مفاعل نووي

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
نموذج لمفاعل نووي ويظهر فيه صهريج وقلب المفاعل وقضبان التحكم في التفاعل وسوائل التبريد.
قلب مفاعل "كروكاس" CROCUS وهو مفاعل نووي صغير للأبحاث العلمية في مدرسة دي لوزان الاتحادية للفنون التطبيقية EPFL في سويسرا.

المفاعل النووي هو عبارة عن جهاز يستخدم لبدء تفاعل نووي متسلسل مُسْتَدَام وللتحكم فيه، أو بتعبير أدق للسيطرة عليه. فمن خلال السيطرة على عمليات الانشطار النووي المتسلسلة داخل قلب المفاعل مع الحفاظ على الأجواء المناسبة لاستمرار تلك العمليات بشكل دائم دون وقوع انفجارات، تنساب الطاقة النووية من المفاعل بشكل تدريجي.والمفاعل النووي، المعروف سابقا باسم كومة ذرية، هو جهاز يستخدم لبدء والتحكم في رد فعل سلسلة نووية مستدامة. وتستخدم المفاعلات النووية في محطات الطاقة النووية لتوليد الكهرباء ودفع السفن. يتم نقل الحرارة من الانشطار النووي إلى السوائل العاملة (الماء أو الغاز)، الذي يمر عبر التوربينات البخارية. هذه إما دفع مراوح السفينة أو تحويل المولدات الكهربائية. ويمكن استخدام البخار المولود نوويا من حيث المبدأ للحرارة العملية الصناعية أو لتسخين المناطق. وتستخدم بعض المفاعلات لإنتاج نظائر للاستخدام الطبي والصناعي، أو لإنتاج البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة. يتم تشغيل بعض فقط للبحث. وحتى نيسان / أبريل 2014، أبلغت الوكالة الدولية للطاقة الذرية عن وجود 435 مفاعلا للطاقة النووية في 31 بلدا حول العالم[1]

بشكل عام، هناك نوعان من المفاعلات النووية، نوع يستخدم في محطات الطاقة النووية لتوفير الطاقة اللازمة لإنتاج الكهرباء ومن الأمثلة عليه مفاعل ڤي ڤي إي آر، كما يستخدم أيضاً في تسيير السفن. وتعمل تلك المفاعلات عند درجات حرارة عالية. وفيها يتم تمرير الحرارة الناتجة من الانشطار النووي إلى سوائل التشغيل (ماء أو غاز)، التي تمر بدورها عبر توربينات. وتقوم تلك التوربينات بتحريك مراوح السفينة أو بتدوير المولدات الكهربائية. ويمكن استخدام البخار المتولد من تلك المفاعلات من حيث المبدأ في الأغراض الصناعية أو استخدام الحرارة المتولدة لتدفئة المناطق المدنية.

أما النوع الآخر من المفاعلات فتعمل على توفير الإشعاع الذري، والذي يستخدم لإنتاج الوقود النووي أو لعمل نظائر مشعة لاستخدامها في الطب أو لأغراض صناعية. كما يستخدم لأغراض البحث العلمي ولأغراض أخرى مثل تحويل عناصر كيميائية معينة إلى عناصر أخرى أو لإزالة الأملاح والمعادن من الماء للحصول على الماء النقي أو لإنتاج البلوتونيوم لتصنيع الأسلحة النووية.

جميع المفاعلات النووية تتكون من وعاء ثقيل يشبه الصهريج أو الخزَّان يحوى داخلة "قلب" Core من الوقود النووي. معظم المفاعلات تحتوي أيضاً على "مُهَدِّئ" Moderator لإبطاء سرعة النيوترونات إلى النقطة التي يمكن عندها جعل التفاعل المتسلسل يدوم دون أن يتوقف أو يزيد عن الحد. كل المفاعلات تحتوى أيضاً على "مُبَرِّد" Coolant للتخلص من الحرارة الناتجة عن التفاعل النووي، ما عدا المفاعلات ذات الطاقة المنخفضة جداً. ويتم تنظيم سرعة التفاعل النووي أو "السيطرة عليه" من خلال "نظام للتحكم" Control System. كما تُفْرَض احتياطات للسلامة صارمة جداً في تشغيل المفاعلات، ومعالجة منتوجات التفاعل الثانوية المشعة والتخلص من النفايات الخطرة.

ويتوقع بعض الخبراء نقصاً في الطاقة الكهربائية في المستقبل البعيد نتيجة ظاهرة الانحباس الحراري التي تسببها الانبعاثات الناتجة عن الأنشطة البشرية مثل الانبعاثات الناتجة عن عمليات تكرير النفط ومحطات توليد الطاقة وعوادم السيارات وغيرها. لذا فهناك اعتقاد سائد بان الطاقة النووية هي السبيل الأمثل لسد هذا النقص في المستقبل.

