بحث حول الطاقه النوويه

الطاقه النوويه

الطاقة النووية
الطاقة النووية هي الطاقة التي تنطلق أثناء انشطار أو إندماج الأنوية
الذرية . وطاقة أي نظام سواء أكان فيزيائيا أو كيميائيا أو نوويا تحكمه
قدرة النظام علي القيام بشغل ما أو إطلاق حرارة أو اشعاعات بمكن أن تتحول
لشكل آخر من الطاقة . فالطاقة الكهربائية يمكن تحويلها لحرارة كما في
الدفايات أو لحركة كما في المراوح أو لضوء كما في المصباح المنير .



ادماج نووي وحتي عام 1800 كان الخشب الوقود الرئيسي وطاقته مستمدة من
الطاقة الشمسية المخزنة في النباتات أثنا ء حياتها . ومنذ الثورة الصناعية
أخذ الناس يعتمدون علي الوقود الأحفوري كالفحم الحجري والنفط والغاز
الطبيعي . وهذا الوقود مستمد من الطاقة الشمسية المخزونة . ولما يحرق
الوقود الأحفوري كما في إحتراق الفحم , فإن ذرات الهيدروجين والكربون في
الفحم تتحد بأكسجين الهواء ليعطي ماء وثاني أ@-@@-@@-@د الكربون وحرارة .
وهذه العملية عبارة عن تفاعلات كيميائية نتيجة للتغير الإلكتروني في تركيب
الذرات . والقوة النووية تشكل 20 % من الطاقة بالعالم . العلماء ينظرون
إلى الطاقة النووية كمصدر حقيقي لا ينضب للطاقة . وما يثير الشكوك حول
مستقبل الطاقة النووية هو التكاليف النسبية والمخاوف العامة المتعلقة
بالسلامة وصعوبة التخلص الآمن من المخلفات عالية الإشعاع.والاشعاع النووي
ان لم يكن قاتلا فهو يتسبب، في عاهات وتشوهات وإعاقات يصعب معالجتها.
وتنتج من تأثير الإشعاع النووي على مكونات الخلايا الحية نتيجة تفاعلات لا
علاقة لها بالتفاعلات الطبيعية في الخلية. وحجم الجرعة المؤثرة يختلف حسب
نوعية الكائنات فهناك حشرات، تموت عندما تمتص أجسامها طاقة نووية تصل فقط
20 وحدة جْرَايْ (جول لكل كيلو جرام من الجسم المعرض للإشعاع النوويGray =
J/kg ). وحشرات لا تموت إلا عندما تصل الجرعة إلى حوالي 3000 جرَايْ ( ضعف
الجرعة السابقة 150 مرة). و تأثر الثدييات يبدأ عند جرعة لا تزيد عن 2
جْراي، والفيروسات تتحمل جرعة تصل 200 جراي أي ضعف الجرعة المؤثرة على
الثدييات 100 مرة .وكمية النفايات المشعة نتيجة الانشطار النووي بمحطات
إنتاج الكهرباء بالمفاعلات النووية محدودة مقارنة بكمية النفايات بالمحطات
الحرارية التي تعمل بالطاقة الأحفورية كالنفط أو الفحم . فالنفايات
النووية تصل 3 ميليجرام لكل كيلو واط ساعة (3 mg/kWh) مقابل حوالي 700
جرام ثاني أ@-@@-@@-@د الكربون لكل كيلو واط ساعة بالمحطات الحرارية
العادية لكن هذه الكمية الصغيرة جدا من الإشعاع النووي قد تكون قاتلة أو
قد تتسبب في عاهات وتشوهات لا علاج لها. وقد تستمر فاعلية الإشعاعات لقرون
بل لآلاف السنين حتي يخمد هذا الإشعاع أو يصل إلى مستوى يعادل الإشعاع
الطبيعي. لهذا يحاول العلماء توليد الطاقة النووية عن طريق الإندماج
النووي a nuclear fusion بدلا من الإنشطار النووي "nuclear fission" الذي
فيه ذرات اليورانيوم تنشطر وتعطي برتونات protons ونيتراونات neutrons
وجسيمات دقيقة من الطاقة التي تولد الكهرباء . ومشكلة توليد الكهرباء من
المفاعلات النووية تتمثل في النفايات المشعة radioactive waste التي تسفر
عن العملية . وهذه النفايات ضارة بالبشر وهذا ما جعل العلماء يسعون للحصول
علي الطاقة عن طربق تقنبة الإندماج النووي التي تجلاي حاليا في الشمس
والتي تسفر عن نفايات مشعة قليلة . فمعظم الطاقة فوق الأرض تأتي أصلا من
الشمس عن طريق الإندماج النووي بداخلها بتحويل الهيدروجين إلي هيليوم
helium ومواد أخري . واثناء عملية الإندماج تتحول المادة إلي طاقة في شكل
حرارة وضوء .

