Beta Decay: The Core Process Powering Long-Lasting Radioactive Sources

وقد مكنت مصادر الطاقة المشعة بعض من أبرز إنجازات البشرية، من المساحات الفضائية العميقة التي تركت النظام الشمسي إلى أجهزة التسارع التي تحافظ على الحياة لعقود، ومن بين الأنواع العديدة من محولات الطاقة النويدية المشعة، يحتل كل من تلك التي تعتمد على البيتا مكانا فريدا بسبب توازنها في طول العمر، وكثافة الطاقة، وملامح السلامة، وفي قلب كل جهاز من هذه الأجهزة هو عملية نووية أساسية:

ويتحول التحلل الحاد إلى وسيلة محددة من وسائل التحول الإشعاعي، حيث يتحول النيترون داخل نواة غير مستقرة إلى بروتون (الديون الخفيف) أو بروتون إلى كبريت مباشر من الطيف النيوتروني (اللفل الفوقي) مصحوباً بانبعاثات مادة من مادة بيتا - إلكترون أو دواس - كربون مضاد للتحلل أو مادة النيتروجينية الجديدة.

ويحكم معدل التحلل البيتا بنصف عمر النظائر التي يمكن أن تتراوح بين ثانية وقرون، أما بالنسبة لتطبيقات الطاقة، فيجب أن يكون النظائر نصف العمر يكفي لتوفير الطاقة المستدامة على مدى فترة البعثة المقررة، مع أن ذلك قصير بما يكفي لتوفير كثافة طاقة مفيدة.

وتبحث هذه المادة الدور المحوري الذي يؤديه تفكك البيتا في تحديد طول مصادر الطاقة المشعة وسلامتها، ونستكشف الفيزياء ذات الصلة، ونمسح النظائر المستخدمة أكثر من غيرها، ونصف المبادلات الهندسية بين إنتاج الطاقة وعمرها، ونحدد تدابير السلامة الصارمة اللازمة لمعالجة المواد التي تستخدم في كل مكان.

فيزياء بيتا ديكي في تحويل الطاقة

بيتا - مينوس وبيتا - بلوس

[LT:] eFLT: - [FLT:]) decay, a neutron (n) transforms into a proton (p

الطاقة الكبريتية وثدي الطاقة

فالطاقة التي تُطلق في خضم البيتا تتقاسم بين جزيئات بيتا و(نتي) النيوترينو) وتتفاعل بشكل ضعيف بحيث تُستهلك جزءا كبيرا من طاقة التحلل، التي عادة ما تكون 30 في المائة - 50 في المائة، وتفقد من مصدر للطاقة، ويبدو أن الطاقة المتبقية هي طاقة حركية من جزيئات بيتا، التي تُنثر بعد ذلك كدفاع من خلال الاصطدامات المحتوية على المواد المحيطة.

For betaic devices, where beta particles directly strike a semiconductor junction to produce electricity, the particle energy must be carefully matched to the semiconductor’s bandgap and radiation tolerance. Tooenergetic betas can damage the plastic lattice, reducing conversion efficiency over time. Isotopes such as

طول العمر: كيف تحدد بيتا ديساي مدى الحياة التشغيلية

نصف العمر و القوة

أما عمر تشغيل مصدر للطاقة المشعة فيحدده في المقام الأول نصف عمر النظائر المستخدمة، وبعد نصف عمر، ينخفض ناتج الطاقة إلى 50 في المائة من قيمته الأولية؛ وبعد نصف عمر من العمر إلى 25 في المائة، وما إلى ذلك، وبالنسبة للبعثات التي يجب أن تستمر عقوداً أخرى، مثل مستكشفي فويغر، الذين يعملون منذ أكثر من 45 عاماً ونصف العمر تقريباً، فإن من الضروري وجود نظام متعدد الأطراف من نوع Plutonium-238.

  • Strontium-90] (نصف العمر 28.8 سنة): يستخدم في أجهزة الأشعة السيوفييتية للمنافذ ومراكز الطقس النائية، ويعطي نصف العمر المتوقع (إلى 90 Y، وهو أيضاً جهاز توليد طاقة من نوع بيتا، نصف عمر منخفض بدرجة معقولة عن 30 سنة، ولكن الوسائل 28.8.
  • Cesium-137] (نصف الحياة 30.2 سنة): Produced in nuclear fission; used in medical and industrial irradiators, but rarely as a primary power source because of its strong gamma emission (from the metastable 137mBa daughter), which adds shielding mass.
  • Promethium-147] (نصف الحياة 2-62 سنة): مُنَحِّة من البِيتا (E]max = 225 كيلوفولت) تستخدم في بطاريات التسارع الفولطية الفولطية المبكرة، وجهاز نصف العمر القصير محدوداً لمدة خمس سنوات، وإن تحولت النماذج لاحقاً إلى
  • Nickel-63] (نصف الحياة 100.1 سنة): مُنَاضِر طويل الأمد جداً مع إلكترونات منخفضة الطاقة، وهو مرشح رئيسي لجيل القادم من " البطاريات الذكية " المصممة لمجسات القوى والميكرونات لمدة قرن دون إعادة شحنها.