الآلية[عدل]

يحدث انشطار نووي مستحث. ويتم امتصاص النيوترون بواسطة نواة ذرة اليورانيوم -235، والتي تنقسم بدورها إلى عناصر أخف وزنا تتحرك بسرعة (منتجات انشطارية) ونيوترونات حرة. وعلى الرغم من أن كل من المفاعلات والأسلحة النووية تعتمد على تفاعلات السلسلة النووية، فإن معدل التفاعلات في المفاعل يحدث ببطء أكبر بكثير مما يحدث في القنبلة.

ومثلما تولد محطات الطاقة التقليدية الكهرباء عن طريق تسخير الطاقة الحرارية المنبعثة من حرق الوقود الأحفوري، تحول المفاعلات النووية الطاقة التي يطلقها الانشطار النووي الخاضع للرقابة إلى طاقة حرارية لمزيد من التحول إلى أشكال ميكانيكية أو كهربائية.

الانشطار النووي[عدل]

ندما يمتص نواة ذرية انشطارية كبيرة مثل اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم -239 النيوترون، فإنه قد يخضع للانشطار النووي. وتنقسم النواة الثقيلة إلى نويتين أخف أو أكثر، (منتجات الانشطار)، وتطلق الطاقة الحركية، وإشعاع غاما، والنيوترونات الحرة. ويمكن بعد ذلك استيعاب جزء من هذه النيوترونات بواسطة ذرات انشطارية أخرى، ويؤدي إلى المزيد من أحداث الانشطار، التي تطلق المزيد من النيوترونات، وما إلى ذلك. ويعرف ذلك بتفاعل سلسلة نووية.

للسيطرة على مثل هذا التفاعل السلسلي النووي، يمكن للسموم النيوترونية و المشرفين النيوترون تغيير جزء من النيوترونات التي سوف تستمر لتسبب المزيد من الانشطار.[2] المفاعلات النووية عموما لديها أنظمة تلقائية ودليل لإغلاق رد فعل الانشطار إلى أسفل إذا رصد يكشف عن ظروف غير آمنة.[3] ومن بين المشرفين الذين يستخدمون عادة المياه العادية (الخفيفة) (74.8٪ من المفاعلات في العالم)، الجرافيت الصلبة (20٪ من المفاعلات) والمياه الثقيلة (5٪ من المفاعلات). وقد استخدمت بعض الأنواع التجريبية من المفاعل البريليوم، واقترحت الهيدروكربونات كإمكانية أخرى.

توليد الحرارة[عدل]

ويولد جوهر المفاعل الحرارة بعدة طرق: يتم تحويل الطاقة الحركية من منتجات الانشطار إلى الطاقة الحرارية عندما تصطدم هذه النوى مع الذرات القريبة. يمتص المفاعل بعض أشعة غاما المنتجة أثناء الانشطار ويحول طاقتها إلى حرارة. يتم إنتاج الحرارة من قبل الاضمحلال الإشعاعي من المنتجات الانشطار والمواد التي تم تفعيلها من قبل امتصاص النيوترونات. سيبقى هذا مصدر الحرارة الاضمحلال لبعض الوقت حتى بعد إيقاف تشغيل المفاعل. فالكيلوغرام من اليورانيوم 235 (U-235) المحول عن طريق العمليات النووية يطلق طاقة تزيد بثلاثة ملايين مرة تقريبا عن كيلوجرام من الفحم المحترق تقليديا (7.2 × 1013 جول لكل كيلوغرام من اليورانيوم 235 مقابل 2.4 × 107 جول لكل كيلوغرام من الفحم) .[4][5]

التبريد[عدل]

يتم تبريد المفاعل النووي - عادة بالماء ولكن أحيانا بالغاز أو المعدن السائل (مثل الصوديوم السائل) أو الملح المنصهر - جوهر المفاعل لامتصاص الحرارة التي يولدها. يتم حمل الحرارة بعيدا عن المفاعل ثم يتم استخدامها لتوليد البخار. معظم أنظمة المفاعلات تستخدم نظام تبريد مفصول فعليا عن الماء الذي سيتم غليه لإنتاج بخار مضغوط للتوربينات، مثل مفاعل الماء المضغوط. ومع ذلك، في بعض المفاعلات يتم غليان الماء للتوربينات البخارية مباشرة بواسطة جوهر المفاعل؛ على سبيل المثال مفاعل الماء المغلي.[6]

التحكم التفاعلي[عدل]

يتم ضبط انتاج الطاقة من المفاعل عن طريق التحكم في عدد النيوترونات قادرة على خلق المزيد من الانصهار. وتستخدم قضبان التحكم التي تتكون من السم النيوترون لامتصاص النيوترونات. امتصاص المزيد من النيوترونات في قضيب التحكم يعني أن هناك نيوترونات أقل المتاحة للتسبب الانشطار، لذلك دفع قضيب التحكم أعمق في المفاعل سوف يقلل من انتاج الطاقة، واستخراج قضيب التحكم وزيادة ذلك.