[تحرير] محطات التوليد النووية
تعتبر محطات التوليد النووية Nuclear Power Station نوعا من محطات التوليد
الحرارية البخارية حبث تقوم بتوليد البخار بالحرارة.التي تتولد في فرن
المفاعل . والفرق في محطات التوليد النووية أنه بدل الفرن الذي يحترق فيه
الوقود يوجد الفرن الذري الذي يحتاج إلى جدار عازل وواق من الإشعاع الذري
وهو يتكون من طبقة من الآجر الناري وطبقة من المياه وطبقة من الحديد الصلب
ثم طبقة من الأسمنت تصل إلى سمك مترين وذلك لحماية العاملين في المحطة
والبيئة المحيطة من التلوث بالإشعاعات الذرية .




مفاعل بالماء المضغوطوالمفاعل الذري تتولد فيه الحرارة نتيجة انشطار ذرات
اليورانيوم بضربات الإلكترونات المتحركة في الطبقة الخارجية للذرة وتستغل
هذه الطاقة الحرارية الهائلة في غليان المياه في المراجل وتحويلها إلى
بخار ذات ضغط عال ودرجة مرتفعة جدا, باستعمال الطاقة الحرارية في تسخين
المياه في مراجل BOILERS) ) وتحويلها إلى بخار في درجة حرارة وضغط معين
.ثم يسلط هذا البخار على زعنفات أو توربينات بخارية صممت ليقوم البخار
السريع بتدوير محور التوربينات وبذلك تتحول الطاقة البخارية إلى طاقة
ميكانيكية على محور هذه التوربينات . ويربط محور المولد الكهربائي مع محور
التوربينات البخارية فيدور محور المولد الكهربائي (ALTERNATOR)بنفس السرعة
لتتولد على طرفي الجزء الثابت من المولد الطاقة الكهربائية اللازمة .
