدة في زمن قصير، كما حدث في مفاعل تشيرنوبيل.

يعمل المفاعل النووي بوقود حيث تعمل نيوترونات على انشطار أنوية اليورانيوم أو البلوتونيوم فتتولد طاقة حرارية (اليورانيوم-235 والبلوتونيوم-239 هي المواد الانشطارية ولهما نفس الخواص). لا بد من التحكم في عمليات الانشطار النووي المتسلسلة داخل قلب المفاعل مع الحفاظ على الظروف المناسبة لاستمرار تلك التفاعلات بشكل دائم دون وقوع انفجارات. تنساب الطاقة النووية من المفاعل بشكل تدريجي في هيئة حرارة ترفع درجة حرارة الماء المحيطة بوحدات الوقود النووي كما يرتفع ضغط البخار في خزان المفاعل. والمفاعل النووي، المعروف سابقا باسم كومة ذرية، كان كومة من اليورانيوم والجرافيت، وكان جهاز يستخدم لبدء والتحكم في عدد النيوترونات المتفاعلة مع اليورانيوم للبقاء على سلسلة تفاعلات نووية مستدامة، من دون زيادة للتفاعل حتى لا يحدث انفجار. ويتم تحديد عدد النيوترونات المتفاعلة مع أنوية اليورانيوم بواسطة قضبان من الكادميوم موزعة بين قضبان الوقود، يمتص الكادميوم النيوترونات الزائدة.

مختبر لوس ألاموس (بالإنجليزية: Los Alamos Laboratory)‏، ويعرف أيضاً بـمشروع Y، كان مختبراً سريّاً تأسس من ضمن مشروع مانهاتن وشغّلته جامعة كاليفورنيا أثناء الحرب العالمية الثانية. كانت مهمة المختبر تصميم وبناء أول أسلحة ذرية. كان روبرت أوبنهايمر أول مديرٍ له، أداره من 1943 حتى ديسمبر 1945، حيث خلفه نوريس برادبيري. لكي يتمكّن العلماء من مناقشة أعمالهم بحريّة في ظل الإجراءات الأمنية، اختير موقع المختبر في جزءٍ ناءٍ من نيومكسيكو. احتلّ هذا المختبر الذي عمل زمن الحرب مبانٍ كانت سابقاً جزءاً من مدرسة لوس ألاموس الزراعية.

في بداية المشروع تركزت جهود التطوير على سلاح يعمل على ظاهرة الانشطار النووي لليورانيوم التي اكتشفها أوتو هان الألماني في عام 1938. وكانت الخطة تتبع طريقين لتنفيذ صناعة قنبلة تنفجر نوويا. الطريق الأول كان عن طريق تخصيب اليورانيوم لاستخلاص منه اليورانيوم-235 القابل للانشطار ، وتوصلوا إلى صناعة قنبلة نووية سُميت قنبلة الرجل النحيف. الطريق الثاني كان عن طريق بناء مفاعل نووي يقوم بتحويل اليورانيوم-238 إلى البلوتونيوم-239 القابل أيضا للإنشطار بالنيوترونات . في نيسان (إبريل) 1944 حدد مختبر لوس ألاموس أن معدل الانشطار التلقائي للبلوتونيوم الذي ولّد في المفاعل النووي كان كبيراً جداً بسبب وجود البلوتونيوم-240 والذي سوف يُسبب انفجار المفاعل، الناتج عن التفاعل النووي المتسلسل قبل تجمع النواة بالكامل. لذلك أعاد أوبنهايمر تنظيم المختبر من جديد ونسق مشروعاً شاملاً وناجحاً أخيراً لتصميم بديل اقترحه جون فون نيومان، وهذا التصميم يعمل على مبدأ الانضغاط الداخلي والتي سُميت بقنبلة الرجل البدين. وتم تصميم نسخة مطورة عن هذه القنبلة باستخدام اليورانيوم-235 وسميت هذه القنبلة بـالولد الصغير.

كانت جلسة الاستماع الأمنية لأوبنهايمر دعوى قضائية أعدتها هيئة الطاقة الذرية الأمريكية عام 1954، استطلعت خلفية روبرت أوبنهايمر وأفعاله وصلاته، وهو العالم الأمريكي الذي ترأس مختبر لوس ألاموس خلال الحرب العالمية الثانية، إذ لعب دورًا رئيسيًا في مشروع مانهاتن الذي طور القنبلة الذرية. أسفرت الجلسة عن إلغاء تصريح «كيو» لأوبنهايمر وكان هذا بمثابة النهاية الرسمية لعلاقته مع الولايات المتحدة الأمريكية وأثار جدلًا كبيرًا حول ما إذا كانت معاملة أوبنهايمر عادلة أم أنها مجرد سلوك مكارثيّ مناهض للشيوعية.

تعود الشكوك حول ولاء أوبنهايمر إلى ثلاثينيات القرن الماضي، عندما كان عضوًا في العديد من منظمات الجبهة الشيوعية وكان على صلة بالعديد من أعضاء الحزب الشيوعي في الولايات المتحدة، بما في ذلك زوجته وشقيقه. كانت صلاته هذه معروفة من قبل جيش مكافحة التجسس في الوقت الذي أصبح فيه رئيسًا لمختبر لوس ألاموس عام 1942، وللجنة الاستشارية العامة لذوي النفوذ التابعة لهيئة الطاقة الذرية الأمريكية عام 1947. شارك أوبنهايمر من خلال هذا المنصب في الصراع البيروقراطي بين الجيش والقوات الجوية على أنواع الأسلحة النووية التي تحتاجها البلاد، والصراع التقني بين العلماء حول جدوى القنبلة الهيدروجينية، والصراع الشخصي مع مفوض اللجنة الاقتصادية الأسترالية لويس شتراوس.