وفي المستوى الأول من السيطرة في جميع المفاعلات النووية، تعتبر عملية انبعاث النيوترونات المتأخرة من قبل عدد من نظائر الانشطار الغنية بالنيوترونات عملية مادية هامة. وتمثل هذه النيوترونات المتأخرة حوالي 0.65٪ من مجموع النيوترونات المنتجة في الانشطار، بينما يطلق الباقي (المسمى "النيوترونات السريعة") فور الانشطار. إن منتجات الانشطار التي تنتج النيوترونات المتأخرة لها حياة نصفية من أجل انحلالها بالانبعاثات النيوترونية التي تتراوح من ميلي ثانية إلى عدة دقائق، ولذلك يلزم وقت طويل لتحديد بالضبط متى يصل المفاعل إلى النقطة الحرجة. إن حفظ المفاعل في منطقة تفاعل السلسلة حيث تكون النيوترونات المتأخرة ضرورية لتحقيق حالة كتلة حرجة تسمح للأجهزة الميكانيكية أو المشغلين البشريين بالتحكم في سلسلة من التفاعلات في الوقت الحقيقي. وإلا فإن الوقت الفاصل بين إنجاز الحرجة والانهيار النووي نتيجة لانتشار القوة الهائل من تفاعل السلسلة النووية العادي، سيكون قصير جدا للسماح بالتدخل. هذه المرحلة الأخيرة، حيث لم تعد هناك حاجة النيوترونات تأخر للحفاظ على الحرجة، ويعرف باسم النقطة الحرجة السريعة. هناك مقياس لوصف الحرجة في الشكل العددي، حيث تعرف الحرجة العارية باسم الدولار الصفر والنقطة الحرجة الفورية هي دولار واحد، والنقاط الأخرى في عملية محرف في سنتا.

في بعض المفاعلات، يعمل المبرد أيضا كوسيط نيوتروني. ويزيد المشرف من قوة المفاعل عن طريق التسبب في فقدان النيوترونات السريعة التي تنطلق من الانشطار من الطاقة وتصبح نيوترونات حرارية. النيوترونات الحرارية هي أكثر عرضة من النيوترونات السريعة لتسبب الانشطار. إذا كان المبرد هو مشرف، ثم التغييرات درجة الحرارة يمكن أن تؤثر على كثافة المبرد / مشرف وبالتالي تغيير انتاج الطاقة. وسيكون المبرد العالي درجة الحرارة أقل كثافة، وبالتالي مشرفا أقل فعالية.

في المفاعلات الأخرى يعمل المبرد كسم من خلال امتصاص النيوترونات بنفس الطريقة التي تقوم بها قضبان التحكم. في هذه المفاعلات يمكن زيادة انتاج الطاقة عن طريق تسخين المبرد، مما يجعله سم أقل كثافة. ولدى المفاعلات النووية عموما أنظمة تلقائية ودليلية لتدوير المفاعل في حالة الطوارئ. هذه الأنظمة تدخل كميات كبيرة من السم (غالبا البورون في شكل حمض البوريك) في المفاعل لإيقاف تفاعل الانشطار إلى أسفل إذا تم الكشف عن ظروف غير آمنة أو المتوقع.[7]

معظم أنواع المفاعلات حساسة لعملية تعرف باسم تسمم الزينون، أو حفرة اليود. المنتج الانشطار المشترك زينون-135 المنتجة في عملية الانشطار بمثابة سم النيوترونات التي تمتص النيوترونات وبالتالي تميل إلى إيقاف المفاعل إلى أسفل. ويمكن السيطرة على تراكم زينون 135 من خلال الحفاظ على مستويات الطاقة عالية بما فيه الكفاية لتدميره عن طريق امتصاص النيوترون بأسرع ما يتم إنتاجه. وينتج الانشطار أيضا اليود 135، الذي بدوره يتحلل (مع نصف عمر 6.57 ساعة) إلى زينون 135 الجديدة. عندما يتم إيقاف المفاعل، يستمر اليود 135 في التحلل إلى زينون-135، مما يجعل إعادة تشغيل المفاعل أكثر صعوبة لمدة يوم أو يومين، حيث يتحلل الزينون 135 إلى السيزيوم -135، وهو ليس ساما تقريبا مثل الزينون- 135، مع نصف عمر 9.2 ساعة. هذه الحالة المؤقتة هي "حفرة اليود". إذا كان لدى المفاعل قدرة تفاعل إضافية كافية، فيمكن إعادة تشغيله. كما يتم تحويل زينون-135 إضافية إلى زينون-136، وهو أقل بكثير من السم النيوترون، في غضون ساعات قليلة المفاعل تجربة "عابرة زينون (الطاقة) عابرة". قضبان التحكم يجب أن تضاف إلى استبدال امتصاص النيوترون من المفقودين زينون-135. وكان عدم اتباع هذا الإجراء على النحو الصحيح خطوة رئيسية في كارثة تشيرنوبيل.[8]