وكانت أول محطة توليد حرارية نووية في العالم نفذت في عام 1954 وكانت في
الاتحاد السوفيتي بطاقة 5 ميجاواط . عندما توصل العلماء الى تحرير الطاقة
النووية من بعض العناصر كاليورانيوم والبلوتونيوم. فوقود المفاعلات
النووية اليورانيوم المخصب بكمية تكفي لحدوث تسلسل تفاعلي انشطاري يستمر
من تلقاء ذاته. و الوقود يوضع في شكل حزم من قضبان طويلة داخل قلب المفاعل
الذي عبارة عن حجرة مضغوطة شديدة العزل. ويتم الانشطار النووي بها لتوليد
حرارة، لتسخين المياه وتكوين البخار الذي يدير زعانف التوربينات التي تتصل
بمولدات كهربائية . و يتم تغطيس الحزم في الماء للإبقاء عليها باردة . أو
استخدام ثاني أ@-@@-@@-@د الكربون أو معدن مصهور لتبريد قلب المفاعل. ويتم
إدخال قضبان تحكم في غرفة المفاعل، من مادة، الكادميوم، لتمتص النيوترونات
المتولدة من انشطار أنوية الذرات داخل المفاعل. فكلما تم تقليل
النيوترونات كلما تم تحجيم التفاعلات المتسلسلة بما يبطئ من عملية انشطار
ذرات اليورانيوم.وكان أول مفاعل نووي قد أقيم عام 1944في هانفورد بأمريكا
لآنتاج مواد الأسلحة النووية وكان وقوده اليورانيوم الطبيعي ةكان ينتج
البلوتونيوم ولم تكن الطافة المتولدة تستغل . ثم بنيت أنواع مختلفة من
المفاعلات في كل أنحاء العالم لتوليدالطاقة الكهربائية. وتختلف في نوع
الوقود والمبردات و الوسيط . وفي أمريكا يستعمل الوقود النووي في شكا
أ@-@@-@@-@د اليورانيوم المخصب حتي 3% باليورانيوم 235 والوسيط والمبرد من
الماء النقي وعذع الأنواع من المفاعلات يطلق عليها مفاعلات الماء الخفيف

[تحرير] تخصيب اليورانيوم
اليورانيوم هو المادة الخام الأساسية للبرامج النووية، المدنية والعسكرية.
ويستخلص من طبقات قريبة من سطح الأرض أو عن طريق التعدين من باطن الأرض.
ورغم أن مادة اليورانيوم توجد بشكل طبيعي في أنحاء العالم , لكن القليل
منه فقط يوجد بشكل مركز كخام. وحينما تنشطر ذرات معينة من اليورانيوم في
تسلسل تفاعلي بسمي بالانشطار النووي. ، ويحدث ببطء في المنشآت النووية،
وبسرعة هائلة في حالة تفجير سلاح نووي. و ينجم عن ذلك انطلاق للطاقة وفي
الحالتين يتعين التحكم في الانشطار تحكما بالغا. ويكون الانشطار النووي في
أفضل حالاته حينما يتم استخدام النظائر من اليورانيوم 235 (أو البلوتونيوم
239)، والمقصود بالنظائر هي الذرات ذات نفس الرقم الذري ولكن بعدد مختلف
من النيوترونات. ويعرف اليورانيوم-235 بـ"النظير الانشطاري" لميله
للانشطار محدثا تسلسلا تفاعليا، مطلقا الطاقة في صورة حرارية. وحينما
تنشطر ذرة من اليورانيوم-235 فإنها تطلق نيوترونين أو ثلاث نيوترونات.
وحينما تتواجد إلى جانبها ذرات أخرى من اليورانيوم-235 تصطدم بها تلك
النيوترونات مما يؤدي لانشطار الذرات الأخرى، وبالتالي تنطلق نيوترونات
أخرى. ولا يحدث التفاعل النووي إلا إذا توافر ما يكفي من ذرات
اليورانيوم-235 بما يسمح بأن تستمر هذه العملية كتسلسل تفاعلي يتواصل من
تلقاء نفسه. أو ما يعرف بـالكتلة الحرجة. غير أن كل ألف ذرة من اليورانيوم
