الطاقة النووية
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 1986 ثم كارثة فوكوشيما عام 2011 حيث بدا العالم يتراجع عن الطاقة النووية باستثناء الصين.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 الكهربي 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.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 للأنوية الثقيلة أهمية في إحداث الإشعاعي تفاعلات الانشطار
الانشطار
النووي والاندماج النووي
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 طاقةعالية فيسمى هذا التفاعل بالاندماج النووي
المفاعلات النووية
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
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
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 .
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 .
طاقة
الاندماج النووي أو (الانصهار النووي)
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 .
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 .
مزايا
الطاقة النووية وعيوبها
مزايا الطاقة النووية
وعيوبها. تتميز محطات القدرة النووية عن محطات الوقود الأحفوري بميزتين رئيسيتين:
1- تستعمل المحطات النووية وقودًا أقل كثيرًا مما تستهلكه محطة الوقود الأحفوري. فانشطار طن متري من اليورانيوم مثلاً يعطي طاقة حرارية تعادل ما ينتج عن احتراق ثلاثة ملايين طن من الفحم الحجري أو 12 مليون برميل من النفَّط.
2- لا يطلق اليورانيوم إلى الجو مواد كيميائية ملوثة أو صلبة أثناء استعماله على عكس الوقود الأحفوري.
ولكن للطاقة النووية ـ على الرغم من مزاياها ـ ثلاثة عيوب رئيسية عملت على إبطاء تطور الطاقة النووية في العالم، وهي:
1- تكلفة إنشاء المحطة النووية تفوق كثيرًا تكلفة إنشاء محطة الوقود الأحفوري
2- أخطار المحطات النووية كبيرة، لدرجة لا تجعلها تخضع لقوانين حكومية معينة يمكن أن تخضع لها محطات الوقود الأحفوري، كأن تفي هذه المحطات بمطالب السلطات الحكومية بحيث تكون قادرة على معالجة أي حالة طارئة تلقائيًا وبسرعة كبيرة. أضف إلى ذلك معارضة الكثيرين لإقامة محطات جديدة منذ ما حدث عام 1979م في محطات القدرة النووية المقامة في ثِري مايِلْ آيْلاند بالقرب من هارِسْبورْج في بنسلفانيا، والحادث الذي جرى عام 1986م في تشيرنوبل في الاتحاد السوفييتي (سابقًا)
3- يستمر اليورانيوم في إطلاق إشعاعات خطيرة، ولفترة طويلة، بعد استعماله كوقود للطاقة النووية، كما أن مشكلة تخزين نفايات اليورانيوم لم تحل بعد.
1- تستعمل المحطات النووية وقودًا أقل كثيرًا مما تستهلكه محطة الوقود الأحفوري. فانشطار طن متري من اليورانيوم مثلاً يعطي طاقة حرارية تعادل ما ينتج عن احتراق ثلاثة ملايين طن من الفحم الحجري أو 12 مليون برميل من النفَّط.
2- لا يطلق اليورانيوم إلى الجو مواد كيميائية ملوثة أو صلبة أثناء استعماله على عكس الوقود الأحفوري.
ولكن للطاقة النووية ـ على الرغم من مزاياها ـ ثلاثة عيوب رئيسية عملت على إبطاء تطور الطاقة النووية في العالم، وهي:
1- تكلفة إنشاء المحطة النووية تفوق كثيرًا تكلفة إنشاء محطة الوقود الأحفوري
2- أخطار المحطات النووية كبيرة، لدرجة لا تجعلها تخضع لقوانين حكومية معينة يمكن أن تخضع لها محطات الوقود الأحفوري، كأن تفي هذه المحطات بمطالب السلطات الحكومية بحيث تكون قادرة على معالجة أي حالة طارئة تلقائيًا وبسرعة كبيرة. أضف إلى ذلك معارضة الكثيرين لإقامة محطات جديدة منذ ما حدث عام 1979م في محطات القدرة النووية المقامة في ثِري مايِلْ آيْلاند بالقرب من هارِسْبورْج في بنسلفانيا، والحادث الذي جرى عام 1986م في تشيرنوبل في الاتحاد السوفييتي (سابقًا)
3- يستمر اليورانيوم في إطلاق إشعاعات خطيرة، ولفترة طويلة، بعد استعماله كوقود للطاقة النووية، كما أن مشكلة تخزين نفايات اليورانيوم لم تحل بعد.
المراجع
تعليقات بلوجر
تعليقات فيسبوك