ولا يمكن في كثير من الأحيان تشغيل المفاعلات المستخدمة في الدفع البحري النووي (وخاصة الغواصات النووية) في قوة مستمرة على مدار الساعة بنفس الطريقة التي تعمل بها عادة مفاعلات الطاقة البرية، وبالإضافة إلى ذلك كثيرا ما تحتاج إلى أن تكون لها حياة أساسية طويلة جدا دون التزود بالوقود. ولهذا السبب تستخدم العديد من التصاميم اليورانيوم عالي التخصيب، ولكنها تتضمن سموم النيوترون القابل للاحتراق في قضبان الوقود.[9] ويسمح ذلك بتشييد المفاعل بفائض من المواد الانشطارية التي تكون مع ذلك آمنة نسبيا في وقت مبكر من دورة حرق الوقود في المفاعل من خلال وجود المادة التي تمتص النيوترونات والتي تحل محلها في وقت لاحق سموم النيوترون طويلة العمر المنتجة ( أطول بكثير من زنون-135) التي تتراكم تدريجيا على تشغيل حمولة الوقود.

توليد الطاقة الكهربائية[عدل]

وتولد الطاقة المنبعثة في عملية الانشطار حرارة، ويمكن تحويل بعضها إلى طاقة قابلة للاستعمال. وهناك طريقة مشتركة لتسخير هذه الطاقة الحرارية هي استخدامه لغلي الماء لإنتاج البخار المضغوط الذي سيؤدي بعد ذلك إلى دفع توربين بخاري يحول المولد ويولد الكهرباء.[7]

المفاعلات المبتكرة[عدل]

يعد شيكاغو بايل أول مفاعل نووي، والذي بني في سرية في جامعة شيكاغو في عام 1942 خلال الحرب العالمية الثانية كجزء من مشروع مانهاتن في الولايات المتحدة

تم اكتشاف النيوترون في عام 1932. وقد أدرك عالم المجرية ليو زيلارد في عام 1933 مفهوم تفاعل السلسلة النووية الناجم عن التفاعلات النووية التي توسطت بالنيوترونات بعد ذلك بوقت قصير. وقدم براءة اختراع لفكرته عن المفاعل البسيط التالي بينما كان يعمل في الأميرالية في لندن.[10] ومع ذلك، فإن فكرة زيلارد لم تدمج فكرة الانشطار النووي كمصدر نيوتروني، لأن هذه العملية لم تكتشف بعد. أثبتت أفكار زيلارد للمفاعلات النووية باستخدام تفاعلات السلسلة النووية بوساطة النيوترون في العناصر الخفيفة أنها غير قابلة للتطبيق.

ليز مايتنر وأوتو هان في مختبراتهم.

وقد جاء الإلهام لنوع جديد من المفاعلات باستخدام اليورانيوم من اكتشاف ليز مايتنر وفريتز ستراسمان وأوتو هان في عام 1938 أن قصف اليورانيوم بالنيوترونات (الذي قدمه رد فعل الانصهار ألفا على البريليوم، وهو "هاوتزر النيوترون") أنتج باريوم بقايا، التي كان سببها تم إنشاؤها عن طريق الانشطار من نوى اليورانيوم. وكشفت الدراسات اللاحقة في أوائل عام 1939 (أحدها من قبل زيلارد وفيرمي) أن العديد من النيوترونات تم إطلاقها أيضا أثناء الانشطار، مما أتاح الفرصة لتفاعل السلسلة النووية التي تصورها زيلارد قبل ست سنوات.

في 2 أغسطس 1939 وقع ألبرت أينشتاين رسالة إلى الرئيس فرانكلين روزفلت (كتبها زيلارد) تشير إلى أن اكتشاف انبعاث اليورانيوم يمكن أن يؤدي إلى تطوير "قنابل قوية جدا من نوع جديد"، مما يعطي دفعة لدراسة المفاعلات والانشطار. كان زيلارد وآينشتاين يعرفان بعضهما البعض بشكل جيد، وقد عملا معا منذ سنوات، لكن أينشتاين لم يفكر مطلقا في هذه الإمكانية للطاقة النووية حتى ذكرت سيلارد له، في بداية سعيه لإنتاج رسالة أينشتاين - زيلارد لتنبيه الحكومة الأمريكية .

بعد فترة وجيزة، غزت ألمانيا هتلر بولندا في عام 1939، بدءا من الحرب العالمية الثانية في أوروبا. الولايات المتحدة لم تكن رسميا في حالة حرب، ولكن في تشرين الأول / أكتوبر، عندما تم تسليم رسالة أينشتاين - زيلارد له، وعلق روزفلت أن الغرض من إجراء البحث هو التأكد من "النازيين لا تفجيرنا". وتابع المشروع النووي الأمريكي، على الرغم من بعض التأخير حيث ظلت هناك شكوك (بعضها من فيرمي) وأيضا عمل قليل من عدد قليل من المسؤولين في الحكومة الذين اتهموا في البداية بتحريك المشروع إلى الأمام.

