التفاعل المتسلسل والكتلة الحرجة

من المعروف أن نوى جميع العناصر تحتوي على بروتونات ونيوترونات ونسبة النيوترونات إلى البروتونات أعلى في النوى الثقيلة منها في النوى الخفيفة ، ويساعد ذلك على تخفيف شدة التنافر الكهربائي بين البروتونات في النواة . وكما نعلم أنه عند انشطار نواة اليورانيوم تنطلق منها طاقة هائلة بسبب طبيعة الترابط النووي ولكن هذه الطاقة لم تكن السبب الوحيد الذي جعل من عملية الانشطار ظاهرة ذات أبعاد خطيرة فالسبب الآخر الذي جعل لهذه الظاهرة دويها وصيتها وتطبيقاتها الهامة هو أنه عند انشطار النواة في حالة قذفها بالنيوترونات ينطلق منها نيوترونات أخرى تُؤدي بدورها إلى انشطار نوى أخرى وهكذا دواليك . وتُعرف هذه العملية باسم التفاعل المتسلسل .


وفي الواقع أن التفاعل المتسلسل ليس غريباً على التجربة البشرية ، فحرق قطعة من الخشب يُعتبر تفاعلاً كيميائياً متسلسلاً فعود الثقاب الذي أشعلنا به طرف قطعة الخشب زودها بالحرارة اللازمة للإشتعال أما بعد ذلك فإن الاحتراق يزود بقية أجزاء القطعة بالحرارة اللازمة لاستمرار وانتشار اللهب ، وهكذا يُولد الحريق حريقاً بشكل مستمر إلى أن يفنى الوقود .
والحال نفسه ينطبق على التفاعل النووى المتسلسل فالنيوترون الأول الذي أصاب إحدى نوى اليورانيوم أدى إلى انشطارها ومن ثم تحرير طاقة وإطلاق مزيداًُ من النيوترونات والتي تقوم بدورها بشطر أو فلق النوى المجاوره وهكذا إلى أن ينتهي الوقود النووى المتمثل في الكمية الموجودة من اليورانيوم .


ولكن أليس من الممكن أن تهرب بعض هذه النيوترونات أو تمتصها نواة اليورانيوم دون أن تنشطر ؟
إن هذا الأمر وارد ومحتمل ولذا من المهم توفير عدد كبير من نوى اليورانيوم إلى درجة تكفي لتأمين انشطار واحد على الأقل من كل انشطار سابق ، أي يقوم نيوترون واحد على الأقل من النيوترونات الناتجة عن انشطار سابق ببدء انشطار جديد .
وهذا يعني أن كتلة اليورانيوم يجب أن لا تقل عن مقدار معين حتى تستمر عملية التفاعل المتسلسل .


ويُطلق على هذه الكتلة اللازمة لاستمرار التفاعل المتسلسل اسم [ الكتلة الحرجة ] .


أما إذا كانت الكمية المستخدمة من اليورانيوم أكبر بكثير من الكتلة الحرجة فإن التفاعل سينمو بمعدل سريع جداً مما يؤدي إلى حدوث انفجار . وهذا هو المبدأ الذي تعتمد عليه ( القنبلة النووية ) حيث تُصنع كمية من اليورانيوم على شكل نصفي كرة تكون كتلة كل منهما أقل من الكتلة الحرجة وفي لحظة الانفجار المحدد تندفع الكتلتان نحو بعضهما لتتحولا إلى كتلة واحدة أكبر من الكتلة الحرجة ويتم الانفجار .
لقد تحقق أول تفاعل نووي متسلسل بواسطة العالم الإيطالي إنريكو فيرمي وفريقه العامل معه في جامعة شيكاغو بأمريكا ، وذلك في إطار المشاريع الخاصة بتطوير الأسلحة النووية التي أهتمت بها الحكومة الأمريكية في ضوء أحداث وتطورات الحرب العالمية الثانية .
وهذا كانت ولادة أول مفاعل نووي في العالم في اليوم الثاني من ديسمبر 1942 م في ملعب كرة القدم في جامعة شيكاغو حيث أنشأ فيرمي مختبر تجاربه النووية ، ونقلت تجربة شيكاغو عملية التفاعل المتسلسل من الورق إلى المعمل والواقع .