الطاقة/الطاقة النووية

من ويكي الكتب
اذهب إلى التنقل اذهب إلى البحث
« الطاقة
الطاقة النووية
»
الطاقة الشمسية الطاقة الكهربائية

هي الطاقة التي تربط بين مكونات النواة أي ( بروتونات أو نيترونات ) وهي تنتج نتيجة تكسر تلك الرابطة حيث يجري الانشطار النووي الذي يولد حرارة هائلة تولد البخار الذي يدير المولدات الكهربائية أو محركات السفن والغواصات لكن مشكلة هذه المفاعلات النووية تكمن في نفاياتها المشعة واحتمال حدوث تسرب إشعاعي أو انفجار المفاعل كما حدث في مفاعل تشيرنوبل الشهير عام 1986م ثم كارثة فوكوشيما عام 2011م حيث بدا العالم يتراجع عن الطاقة النووية باستثناء الصين.

الطاقة النووية[عدل]

الطاقة النووية، طاقة الذرة : بدأت قصة الذرة بتجربة وذلك عندما كان وليام كروكس يبحث في سلوك الكهرباء في الهواء وعلى ضغط منخفض وكان جهازه مكوناً من أنبوب من زجاج مفرغ من الهواء يمرُّ فيه سلكان متصلان بتوتر عالٍ. بدأ التيار الكهربائي بالتحرك داخل الأنبوب وتم اكتشاف الأشعة الكاثودية المؤلفة من الإلكترونات. وكان لابد بعد ذلك من انتظار اكتشاف المواد الأشعة بواسطة بيكريل الفرنسي. وتتكون مادة هذا الكون من مجموعة من العناصر الكيميائية لكل منها خواصها الفيزيائية والكيميائية المتميزة حيث يتكون كل عنصر من وحدات متناهية في الصغر تسمى ذرات. وللذرة شكل كروي ويختلف نصف قطر الذرة من عنصر إلى آخر.

ويوجد مركز الذرة النواة وهي أصغر من حجم الذرة بحوالي عشرة آلاف مرة , وتحتوي النواة على جسيمات أولية هي:

  • البروتون : وهو ذو شحنة موجبة قيمتها وكتلة تساوي 1.007277 amu.
  • النيوترون : وهو متعادل الشحنة وكتلته 1.008665 amu.

والجزء الأكبر من الذرة يعتبر فراغ، وهناك قوة هائلة تربط بين النيوكلونات المكونة للنواة وتمنعها من الخروج من حيز النواة على الرغم من وجود التنافر بين البروتونات وتعرف هذه القوة بقوة الربط النووي وتتميز بأنها أكبر بكثير من جميع القوى المعروفة مثل قوة الجاذبية أو القوة الكهربية وهي ذات مدى محدود جداً. إذ أنها توجد فقط داخل النواة وتنعدم خارجها. وتحتوي أنوية العنصر الواحد على نفس العدد من البروتونات إلاّ أنها قد تحتوي على أعداد مختلفة من النيوترونات ويقال في هذه الحالة إن للعنصر الواحد عدة نظائر. وحيث أن الخواص الكيميائية للعنصر تعتمد على العدد الذري فتكون الخصائص الكيميائية لنظائر العنصر الواحد ثابتة.

كما وجد أن النشاط الإشعاعي الطبيعي لا ينحصر في أنوية اليورانيوم بل يوجد في كثير من الأنوية خاصة الثقيلة منها وتقسم الأنوية من حيث النشاط الإشعاعي إلى نوعين :

  • أنوية مستقرة: وهي عبارة عن الأنوية التي لا ينبعث منها أي إشعاعات بصورة طبيعية.
  • أنوية غير مستقرة: وهي الأنوية التي لها نشاط إشعاعي بصورة طبيعية.

وتتميز جميع الأنوية ذات العدد الذري الكبير بالنشاط الإشعاعي وذلك بسبب زيادة عدد البروتونات في النواة عن عدد النيوترونات مما يزيد قوة التنافر بين البروتونات ذات الشحنات المتشابهة مما يؤدي إلى تفكك النواة عن طريق انبعاث الإشعاعات. والنشاط الإشعاعي للأنوية الثقيلة أهمية في إحداث تفاعلات الانشطار والاندماج النووي ومن ثم يمكن اعتباره وقوداً نووياً.