في العام التالي تلقت حكومة الولايات المتحدة مذكرة فريشش-بيرلز من المملكة المتحدة، التي ذكرت أن كمية اليورانيوم اللازمة لسلسلة من ردود الفعل كانت أقل بكثير مما كان يعتقد سابقا. وكانت المذكرة نتاجا للجنة مود، التي كانت تعمل على مشروع القنبلة الذرية في المملكة المتحدة، والمعروفة باسم سبائك الأنبوبة، في وقت لاحق أن تندرج ضمن مشروع مانهاتن.

فريق شيكاغو بايل، بما في ذلك إنريكو فيرمي و زيو زيلارد.

في نهاية المطاف، تم بناء أول مفاعل نووي اصطناعي، شيكاغو بايل -1، في جامعة شيكاغو، من قبل فريق بقيادة إنريكو فيرمي، في أواخر عام 1942. بحلول هذا الوقت، تم الضغط على البرنامج لمدة عام من قبل دخول الولايات المتحدة في الحرب. حقق شيكاغو بايل أهمية حاسمة في 2 ديسمبر 1942 [11] في 3:25 مساء. وكان هيكل دعم المفاعل من الخشب، الذي يدعم كومة (ومن ثم اسم) كتل الجرافيت، جزءا لا يتجزأ من الذي هو أكسيد اليورانيوم الطبيعي "بسيودوسفيرز" أو "قوالب".

بعد فترة وجيزة من شيكاغو بايل، طور الجيش الأمريكي عددا من المفاعلات النووية لمشروع مانهاتن ابتداء من عام 1943. وكان الغرض الرئيسي لأكبر المفاعلات (الموجود في موقع هانفورد في ولاية واشنطن) هو الإنتاج الضخم للبلوتونيوم للأسلحة النووية . قدم فيرمي وسيلارد طلبا للحصول على براءة اختراع على المفاعلات في 19 ديسمبر 1944. وتأخر إصدارها لمدة 10 سنوات بسبب السرية في زمن الحرب.[12]

"أول محطة للطاقة النووية في العالم" هي المطالبة التي أدلى بها علامات في موقع إبر-I، الذي هو الآن متحف بالقرب من أركو، ايداهو. كان يسمى أصلا "شيكاغو بايل -4"، تم تنفيذه تحت إشراف والتر زين لمختبر أرغون الوطني.[13] هذا لمفر التجريبية التي تديرها لجنة الطاقة الذرية الأمريكية أنتجت 0.8 كيلوواط في اختبار في 20 ديسمبر 1951 [14] و 100 كيلو واط (الكهربائية) في اليوم التالي،[15] وجود تصميم تصميم 200 كيلوواط (الكهربائية).

وإلى جانب الاستخدامات العسكرية للمفاعلات النووية، كانت هناك أسباب سياسية لاستخدام المدنيين للطاقة الذرية. وألقى الرئيس الأمريكي دوايت آيزنهاور خطابه الشهير "الذرات من أجل السلام" إلى الجمعية العامة للأمم المتحدة في 8 كانون الأول / ديسمبر 1953. وأدت هذه الدبلوماسية إلى نشر تكنولوجيا المفاعلات إلى المؤسسات الأمريكية وفي جميع أنحاء العالم ([16]).

كانت أول محطة للطاقة النووية التي بنيت لأغراض مدنية محطة الطاقة النووية أوبينسك آم-1، التي أطلقت في 27 يونيو 1954 في الاتحاد السوفيتي. أنتجت حوالي 5 ميغاواط (الكهربائية).

المكونات[عدل]

HPR1000, reactor coolant system.png
غرفة المراقبة للمفاعل النووي.

المكوّنات الرئيسية الشائعة في أكثر أنواع محطات الطاقة النووية هي:

يتكون المفاعل النووي من الأجزاء التالية:

  1. مركز المفاعل أو قلب المفاعل وهو الجزء الذي يحتوي على وحدات الوقود النووي وتتم فيه سلسلة الانشطار النووي.
  2. السائل المهدئ moderator ويستعمل الماء عادة لخفض سرعة النيوترونات وبالتالي معدل الانشطار النووي كما أنه ينقل الحرارة الناتجة من التفاعل النووي ويتحول جزء منه إلى بخار عال الضغط، يستغل في تشغيل التوربين.
  3. حاويات تحيط بقلب المفاعل والماء، مصنوعة من الحديد الصلب ذات جدران سميكة(نحو 25 سم)، للاحتفاظ بضغط البخار عاليا، ولمنع تسرب الإشعاعات الناتجة من الانشطار النووي إلى الخارج والوقاية منها. يخرج بخار الماء بضغط يبلغ 400 ضغط جوي وتكون درجة حرارته نحو 450 درجة مئوية بواسطة أنابيب متينة من حاوية المفاعل، وهي تسمى أحيانا خزان الضغط للمفاعل .
  4. مبادلات حرارية يأتي البخار عالى الضغط من المفاعل إلى المبادلات لفصل دائرتي الماء، الدائرة الأولية التي تلف في المفاعل وهذه تكون عالية الإشعاع نظرا لتلامسها مع الوقود النووي. لذلك تُفصل عن الدائرة الثانوية للماء الساخن المضغوط، ويتحول هذا الماء في الدائرة الثانوية عند مغادرته المبادل الحراري إلى بخار ماء عالي الضغط والحرارة ويوجه إلى توربين لتوليد الكهرباء.
  5. مولد كهربائي عملاق يديره التوربين ويولد التيار الكهربائي.

