اكتشاف وخصائص بلوتونيوم-238
تم اكتشاف بلوتونيوم-238 لأول مرة في عام 1941 من قبل فريق بقيادة جلين سيبورج في جامعة كاليفورنيا، بيركلي. نتج هذا الاكتشاف عن قصف اليورانيوم بالديوترونات في السيكلوترون. يعتبر بلوتونيوم-238 من العناصر الاصطناعية، أي أنه لا يوجد بشكل طبيعي على الأرض بكميات كبيرة، بل يتم إنتاجه في المفاعلات النووية.
الخصائص الفيزيائية والكيميائية:
- العدد الذري: 94 (يمثل عدد البروتونات في نواة الذرة)
- الكتلة الذرية: 238.0495596 وحدة كتل ذرية موحدة
- عمر النصف: 87.7 سنة
- نمط الاضمحلال: اضمحلال ألفا (إطلاق جسيمات ألفا)
- الطاقة الناتجة عن الاضمحلال: حوالي 0.56 واط حراري لكل جرام
إن انبعاث جسيمات ألفا هو النمط الرئيسي لاضمحلال بلوتونيوم-238. هذه الجسيمات عبارة عن نوى هيليوم عالية الطاقة، لكن مداها قصير نسبيًا ولا يمكنها اختراق الجلد. ومع ذلك، يشكل بلوتونيوم-238 خطرًا إذا تم استنشاقه أو ابتلاعه، حيث يمكن أن يؤدي إلى تلف الأنسجة الداخلية بسبب الإشعاع.
إنتاج بلوتونيوم-238
يتم إنتاج بلوتونيوم-238 بشكل أساسي عن طريق قصف النبتونيوم-237 بالنيوترونات في المفاعلات النووية. النبتونيوم-237 هو نفسه منتج ثانوي من تشغيل المفاعلات النووية التي تستخدم اليورانيوم كوقود.
الخطوات الرئيسية في عملية الإنتاج:
- تشعيع النبتونيوم-237: يتم وضع النبتونيوم-237 في مفاعل نووي وتعريضه لتدفق كثيف من النيوترونات.
- التقاط النيوترونات: يلتقط النبتونيوم-237 نيوترونًا، متحولاً إلى نبتونيوم-238.
- الاضمحلال: يتحلل النبتونيوم-238 بسرعة عن طريق اضمحلال بيتا إلى بلوتونيوم-238.
- المعالجة والفصل: يتم بعد ذلك فصل البلوتونيوم-238 عن المواد الأخرى الموجودة في المفاعل وتنقيته.
تعتبر عملية الإنتاج معقدة وتتطلب تقنية متقدمة لضمان نقاء البلوتونيوم-238 المنتج. يعتبر النقاء أمرًا بالغ الأهمية لضمان الأداء الأمثل في التطبيقات التي تتطلب مصدر طاقة موثوقًا به.
استخدامات بلوتونيوم-238
تعتبر القدرة العالية على إنتاج الحرارة من خلال الاضمحلال الإشعاعي هي الخاصية الأساسية التي تجعل بلوتونيوم-238 ذا قيمة في العديد من التطبيقات. تشمل أبرز استخداماته:
- المولدات الحرارية النظائرية المشعة (RTGs): هذه المولدات تحول الحرارة الناتجة عن اضمحلال بلوتونيوم-238 إلى كهرباء باستخدام تأثير Seebeck. تستخدم RTGs على نطاق واسع في مهمات الفضاء لاستكشاف الكواكب والأقمار، حيث تكون مصادر الطاقة الشمسية غير عملية أو غير كافية.
- منظمات ضربات القلب: تاريخياً، تم استخدام بلوتونيوم-238 في منظمات ضربات القلب، ولكن بسبب المخاوف المتعلقة بالسلامة والتكلفة، تم استبداله ببطاريات الليثيوم في معظم الحالات.
- مسخنات الفضاء: يمكن استخدام بلوتونيوم-238 لتوفير الحرارة للحفاظ على دفء الأجهزة الإلكترونية في البيئات الفضائية الباردة.
المولدات الحرارية النظائرية المشعة (RTGs):
تعتبر RTGs من أهم استخدامات بلوتونيوم-238. تعتمد هذه المولدات على مبدأ بسيط: يتم وضع البلوتونيوم-238 داخل حاوية معزولة، وتستخدم الحرارة الناتجة عن اضمحلاله لتشغيل مولد كهربائي حراري. هذا المولد يتكون من أشباه موصلات تحول الحرارة مباشرة إلى كهرباء. تتميز RTGs بالموثوقية العالية وعمر الخدمة الطويل، مما يجعلها مثالية للاستخدام في الفضاء.