الانشطار النووي والاندماج النووي[عدل]

تفاعل الانشطار النووي لليورانيوم-235 بواسطة النيوترون.

توجد هناك طريقتان لإطلاق طاقة الذرة وهي طريقة الانشطار النووي وطريقة الانصهار النووي وهاتين الطريقتين تعتمد أساساً على مبدأ أن أنوية الذرات متوسطة الحجم أكثر استقراراً من الأنوية الكبيرة جداً أو الأنوية الصغيرة جداً أي أن انشطار نواة ذرة اليورانيوم 237 يمكن أن تنشطر إلى عدة أنوية متوسطة الحجم بتعرضها لسيل من النيوترونات وتطلق كمية عالية من الطاقة ويسمى بالانشطار النووي. أما عندما تندمج نويات بعض العناصر مثل الديتريوم والتريتيوم ليكونا ذرة أكبر وتطلق طاقة عالية فيسمى هذا التفاعل بالاندماج النووي .

المفاعلات النووية[عدل]

تتم عملية الانشطار للنواة في جهاز خاص يعرف بالمفاعل النووي والمهمة الرئيسية للمفاعل هو التحكم في عملية الانشطار وإطلاق الطاقة الناتجة بصورة تدريجية حتى يمكن الاستفادة من تلك الطاقة للأغراض السلمية وتجنب حدوث الأخطاء. ويوجد نوعان من المفاعلات الحرارية والمفاعلات السريعة والاختلاف بين النوعين هو أن الأول يعطي طاقة هيئة حرارية يمكن استغلالها في توليد البخار وفي بعض الأغراض الصناعية وفي توليد الكهرباء. أما النوع الثاني من المفاعلات فهي تستطيع أن توفر كمية من الإشعاع يمكن استعماله في صنع بعض النظائر المشعة التي تستخدم في علاج بعض الأمراض وبعض التطبيقات العملية وكذلك لإنتاج بعض أنواع الوقود النووي الأخرى .

استخدام الطاقة النووية[عدل]

تشكل الطاقة النووية المستخدمة اليوم كمية ضئيلة من مقدار الطاقة المستخدمة في العالم ولقد ساهمت الطاقة النووية بجزء أكبر في قطاع الطاقة الكهربية حيث وصلت إلى 16 % عام 1986 م ويتوقع أن تصل هذه النسبة إلى 35 % عام 2000 م. وللمفاعلات النووية فوائد أخرى غير توليد الكهرباء فقد استخدمت المفاعلات في تسيير السفن والغواصات واستخدمت في تحضير بعض النظائر المشعة التي لا توجد في الطبيعة وستخدم هذه النظائر في الطب لعلاج بعض الأمراض .

البطارية النووية ومبدأ اشتعالها[عدل]