بذلك تتحول الطاقة النووية إلى طاقة حرارية ثم إلى طاقة حركة للتوربين والمولد الكهربائي الذي يحولها إلى طاقة كهربائية لتشغيل المصانع وإنارة المنازل.

نبذة تاريخية[عدل]

يعتبر إنريكو فيرمي عالم في الفيزياء من إيطاليا والذي حاز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1938 وغادر إيطاليا بعد صعود الفاشية على سدة الحكم واستقر في نيويورك في الولايات المتحدة من أوائل من اقترحوا بناء مفاعل نووي حيث اشرف مع زميله ليو زيلارد Leó Szilárd الذي كان يهوديا من مواليد هنغاريا على بناء أول مفاعل نووي في العالم عام 1942 وكان الغرض الرئيسي من هذا المفاعل هو تصنيع الأسلحة النووية. في عام 1951 تم وللمرة الأولى إنتاج الطاقة الكهربائية من مفاعل أيداهو في الولايات المتحدة، بينما قام الإتحاد السوفيتي ببناء أول محطة نووية في العالم لإنتاج الطاقة الكهربية وهي محطة أوبنينسك النووية عام 1954[17]

الحالة الحرجة[عدل]

بهدف تحفيز سلسلة عمليات الانشطار النووي في مركز المفاعل النووي، يستعمل ما يسمى بالوقود النووي وهو في الغالب اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239. والفكرة تكمن في تحفيز انشطار أنوية ذرات اليورانيوم-235 والبلوتونيوم-239 لايصالهما إلى مرحلة ما يسمى الكتلة الحرجة.

لتوضيح مفهوم الكتلة الحرجة تصوّر أن هناك كرة بحجم قبضة اليد مصنوعة من يورانيوم-235، بعد تحفيز أولي لعملية الانشطار النووي بواسطة تسليط حزمة من النيوترون على الكرة سيتولد في المتوسط عدد 2.5 من النيوترونات جراء هذا الانشطار الأول لنواة ذرة اليورانيوم-235. وهذا يكون كافياً لبدء انشطار ثانٍ في نواة أخرى من اليورانيوم-235. وأثناء هذه التفاعلات التسلسلية من الانشطارات في اليورانيوم يُفقد الكثير من النيوترونات الناتجة عن التفاعل وتخرج من سطح كرة اليورانيوم، وبفقد تلك النيوترونات يتوقف التفاعل النووي. لهذا يجب أن يكون معدل توليد النيوترونات داخل الكرة مساوٍ على الأقل لعدد النيوترونات المتسربة إلى الخارج حتى تستمر عمليات الانشطار، وتسمى تلك الحالة الحالة الحرجة. وهنا يأتي دور الكتلة الحرجة التي يمكن تعريفها بالحد الأدنى من كتلة مادة نووية معينة كافية لدوام سلسلات متعاقبة من الانشطارات.

إذا كان العنصر المستخدم في عملية الانشطار النووي ذو كتلة يتطلب تسليطاً مستمراً بالنيوترونات لتحفيز الانشطار الأولي للنواة فإن هذه الكتلة تسمى بالكتلة دون الحرجة.

إذا كان العنصر المستخدم في عملية الانشطار النووي ذو كتلة قادرة على تحمل سلسلات متعاقبة من الانشطار النووي حتى بدون أي تحفيز خارجي بواسطة تسليط نيوترونات خارجية فيطلق على هذه الحالة الكتلة فوق الحرجة وهي المرحلة المطلوبة لتصنيع القنبلة النووية.

الكعكة الصفراء

تعتبر كل من أستراليا وكازاخستان وكندا وجنوب أفريقيا والبرازيل وناميبيا من أكبر الدول المصدرة لليورانيوم، ويباع عادة بسعر يتراوح من 80 - 100 دولار للكيلوغرام الواحد وبعد الحصول عليه يتم طحنه وتحويله إلى ما يسمى بالكعكة الصفراء التي يتم تحويلها فيما بعد إلى هيكسافلوريد اليورانيوم uranium hexafluoride ويتم بعد ذلك عملية تخصيب اليورانيوم.

تخصيب اليورانيوم[عدل]

عملية التخصيب عبارة عن عزل نظائر عناصر كيميائية محددة Isotope separation من عنصر ما لغرض زيادة تركيز نظائر أخرى للحصول على مادة تعتبر مشبعة بالنظير المطلوب على سبيل المثال عزل نظائر معينة من اليورانيوم الطبيعي للحصول على اليورانيوم المخصب واليورانيوم المنضب. وتتم عملية التخصيب على مراحل حيث يتم في كل مرحلة عزل كميات أكبر من النظائر الغير مرغوبة حيث يزداد العنصر تخصيبا بعد كل مرحلة لحد الوصول إلى نسبة النقاء المطلوبة.