الطبيعي تضم سبع ذرات فقط من اليورانيوم-235، بينما تكون الذرات الأخرى
الـ993 من اليورانيوم الأكثر كثافة ورقمه الذري يورانيوم-238.ومفاعلات
الماء الخفيف Light Water Reactors هي نوع من المفاعلات الإنشطارية
النووية The nuclear fission reactors التي تستعمل في الولايات المتحدة
الأمريكية لتوليد القوي الكهربائية وتستخدم الماء العادي كوسيط في التبريد
والتحويل لبخار لتشغيل التوربينات لتوليد الكهرباء من المولدات . وهذا
يتطلب تخصيب وقود اليورانيوم of the uranium fuel Enrichment واليورانيوم
الطبيعي يتكون من 7,% يورانيوم 235وهو نظير ينشطر و99,3%يورانيوم 238
لاينشطر . واليورانيوم الطبيعي يخصب ليصبح به 2,5- 3,5 % يورانيوم 235
القابل للإنشطار في مفاعلات الماء الخفيف التي تعمل بالولايات المتحدة
الأمريكية بينما مفاعلات الماء الثقيل the heavy water التي تعمل في كندا
تستخدم اليورانيوم الطبيعي . وفي حالة التخصيب العملية تتطلب 3 كجم
يورانيوم طبيعي لإمداد مفاعل واحد بالطاقة الإنشطارية لمدة عام . وعملية
تخصيب اليورانيوم Uranium Enrichment تتم بانتشار مادة هكسافلوريد
اليورانيوم uranium hexaflouride في مادة مسامية فتنفصل مادة اليورانيوم
235 الخفيفة بواسطة آلات الطرد المركزي . ووقود اليورانيوم اللازم
للمفاعلات الإنشطارية لايصنع قنبلة لأنها تتطلب تخصيب أكثر من 90% للحصول
علي تفاعل متسلسل سربع . واليورانيوم والبلوتونيوم المخصبان بنسبة مرتفعة
جدا يستخدمان في صنع القنابل النووية . لأن اليورانيوم المرتفع الخصوبة به
نسبة عالية من اليورانيوم235 الغير مستقر والمركز صناعبا . والبلوتونيوم
Plutonium يصنع نتيجة معالجة وقود اليورانيوم في المفاعلات الذرية أثناء
عملها حيث تقوم بعض ذرات اليورانيوم (حوالي 1% من كمية اليورانيوم )
بامتصاص نيترون a neutron لانتاج عنصر جديد هو البلوتونيوم الذي يستخلص
بطرق كيميائية. ولصنع التفجير النووي يدمج اليورانيوم أو البلوتونيوم
المخصبان بالمتفجرات التقليدية وهذا الدمج يجعل المادة النووية مكثفة
لتقوم بالتفاعل المتسلسل الغير موجه. ويمكن تخصيب اليورانيوم بعدة طرق .
ففي برنامج تصنيع الأسلحة النووية بأمريكا يتبع طريقة الإنتشار الغازي the
gaseous diffusion method بتحويل اليورانيوم إلي غاز هكسافلوريد
اليورانيوم uranium hexafluoride حيث يضخ خلال غشاء يسمح لذرات اليورانيوم
235 بالمرور خلاله أكثر من بقية ذرات نظائر اليورانيوم وبتكرار هذه
العملية في عدة دورات يرتفع تركيز اليورانيوم 235 ليصنع منه الأسلحة
النووية في الصين وفرنسا وبريطانيا والإتحاد السوفيتي الذي لجأ إلي طريقة
تخصيب اليورانيوم بطريقة الطرد المركزي للغاز بالسرعة العالية بدلا من
الانتشار الغازي وهذا ما اتبعته ايران. وهذه الطريقة يحول اليورلنيوم لغاز
هكسافلوريد اليورانيوم ويدخل في آلة طرد مركزي تدور بسرعة كبيرة . وبتاثير
قوة الطرد المركزي تتجه ذرات اليورانيوم الأثقل من ذرات اليورانيوم 235
للخارج ويتركز اليورانيوم 235 بالوسط ليسحب . وهذه الطريقة تستخدم لتخصيب
اليورانيوم في الهند وباكستان وايران وكوريا الشمالية . وهناك طريقة