أنها عبارة عن مفاعل نووي ويسمى بالفرن لأن الغاية منه ومن التفاعل الذي يحدث فيه، إنما هي إنتاج الحرارة لاستخدامها في إنتاج الكهرباء. ويرتكز اشتعال الطاقة النووية عملياً على تفاعل أساسي هو انشطار إحدى ذرات اليورانيوم الذي تحتوي نواته على (235) جزئية أو نويَّات. فعندما تصطدم نواة اليورانيوم بنيوترون، تنشق إلى قسمين لهما نفس الوزن وهذا الانشطار لا يخضع لقانون مسبق وإنما لقوانين الاحتمالات والصدف مما يجعل نوى الأجسام الناتجة عن الانشطار تختلف بين مرة وأخرى ولكنها تنحصر بمجموعها في منتصف جدول تصنف العناصر المعروف. وإذا قمنا بحساب لمجموع وزن الذرتين الحاصلتين والنيوترونات الناتجة لوجدنا رقماً ينقص قليلاً عن وزن ذرة اليورانيوم (235) ،وهذا الوزن المفقود يساوي كمية الطاقة الناتجة عن الانشطار وفقاً لمعادلة انشتاين ويمكن إرجاعها إلى أشعة جاما أو إلى الطاقة الناتجة عن تسارع شظايا الانشطار. لكن هذه الشظايا أو المخلفات هي بحد ذاتها غير مستقرة أي أنها تعطي إشعاعات مختلفة وبالتالي تتحلل إلى جزيئات مختلفة وإلى كميات من الطاقة حتى تتوصل أخيراً إلى وضع ثابت أي مستقر وذلك خلال فترة من الوقت تختلف باختلاف أنواعها. ونعود الآن إلى كمية الطاقة المحررة حيث أنها كمية هائلة جداً حيث أن ذرة واحدة من اليورانيوم (235) قادرة على إعطاء طاقة تعادل (200) مليون إلكترون فولت أي أن جراماً واحداً منه يعطي ما يعادل (200000) كيلو وات – ساعة. والانشطار النووي كما قلنا يكون عادة مصحوباً بإعطاء عدد معين من النيوترونات بمعدل (2,5) نيوترون لكل انشطار تقريباً وذلك تكون الظروف ملاءمة حيث أن إحداث تفاعلات جديدة تنتهي عادة بالتفاعل النووي المستمر أي المتسلسل. إلا أن شروط أيجاد نوع من هذا التفاعلات القدرة على إعطاء كميات كبيرة من الطاقة ذات إمكانيات ضئيلة ويتطلب تحقيقها إعداداً تقنياً مدروساً ومعقداً .

البرامج النووية وأنواع المفاعلات[عدل]

قلب مفاعل "كروكاس" CROCUS وهو مفاعل نووي صغير للأبحاث العلمية في مدرسة دي لوزان الاتحادية للفنون التطبيقية EPFL في سويسرا.

إن إنتاج الحرارة داخل مفاعل نووي عادي يتم بواسطة انشطار ذرة اليورانيوم من جراء اصطدامها بالنيوترونات التي يتوجب تخفيف سرعتها من أجل زيادة احتمالات الانشطار نفسه وهذا هو دور الكابح. أما الحرارة فينبغي تصريفها للخارج لإدارة محرك بخاري وإنتاج الكهرباء. وهذا هو دور السائل المبرد والسائل الناقل للحرارة. لذا فالمجموعة المكونة من الكابح، والسائل الناقل للحرارة، ونوع معين من الوقود تشكل طريقة معينة أو نموذجاً معيناً لإعطاء الطاقة من الطاقة النووية ويمكن أن نتخيل عدد لا يحصى من هذه النماذج. لكن المعمول به اليوم هو عدد محدد منها. وهي تنقسم فيما بينها سوق المفاعلات ذات القدرة العالية كما يلي :

  • المفاعل العامل بالمياه المضغوطة (Pressurized water Reactor)

وهو يستخدم اليورانيوم الغني بنسبة (2 إلى 4 %) مقابل (0,7 %) في اليورانيوم الطبيعي، وهذه المفاعلات تبرد وتكبح فيها النيوترونات بالماء الطبيعي وهذه المياه تحفظ تحت ضغط معين لتحافظ على حالة السيولة على درجات مرتفعة من الحرارة أثناء خروجها من المفاعل. ثم تنقل حرارتها إلى دورة مياه ثانية حيث لا تلبث أن تمر بحالة الغليان وتعمل على إدارة المحركات. وهذا النوع منتشر كثيراً في كافة أرجاء العالم.

  • المفاعل العامل بالمياه الغالية (Boiling water Reactor ; B.W.R)

وهو بحد ذاته منافس للأول ولا يختلف عنه إلا ببساطة دورات المياه لأنها غير مضغوطة وبالتالي فإنها تغلي وتساهم في إدارة التوربينات بطريقة مباشرة.