على سبيل المثال اليورانيوم المخصب عبارة عن يورانيوم تمت زيادة نسبة نظائر اليورانيوم-235 فيه وازالة النظائر الأخرى. وعملية التخصيب هذه صعبة ومكلفة وتكمن الصعوبة ان النظائر الذي يراد ازالتها من اليورانيوم شبيهة جدا من ناحية الوزن للنظائر الذي يرغب بالإبقاء عليها وتخصيبها ويتم عملية التخصيب باستخدام الحرارة عبر سائل أو غاز لتساهم في عملية عزل النظائر الغير المرغوبة وهناك طرق أخرى أكثر تعقيدا كاستعمال الليزر أو الأشعة الكهرومغناطيسية.

وتبلغ نسبة اليورانيوم-235 الذي يراد تخصيبه من اجمالي ذرة اليورانيوم الطبيعي نسبة 0.7% فقط ولكن هذا الجزء هو المرغوب فيه لكونه اخف من ناحية الكتلة من الأجزاء الأخرى من اليورانيوم الطبيعي. الجزء المتبقي من اليورانيوم الطبيعي بعد استخلاص جزء اليورانيوم-235 يسمى اليورانيوم-238. تم تخصيب اليورانيوم لأول مرة في الولايات المتحدة بعد الحرب العالمية الثانية حيث تم بناء 3 من المفاعلات النووية في ولايات تينيسي وأوهايو وكنتاكي وكانت الطريقة المستعملة عبارة عن ضخ كميات كبيرة من اليورانيوم على شكل غاز يورانيوم هيكسافلوريد uranium hexafluoride إلى حواجز ضخمة تحوي على ملايين الثقوب الصغيرة جدا وبهذه الطريقة يتم انتشار اليورانيوم-235 (وهو الجزء المطلوب) بسرعة أكبر نسبة إلى اليورانيوم-238 (وهو الجزء الغير مرغوب فيه لكونه أثقل) وتم استغلال الفرق في سرعة الأنتشار وجمع كميات هائلة من اليورانيوم-235 وتمتلك الولايات المتحدة يورانيوم مخصب من النوع العالي الخصوبة بنسبة 90%. ومن أساليب التخصيب الأخرى الأسلوب الذي يعرف بالترشيح ويعتمد هذا الأسلوب على أنه بين النظيرين الموجودين في غاز سداسي فلوريد اليورانيوم، فإن اليورانيوم-235 ينتشر بسرعة أكثر عبر مرشح خاص عن السرعة التي ينتشر بها النظير الأثقل، اليورانيوم-238. وكما هو الحال مع أسلوب الطرد المركزي، يلزم تكرار هذه العملية مرات عديد

وتقاس قدرة محطات تخصيب اليورانيوم في شروط 'وحدات أعمال الفصل أو وحدة فصل. وحدة فصل وحدة معقدة وهي وظيفة من كمية اليورانيوم المعالج (أي مدى الزيادة في تركيز نظير اليورانيوم 235 بالنسبة للفترة المتبقية) ومستوى استنفاد الباقي. وحدة بشكل صارم : كيلو مفرق وحدة العمل، وأنه يقيس كمية من أعمال الفصل تنفيذ لتخصيب كمية معينة من اليورانيوم مبلغ معين. فإنه يدل بالتالي من الطاقة المستخدمة في تخصيب اليورانيوم عندما يتم التعبير عن كميات الأعلاف والمنتجات في كمية الحجم. على سبيل المثال، لإنتاج كيلوغرام واحد من اليورانيوم المخصب إلى 5 ٪ يو - 235 يتطلب 7،9 وحدة فصل إذا تم تشغيل المصنع في ذيول فحص 0،25 ٪، أو وحدة فصل 8،9 إذا كان فحص ذيول هو 0،20 ٪ (مما يتطلب سوى 9،4 كيلوغرام بدلا من 10،4 كيلوغرام من النواة الطبيعية). هناك دائما المفاضلة بين تكلفة وحدة فصل وتخصيب اليورانيوم تكلفة.