ترينيتي (بالإنجليزية: Trinity)‏ هو الاسم الرمزي الذي أطلق على أول عملية تفجير لسلاح نووي. أجريت العملية من قبل الجيش الأمريكي كجزء من مشروع مانهاتن على الساعة 5:29 صباح يوم 16 يوليو 1945 في صحراء جورنادا ديل ميرتو على بعد 56 كيلومتر جنوب شرق مدينة سوكورو، نيومكسيكو. ولم يكن يوجد في تلك المنطقة سوى بيت ريفي وبنايات تابعه له والتي إستخدمها العلماء كمختبر لاختبار مكونات القنبلة. الاسم الرمزي «ترينيتي» تم اختياره من قبل روبرت أوبنهايمر، مدير مختبر لوس ألاموس الذي إستلهم الاسم من إحدى قصائد جون دون.

كان الاختبار لجهاز انشطار بلوتونيوم من نمط الانضغاط الداخلي، أُطلق عيه بشكل غير رسمي اسم «الأداة»، وله تصميم مشابه لقنبلة الرجل البدين (فات مان) التي أُلقيت فوق مدينة ناغازاكي اليابانية في التاسع من أغسطس عام 1945. تطلب التعقيد الموجود في التصميم جهدًا كبيرًا بذله مختبر لوس ألاموس الوطني، وقادت المخاوف حول إمكانية عمله إلى إجراء الاختبار النووي الأول. كان كينيث بينبريدج المخطط والمدير لهذا الاختبار.

البلوتونيوم (بالإنجليزية: Plutonium)‏هو معدن ثقيل جداً وعالي الكثافة، أكثف من الرصاص بـ 1,74 مرة تقريباً، مشعٌّ وسام، وعددهُ الذري 94، اكتُشفَ في الولايات المتحدة عام 1940 كحال اليورانيوم 235 فهو عنصر قابل للانشطار، الذي تُستَخدم طاقته لصناعة القنابل النووية ويستخدم في إنتاج الطاقة في بعض المفاعلات النووية يُستخدم أيضاً في المختبرات.

البلوتونيوم عُنصُر كيميائي ينتج حصريّاً منذ 1940 إلى يومنا هذا، ينتج البلوتونيوم من قذف نظير الديتيريوم على كتلة من اليورانيوم في المفاعلات النووية، نتيجة لتحول أجزاء من اليورانيوم (بواسطة انبعاث النيوترونات) الذي يكون الوقود النووي، المفاعل النووي ينتج تقريبا 0.8 ذرة بلوتونيوم 239 لكل انشطار من اليورانيوم 235، أي 1 غرام من البلوتونيوم تقريباً يوميًا.

البيريليوم هو عنصر كيميائي رمزه Be وعدده الذرّي 4. يقع البيريليوم في الجدول الدوري ضمن عناصر الدورة الثانية، وفي المجموعة الثانية على رأس الفلزّات القلويّة الترابيّة، وهو عنصر ثنائي التكافؤ وسام. إنّ وفرة هذا العنصر في الكون قليلة، وذلك بسبب قصر عمر تشكّله في النجوم، أمّا على سطح الأرض، فغالباً ما يوجد مرتبطاً مع عناصر أخرى على شكل معادن مختلفة. من الأمثلة على الأحجار الكريمة الحاوية على البيريليوم في تركيبها كلّ من البيريل (الزمرّد الأخضر أو الأزرق) وكريسوبيريل.

يوجد عنصر البيريليوم بشكله الحرّ على شكل فلزّ صلب، وله لون رمادي قريب للون الفولاذ، لكنّه خفيف وهشّ. بسبب خواصه المميّزة من حيث انخفاض الكثافة والعدد الذرّي، فإنّ له تطبيقات في مجال أبحاث الأشعّة والطاقة النوويّة، كما يستعمل البيريليوم بكثرة في تركيب السبائك المختلفة، والتي تستخدم في العديد من التطبيقات الهندسيّة والتقنيّة.

إدارة النفايات المشعة عالية المستوى تتعلق بالنفايات المشعة وكيفية التعامل مع المواد المشعة الناتجة أثناء إنتاج الطاقة النووية والأسلحة النووية. تحتوي النفايات المشعة على مزيج من نويدات قصيرة العمر وطويلة العمر، إضافة إلى نويدات غير مشعة. يتحدث تقرير عن ما يقارب 47 ألف طن من النفايات النووية عالية المستوى المخزّنة في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 2002.

تدرس الحكومات في جميع أنحاء العالم مجموعةً من خيارات إدارة النفايات والتخلص منها، وتحتوي عادةً مستودعات تخزين جيولوجية عميقة، على الرغم من تقدم محدود نحو تطبيق حلول على المدى البعيد لإدارة النفايات. يرجع هذا جزئيًا إلى أن الأطر الزمنية التي نواجهها عند التعامل مع النفايات المشعة تتراوح من 10 آلاف عام حتى مليون عام، بحسب دراسات عن تأثير الجرعات الإشعاعية المقدرة.