  • المفاعلات من نوع (CANDU).
  • المفاعل الذي يعمل بالغرافيت والغاز: وهو مفاعل يعمل باليورانيوم الطبيعي والكابح فيه هو الغرافيت والمبرد هو ثاني أكسيد الكربون.
  • المفاعل ذو الحرارة المرتفعة (High Temp. Reactor .H.T.R): وهو يستخدم مزيجاً من اليورانيوم الغني والتوريوم. والكابح فيه من الغرافيت، والسائل المبرّد هو الهليوم. وهذا النوع يستطيع توليد درجة عالية من الحرارة وبالتالي يتيح تحسين المردود في إنتاج الكهرباء .
  • المفاعل العامل بالنيوترونات السريعة: المبرّد هو الصوديوم السائل ولا يوجد هنا كابح .

طاقة الاندماج النووي أو (الانصهار النووي)[عدل]

اندماج نووي

المصدر الآخر للطاقة الذي تتوجه إليه أنظار الدول المتقدمة هو الانصهار الحراري المضبوط فهو مصدر للطاقة كان منذ عشرين سنة محطة آمال الجميع وفي الوقت نفسه كانت المشاكل الناجمة عنه موضع تساؤل من الجميع. فقد قام العلماء بإنشاء عدد كبير من الآلات بهدف التوصل إلى ترويض تفاعلات الانصهار الحراري. حيث يأمل الإنسان أن يكون قادراً على تغذية شبكاته الكهربائية بمفاعلات تعمل على مبدأ الانصهار الحراري. ولكي تتحد البروتونات أو النويات ببعضها البعض ينبغي توفر شروط في الضغط والحرارة وهي نفسها الموجودة داخل النجوم والتي تتلخص بضغط يعادل ملايين المرات مقدار الضغط الجوي ودرجة حرارة تساوي مئات الملايين من الدرجات وقد تحقق بالفعل في المختبرات بتحقق شرط واحد.

والطاقة النووية المستخدمة في الوقت الحاضر للأغراض السلمية يتم توليده عن طريق تفاعل الانشطار أما تفاعل الاندماج فما زالت استخداماته لتوليد الطاقة في الأغراض السلمية موضع البحث والتطوير ويرجع السبب في ذلك لوجود بعض الصعوبات الفنية في إيجاد مواد مناسبة لبناء المفاعلات التي يتم فيها التفاعل الاندماجي بحيث يتحمل الحرارة الهائلة التي يجب توفيرها لإحداث النشاط الاندماجي التي تقدر بملايين الدرجات المئوية. وقد صحب إنتاج الطاقة النووية توسعاً هائلاً في تطبيقات التقنيات النووية في مختلف المجالات كالطب والزراعة والصناعة وهذا بحد ذاته ثمرة التوسع في استغلال الطاقة النووية فأجهزة الفحص والتحليل والمعالجة التي تطبق النووية يكاد لا يخلو منها أي مستشفى متقدم وعمليات التعقيم للإبر والأدوات الطبية تجري الآن على نطاق واسع وذلك عن طريق تعريضها لحزم من أشعة جاما لإبادة الجراثيم والميكروبات. غير أن كثيراً من التطبيقات النووية تستخدم الآن في مكافحة الحشرات والآفات الزراعية وفي تحسين نوعية المحاصيل الزراعية، وقياس التربة والرطوبة وفي مجالات مصادر المياه الجوفية وغيرها من الاستخدامات التي لا يمكن حصرها. والتوسع في إنتاج الطاقة النووية لا يعني أنها وسيلة مأمونة فهناك الكثير من العوامل التي تحدّ من تعميمها وانتشارها فأخطار الأشعة على البيئة والإنسان عاقة في الأذهان وهي تبدأ في مناجم استخراج وتعدين الوقود النووي مارّة بعمليات تشغيل المفاعلات النووية التي لا تخلو من تعرض العاملين فيها لجرعات إشعاعية وتنتهي بمشكلات التخلص من النفايات والمخلفات الإشعاعية التي تزداد وتتعقد مع التوسع في إنتاج الطاقة النووية التي وصلت إلى حوالي 5% من كمية الطاقة المستهلكة في عام 1980 م. ثم من المتوقع أن تصل إلى حوالي 19% في عام 2000م .