المشاكل وتدوير المواد النووية[عدل]

المشكلة الكبرى تكمن في كيفية التخلص من المخلفات النووية الناتجة في المفاعلات النووية. وعادة ما يوضع اليورانيوم المستهلك في احواض مائية كبيرة لمدة عشرات السنين لغرض تخفيض أشعاعها النووي إلى حد يسهل معاملتها صناعيا بعد ذلك. وعندها يمكن اختيار طريقة من بين طريقتين لمعاملتها : أما تجهيزها وتغليفها استعدادا لدفنها في الطبقات الجيولوجية العميقة (على عمق 800 إلى 1000 متر) تحت الأرض بعيدا عن السكان، أو الطريقة الأخرى وتتضمن معالجة اليورانيوم المستهلك كيميائيا لفصل البلوتونيوم-239 عن النفايات المشعة. بعد ذلك يمكن استغلال البلوتونيوم-239 في تصنيع كبسولات جديدة يمكن اعادة استخدامها في المفاعل لتوليد الطاقة الكهربائية، إذ أن البلوتونيوم-239 له نفس الخواص النووية التي يتميز بها اليورانيوم-235 ويصلح لإنتاج الطاقة الكهربائية. أما النفايات المتبقية من المعاملة الكيميائية فيمكن التخلص منها أولا بخلطها بمسحوق الزجاج ثم صهر المخلوط فتصبح النفايات محتجزة في الزجاج الذي يـُصب في أوعية أسطوانية من الحديد الصلب أرتفاعها 120 سم وقطرها 40 سم. وتخزن تلك الأسطوانات شديدة الإشعاع إلى حين بناء المطرح النهائي للتخلص منها تحت الأرض. والمهم في الطريقة الثانية لمعالجة اليورانيوم المستهلك أنها طريقة لتدوير المواد النووية لاستعادة استخدامها من خلال العملية الكيميائية لفصلها عن النفايات المشعة.وقد اختارت أنجلترا وفرنسا هذا الطريق لما له من فائدة نحو تدوير المواد النووية وإعادة استخدامها. وتقوم كل من إنجلترا في سيلافيلد Sellafield وفرنسا في لاهاج La Hague بتدوير المواد النووية المستهلكة الناتجة من تشغيل مفاعلاتهم.

تاريخ الطاقة[عدل]

تاريخ الطاقة مصطلح يدل على طاقة مفاعل نووي خلال فترة طويلة من الزمن. تاريخ الطاقة مهم للحسابات والعمليات الخاصة بحرارة الانحلال والغازات السامة الناتجة عن الانشطار.

على سبيل المثال المفاعل النووي الذي عمل بـ 100% طاقة لمدة 100 ساعة ثم تراجع إلى 20% طاقة لمدة 5 ساعات سينتج كمية مختلفة من حرارة الانحلال والغازان الناتجة عن الانشطار عن المفاعل المماثل الذي عمل بـ 20% طاقة لمدة 105 ساعات لأن المفاعل الثاني له تاريخ طاقة مختلف عن الآخر.

اقرأ أيضا[عدل]

مراجع[عدل]

  1. ^ Newman, Jay (2008). Physics of the Life Sciences. Springer. p. 652. ISBN 978-0-387-77258-5.
  2. ^ "DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory" (PDF). US Department of Energy. Archived from the original (PDF) on 23 April 2008. Retrieved 24 September 2008.
  3. ^ "Reactor Protection & Engineered Safety Feature Systems". The Nuclear Tourist. اطلع عليه بتاريخ 25 September 2008. 
  4. ^ "Bioenergy Conversion Factors". Bioenergy.ornl.gov. Archived from the original on 27 September 2011. Retrieved 18 March 2011.
  5. ^ Bernstein, Jeremy (2008). Nuclear Weapons: What You Need to Know. Cambridge University Press. p. 312. ISBN 978-0-521-88408-2. Retrieved 17 March 2011.
  6. ^ "How nuclear power works". HowStuffWorks.com. Retrieved 25 September 2008.
  7. ^ أ ب "Reactor Protection & Engineered Safety Feature Systems". The Nuclear Tourist. Retrieved 25 September 2008.
  8. ^ "Chernobyl: what happened and why? by CM Meyer, technical journalist." (PDF). Archived from the original (PDF) on 11 December 2013.
  9. ^ Tsetkov, Pavel; Usman, Shoaib (2011). Krivit, Steven, ed. Nuclear Energy Encyclopedia: Science, Technology, and Applications. Hoboken, NJ: Wiley. pp. 48; 85. ISBN 978-0-470-89439-2.
  10. ^ L. Szilárd, "Improvements in or relating to the transmutation of chemical elements," British patent number: GB630726 (filed: 28 June 1934; published: 30 March 1936).
  11. ^ The First Reactor, U.S. Atomic Energy Commission, Division of Technical Information
  12. ^ Enrico, Fermi and Leo, Szilard U.S. Patent 2,708,656 "Neutronic Reactor" issued 17 May 1955
  13. ^ "Chicago Pile reactors create enduring research legacy – Argonne's Historical News Releases". anl.gov.
  14. ^ Experimental Breeder Reactor 1 factsheet, Idaho National Laboratory Archived 29 October 2008 at the Wayback Machine
  15. ^ "Fifty years ago in December: Atomic reactor EBR-I produced first electricity" (PDF). American Nuclear Society Nuclear news. November 2001.
  16. ^ "The Nuclear Option — NOVA | PBS". www.pbs.org. Retrieved 2017-01-12.
  17. ^ Nuclear power plants, world-wide

وصلات خارجية[عدل]