التدفق النفاث المتبعة في جنوب أفريقيا وطريقة الفصل للنظير
بالكهرومغناطيسية التي كان العراق يتبعها قبل حرب الخليج عام 1991. ويمكن
استعمال طريقة التخصيب بالليزر لفصل اليورانيوم بتحويله لمعدن يتبخر
بتسليط ليزر ليثير ذرات اليورانيوم 235 لتتجمع وتتركز وهذه التجربة تمت في
كوريا الجنوبية عام 2000 سرا .ljnjbntrjnbjrtnb


[تحرير] أنواع المفاعلات
يطلق علي مفاعلات الإنشطار النووي The nuclear fission reactors في
الولايات المتحدة الأمريكية مفاعلات الماء الخفيف"light water reactors"
عكس مفاعلات الماء الثقيل"heavy water reactors" في كندا . والماء الخفيف
هو الماء العادي الذي يستخدم في المفاعلات الأمريكية كوسيط moderator
وكمبرد وأحد الوسائل للتخلص من الحرارة وتحويلها لبخار يدير زعانف
التوربينات التي تدير مولدات القوي الكهربائية ز واستهمال الماء العادي
يتطلب تخصيب وقود اليورانيوم لدرجة ما . وكلا النوعين من المفاعلات اللذين
يعملان بالماء الخفيف هما مفاعل الماء المضغوط pressurized water reactor
(PWR) حيث الماء الذي يسير خلال قلب المفاعل معزول عن التوربينات . ومفاعل
الماء المغلي boiling water reactor (BWR.) يستخدم الماء كمبرد ومصدر
للبخار الذي يدير التوربينات ويطلق علي مفاعلات الإنشطار النووي في كندا
مفاعلات الماء الثقيل Heavy Water Reactors حيث يعمل الماء الثقيل كوسيط
بالمفاعل ويقوم الديتريم deuterium بالماء الثقيل بتقليل سرعة النيترونات
في التفاعل الإنشطاري المتسلسل .وهذا النوع من المفاعلات لايتطلب وقود
يورانيوم مخصب بل طبيعي ويطلق علي هذه المفاعلات الكندية مفاعلات كاندو
CANDU ya ,you'r wright


[تحرير] مفاعل سيزر
تمكن كلوديو فيلبون العالم النووي ومدير مركز الطاقة المتطورة في جامعة
ميريلاند الأمريكية من ابتكار وتصميم مفاعل سيزر CAESAR المتطور لإنتاج
الكهرباء دون التسبب في أي تلوث نووي، أو انتشار الإشعاعات النووية. عكس
المفاعلات النووية التقليدية التي تدار بأذرع وقود اليورانيوم 238 المزود
بحوالي 4% من اليورانيوم 235. وعند اصطدام النيوترون بذرة اليورانيوم 235
، تنشطر إلى نويات و تنطلق كمية من الطاقة في شكل حرارة ومزيد من
النيوترينات التي تصطدم بالذرات الأخرى. ويتحكم «الوسيط» بإدخاله بين أذرع
الوقود ليبطأ بعض النيوترينات لتتحرك ببطء بدرجة كافية لانشطار الذرات،
لكن بعد عامين أو ثلاثة من تشغيل المفاعل، تصبح ذرات اليورانيوم 235
الباقية غير كافية فتظهر الحاجة إلى أذرع وقود جديدة. . لكن مفاعل سيزر
يعتمد على انشطار ذرات اليورانيوم 238 داخل أذرع الوقود بواسطة نيوترونات
تتحرك بسرعة مناسبة نتيجة وجود البخار كوسيط في المفاعل، بالتحكم في
كثافته بدقة، لإبطاء مرور النيوترينات للحصول على الانشطار المطلوب من ذرة
اليورانيوم 238، وحدوث انفجار صغير للطاقة وانطلاق مزيد من النيوترينات
التي تدور حتى تصطدم بذرة أخرى من اليورانيوم والقليل من نويات الذرة . و
المفاعل سيزر يمكن تشغيله لعقود دون الحاجة إلى إعادة تزويده بالوقود.