التجارة بين طول العمر وكثافة الطاقة

(أ) لا يمكن عملياً أن يُجرى مبادلات أساسية: فالنظير الذي يحتوي على نصف عمر طويل جداً له نشاط محدد منخفض (بشكل كل غرام) وبالتالي فإن كثافة الطاقة منخفضة، مثلاً 63]Ni ينتج حوالي 0.006 W/g من الطاقة الحرارية، في حين (90) [منتجات FLT:

Decay Chains and Daughter Products

A complicating factor for longevity is that many beta emitters decay into other radioactive isotopes, which can themselves emit harmful radiation or accelerate the degradation of the power source. Strontium-90 decays to yttrium-90, which in turn decays via ß−

السلامة: الدرع، والتعامل، والتصرف في المصادر ذات التخفيف

Shielding Against Beta Particles and Bremsstrahlung

وتُحدث الجسيمات البيتا أكثر من الجسيمات ألفا، ولكنها أقل تغلغلاً من أشعة غاما.() وتُوقف المواد ذات الأشعة المنخفضة (التي تقل عن 200 كيلو فولت) بواسطة عدد قليل من المواد البلاستيكية أو الزجاجية أو الألومنيوم.() غير أن ارتفاع مستويات الطاقة، مثل تلك التي تُنتج من 90 [FLT:V1]()

الاحتواء والتحلل

(ب) لا يجوز أن تحتوي جميع مصادر الطاقة المشعة على النظير في شكل ثابت من الناحية الكيميائية وغير قابل للتحلل، وبالنسبة لمسببات البيتا، يجب أن يتحمل الاحتواء أيضاً الضغط الداخلي من غاز الهيليوم الذي ينتجه التحلل الأبجدي (إن وجد) أو من التحلل الإشعاعي، ويمكن أن تسبب الحرارة الناتجة عن التحلل الحراري، كما أن الجسيمات البيتا نفسها يمكن أن تلحق الضرر بمواد الحاويات على مر الزمن، مما يؤدي إلى تسربات.

التعرض البشري والتأثير البيئي

أما الخطر الرئيسي للإشعاع من مصدر ملوث في الهواء فهو التعرض الخارجي للجسيمات البيرتا، التي يمكن أن تسبب حروقاً، وخصائص، وخطراً متزايداً بسرطان الجلد، وإذا كان المصدر مستغلاً أو مستنشقاً (مثلاً، فإن المواد الجاهزة التي وضعتها الوكالة الدولية للطاقة الذرية)()٩٠( ]و[العملية الصنعية: ١] يمكن أن تحل محل النسيج الرئوي(

وترد أدناه روابط خارجية بالمصادر الموثوقة من أجل المزيد من القراءة:

تطبيقات مصادر الطاقة القائمة على أساس بيتا

الفضاء وبحوث الأرض

Beta emitters such as 90]Sr have been used in hundreds of RTGs deployed across the former Soviet Union to power lighthouses, navigation beacons, and meteorological stations in remote, inaccessible locations. Many of these units are now aged and pose significant safety and security risks, leading to international recovery projects. In space, the European Space Agency(41)

المزيجات الطبية

Implantable cardiac pacemakers have been powered by plutonium —238 (alpha) and by 147Pm (beta). The 147Pm betavoltaic electricity used in early pacemakers provided a 5year the acceptable at the time

البطاريات الدقيقة الفولطية

خلايا زراعية - صلبة أساساً في الولايات - أن كهرباء الحصاد من مُنْحدة من البيتا - قد شهدت نهضة في العقد الماضي، حيث أن شركات مثل مختبرات المدينة (ميامي، فلوريد الكبريت) وجامعة بريستول قد أظهرت خلايا تجارية تستخدم فيها 63.

الاتجاهات المستقبلية والابتكارات المادية

أما التقدم في مجال علوم المواد فيدفع حدود ما يمكن أن يوفره هذا البلوط، ويمكن أن يؤدي الباحثون الجدد الذين يصابون بمرض تسارع حراري، مثل الباحثون الذين يتفوقون على الثروات، إلى تحويل الحرارة من خزعة إلى كهرباء بدرجة أكبر من الكثافة التراكمية للثديين الحرارية المستخدمة في أجهزة التردد " فويغر " .

وثمة اتجاه واعد آخر يتمثل في استخدام النظائر ذات البيوت المحتوية على البيتا والتي هي منتجات ثانوية لإعادة معالجة الوقود النووي المستهلك، مثل 137 ]Cs و 90 [متعددة الأطراف] Sr. Separating and encapsulating these waste products into longlived power sources could concur reduce the waste volume of nuclear

وأخيراً، فإن حالة السلامة لمصادر الطاقة المشعة في الفضاء آخذة في التطور، إذ أن المبادئ التوجيهية الجديدة المتعلقة بوكالة ناسا والوكالة الأوروبية للطاقة الذرية تقتضي أن تنجو مجموعات الغازات المحتوية على قاذفات الإطلاق، وانفصال الرحلات الجوية، وتردد عالي السرعة دون إطلاق أي مواد مشعة، وقد تكون النظم القائمة على مادة بيتا - مزية هنا لأن وقودها (مثلاً، شركة سبيرتيو (FLT:0)().

خاتمة

إنّ التحلل البدائي هو محرك ثانوي لكن قويّ من حيث الأداء والكشف عن مخاطر مصادر الطاقة المشعة، ويحدّد مدى قدرة الجهاز على توفير الطاقة المفيدة، وما هي الحاجة إلى توفير الحماية، وكيف أنّ المصدر يعمل على مدى عقود من العمل، ويتخلّص من البقايا الـ30ية التي تُستخدم في 90](أ)