أمثلة على مهمات فضائية تستخدم RTGs:
- مركبة الفضاء فوياجر 1 و 2: أطلقت في عام 1977 ولا تزال تعمل حتى اليوم، وتستخدم RTGs لتوفير الطاقة لأجهزتها العلمية.
- مركبة الفضاء كاسيني: استكشفت كوكب زحل وأقماره، واعتمدت على RTGs لتوفير الطاقة خلال مهمتها الطويلة.
- مركبة الفضاء مارس روفر كيوريوسيتي: تستخدم RTG لتوفير الطاقة اللازمة لاستكشاف سطح المريخ.
- مركبة الفضاء نيو هورايزونز: حلقت بالقرب من بلوتو واستمرت في استكشاف حزام كايبر، وتعتمد على RTG لتشغيل أجهزتها.
السلامة والمخاطر
على الرغم من فوائد بلوتونيوم-238، فإنه يشكل مخاطر صحية وبيئية يجب أخذها في الاعتبار. تشمل المخاطر الرئيسية:
- السمية الإشعاعية: بلوتونيوم-238 مادة مشعة، والتعرض للإشعاع يمكن أن يزيد من خطر الإصابة بالسرطان والأمراض الأخرى.
- التلوث البيئي: في حالة وقوع حادث يؤدي إلى إطلاق بلوتونيوم-238 في البيئة، يمكن أن يلوث التربة والمياه، مما يؤدي إلى مشاكل صحية طويلة الأجل.
- خطر الانتشار النووي: على الرغم من أن بلوتونيوم-238 ليس مناسبًا لصنع الأسلحة النووية بنفس سهولة بلوتونيوم-239، إلا أنه لا يزال مادة تخضع لرقابة صارمة لمنع استخدامه في أغراض غير سلمية.
إجراءات السلامة:
لتقليل المخاطر المرتبطة ببلوتونيوم-238، يتم اتخاذ تدابير سلامة صارمة أثناء الإنتاج والنقل والاستخدام. تشمل هذه التدابير:
- الحاويات المحكمة: يتم تخزين ونقل بلوتونيوم-238 في حاويات مصممة خصيصًا لمنع التسرب في حالة وقوع حادث.
- المراقبة الإشعاعية: يتم إجراء مراقبة إشعاعية منتظمة لضمان عدم وجود تلوث إشعاعي.
- تدريب العاملين: يتم تدريب العاملين الذين يتعاملون مع بلوتونيوم-238 على إجراءات السلامة المناسبة.
- الرقابة الحكومية: تخضع جميع جوانب إنتاج واستخدام بلوتونيوم-238 لرقابة صارمة من قبل الهيئات الحكومية لضمان الامتثال للوائح السلامة.
التحديات والآفاق المستقبلية
على الرغم من أهمية بلوتونيوم-238 في العديد من التطبيقات، إلا أن هناك بعض التحديات التي تواجه إنتاجه واستخدامه. أحد أكبر التحديات هو محدودية الإمدادات. بسبب توقف إنتاج بلوتونيوم-238 في الولايات المتحدة لعدة سنوات، هناك نقص في هذه المادة، مما يؤثر على بعض مهمات الفضاء. ومع ذلك، استأنفت الولايات المتحدة إنتاج بلوتونيوم-238 بكميات صغيرة، وهناك جهود جارية لزيادة الإنتاج لتلبية الطلب المتزايد.
الآفاق المستقبلية:
تشمل الآفاق المستقبلية لبلوتونيوم-238:
- زيادة الإنتاج: تهدف الجهود الحالية إلى زيادة إنتاج بلوتونيوم-238 لتلبية الطلب المتزايد، خاصة من وكالات الفضاء مثل ناسا.
- تطوير تقنيات جديدة: يجري البحث والتطوير لتقنيات جديدة لتحسين كفاءة RTGs وتقليل كمية بلوتونيوم-238 المطلوبة.
- استخدامات جديدة: قد تظهر استخدامات جديدة لبلوتونيوم-238 في مجالات مثل الطب والطاقة، مع استمرار البحث والتطوير.
خاتمة
بلوتونيوم-238 هو نظير مشع مهم يستخدم كمصدر للطاقة في تطبيقات مختلفة، أبرزها المولدات الحرارية النظائرية المشعة المستخدمة في مهمات الفضاء. على الرغم من المخاطر المرتبطة به، يتم اتخاذ تدابير سلامة صارمة لضمان استخدامه بشكل آمن. مع استمرار الجهود لزيادة الإنتاج وتطوير تقنيات جديدة، من المتوقع أن يظل بلوتونيوم-238 مادة ذات قيمة في المستقبل.