[تحرير] مفاعل البحوث
هناك مفاعلات البحوث وهي أبسط من مفاعلات الطاقة وتعمل في درجات حرارة
ووقود أقل من اليورانيوم عالي التخصيب (20% من U235،) على الرغم من أن
بعضاً من المفاعلات البحثية الأقدم تستخدم 93% من U235. وكمفاعلات الطاقة
يحتاج قلب مفاعل البحث للتبريد، و مهدئ من الماء الثقيل أو بالجرافيت
لتهدئة النترونات وتعزيز الانشطار.و معظم مفاعلات البحث تحتاج أيضاً إلى
عاكس من الجرافيت أو البيريليوم لتخفيض فقدان النترونات من قلب المفاعل .
ومفاعلات البحث Research Reactors تستخدم للبحث والتدريب واختبار المواد
أو إنتاج النظائر المشعة من أجل الاستخدام الطبي والصناعي. و هذه
المفاعلات أصغر من مفاعلات الطاقة. و يوجد 283 من هذه المفاعلات تعمل في
56 دولة. كمصدر للنترونات من أجل البحث العلمي. وأخيرا .. إلى أين ستقودنا
المفاعلات النووية؟ .ولاسيما وأن الطاقة النووية تزود دول العالم بأكثر من
16% من الطاقة الكهربائية؛ فهي تمد 35% من احتياجات دول الاتحاد الأوروبي.
و اليابان تحصل على 30% من احتياجاتها من الكهرباء من الطاقة النووية،
بينما بلجيكا وبلغاريا والمجر واليابان وسلوفاكيا وكوريا الجنوبية والسويد
وسويسرا وسلوفينيا وأوكرانيا فتعتمد على الطاقة النووية لتزويد ثلث
احتياجاتها من الطاقة . لأن كمية الوقود النووي المطلوبة لتوليد كمية
كبيرة من الطاقة الكهربائية أقل بكثير من كمية الفحم أو البترول اللازمة
لتوليد نفس الكمية؛ فطن واحد من اليورانيوم يقوم بتوليد طاقة كهربائية
أكبر من ملايين من براميل البترول أو ملايين الأطنان من الفحم. والطاقة
الشمسية كلفتها أكبر بكثير من تكاليف الطاقة النووية. و لا تطلق غازات
ضارة في الهواء كغازات ثاني أ@-@@-@@-@د الكربون أو أ@-@@-@@-@د النتروجين
أو ثاني أ@-@@-@@-@د الكبريت التي تسبب الاحترار العالمي والمطر الحمضي
والضباب الدخاني. و مصدر الوقود النووي (اليورانيوم) متوفر و سهل الحصول
عليه ونقله، بينما مصادر الفحم والبترول محدودة. وتشغل المحطات النووية
لتوليد الطاقة مساحات صغيرة من الأرض مقارنة بمحطات التوليد التي تعتمد
على الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح. لكن استخدام الطاقة النووية يسبب
إنتاج النفايات ذات الإشعاعية العالية؛ التي تخزَّن في بحيرات لتبريدها،
بامتصاص حرارة الوقود المستهلَك وتخفيض درجة إشعاعيته . وتتم إعادة
معالجته لاسترجاع اليورانيوم والبلوتونيوم غير المنشطرَين واستخدامهما من
جديد كوقود للمفاعل أو في إنتاج الأسلحة النووية. و بعض العناصر الموجودة
في النفايات كالبلوتونيوم، ذات إشعاعية عالية وتظل لمدة آلاف السنين. ولا
يوجد نظام آمن للتخلص من هذه النفايات. والمفاعلات النووية أصبحت سيئة
السمعة بسبب التسرّب الإشعاعي في محطة الطاقة النووية في تشيرنوبل
بأوكرانيا عام 1986، فقد أدي إلى مقتل 31 شخصاً وتعريض مئات الآلاف
للإشعاع، الذي سيستمر تأثيره على الأجيال القادمة.

مصدر:مقال بمجلة العلم لأحمد محمد عوف