هل تساءلت يوماً من الأيام عن كيفية عمل الطاقة النووية وعن كيفية بقاء الطاقة النووية آمنة؟
سنقوم في هذه المقالة بتوضيح كيفية عمل المفاعل النووي ومحطة الطاقة وسنقوم بشرح الانقسام النووي وإعطائك نظرة داخل المفاعل النووي.
إن اليورانيوم عنصر شائع جداً على الأرض دمج مع الكوكب أثناء تشكله وقد تشكل أصلاً في النجوم حيث انفجرت النجوم القديمة وتجمعت الغبار من هذه النجوم المحطمة لتشكل كوكبنا.
إن اليورانيوم 238 لديه نصف حياة طويل جداً (4.5 بليون سنة) ولهذا السبب مايزال موجوداً بكميات كبيرة جداً أي بحوالي 99 % وإن اليورانيوم 235 يشكل حوالي 0.7 % من اليورانيوم المتبقي والذي وجد طبيعياً بينما اليورانيوم 234 نادر جداً وقد تشكل عن طريق انحلال يورانيوم 238 (مر اليورانيوم 238 بمراحل عديدة أو اضمحلال ألفا وبيتا لتشكل نظائر مشعة مستقرة وإن اليورانيوم 234 هو وصلة في هذه السلسلة) وإن لدى يورانيوم 235 قدرة مثيرة تجعلها مفيدة في إنتاج الطاقة النووية وفي إنتاج القنبلة النووية وإن اليورانيوم 235 ينحل طبيعياً مثل يورانيوم 238عن طريق إشعاع ألفا ويمر يورانيوم 235 أيضاً بالانقسام التلقائي في نسبة مئوية صغيرة من الزمن.
على أي حال فإن يورانيوم 235 أحد بعض المواد التي يمكن أن تمر بالانقسام المستحث، إذا قام نيوتروناً بالمرور عبر نواة اليورانيوم 235 ستقوم النواة بامتصاص النيوترون بدون تردد وسيصبح غير مستقر ومنقسم فوراً.
الانقســــــــــام النــــــــــــووي
عندما تؤسر نواة النيوترون تنقسم إلى ذرتين خفيفتين وتقذفان اثنان أو ثلاثة من النيوترونات الجديدة (يعتمد عدد النيوترونات المقذوفة على طريقة انقسام ذرة اليورانيوم 235) تقوم بعد ذلك الذرتين الجديدتين ببعث إشعاع غاما عندما تستقران في وضعياتهما الجديدة.
هناك ثلاثة أمور حول عملية الانقسام المستحثة هذه والتي تجعلها هامة بشكل خاص:
ـ إن احتمال أسر اليورانيوم 235 النيوترون أثناء مروره عالي جداً وإن المفاعل الذي يعمل بشكل صحيح ( المعروف بالحالة الحرجة) يقذف نيوترون واحد من كل انقسام وبالتالي يتشكل انقسام آخر.
ـ إن عملية أسر النيوترون والانقسام يحدثان بسرعة كبيرة (1 × 10 – 12 ثانية).
ـ تصدر كمية هائلة من الطاقة على شكل حرارة وإشعاع غاما عند انقسام ذرة وحيدة وإن الذرتان اللتان تصدران عن الانقسام تصدران إشعاع بيتا وتملكان إشعاع غاما أيضاً.
الطاقة التي تصدر عن الانقسام الوحيد يأتي في الحقيقة من الانقسام ومن النيوترونات سوياً وهي تزن أقل من ذرة اليورانيوم 235 الأصلي والاختلاف في الوزن حول مباشرة إلى طاقة وهو يصدر شيء على غرار 7200 Me (مليون فولط الكتروني) وذلك عن طريق اضمحلال ذرة يورانيوم 235 واحدة وهناك الكثير من ذرات اليورانيوم في باون اليورانيوم.
إن باون اليورانيوم المخصب جداً يستعمل لتشغيل غواصة نووية أو حاملة طائرات نووية في كمية مساوية لغالون من الغازولين وإن حجم باون اليورانيوم أصغر من كرة بيسبول وحجم مليون غاز من الغازولين يملأ مكعب يبلغ حجمه 5 أقدام لكل جانب (أي بطول بناية ذات خمسة طوابق) وهنا يمكن أن يكون لديك فكرة عن كمية الطاقة المتوفرة في القليل فقط من يورانيوم 235 ولكي تعمل خواص اليورانيوم 235 هذه يجب أن تخصب عينة من اليورانيوم تحتوي 2 % إلى 3 % أو أكثر من يورانيوم 235 وإن تخصيب 3 % كافي لاستخدامه في مفاعل نووي مدني يستخدم لتوليد الطاقة ويجب أن يكون اليورانيوم المستخدم في الأسلحة بنسبة 90 % أو أكثر من يورانيوم 235.
أنت تحتاج إلى بعض اليورانيوم المخصب بشكل معتدل لبناء مفاعل نووي ويحول اليورانيوم نموذجياً إلى كريات صغيرة يماثل قطرها الدايم (عملة العشر سنتات) ويبلغ طولها بوصة تقريباً وترتب هذه الكريات الصغيرة على شكل قضبان طويلة وتجمع هذه القضبان سوياً في حزم وتغمس هذه الحزم في الماء داخل وعاء ضغط وهنا يكون دور الماء كمحلول تبريد ولكي يتمكن المفاعل النووي من العمل يجب أن تكون الحزمة المغمورة بالماء في مرحلة فوق الحرجة قليلاً وهذا يعني بأن ترك اليورانيوم لأدواته الخاصة سيؤدي إلى السخونة والذوبان في آخر الأمر ولمنع حدوث هذا ركبت أذرع تحكم مصنوعة من مواد تمتص النيوترون وتأخذها إلى الحزمة باستخدام تقنية تمكن من رفع وإنزال أذرع التحكم وهذا يسمح للمشغلين بالسيطرة على نسبة التفاعل النووي، وعندما يريد المشغل من قلب اليورانيوم أن ينتج حرارة أكثر ترفع القضبان عن كتلة اليورانيوم وعندما يريد إنتاج حرارة أقل تخفض القضبان إلى كتلة اليورانيوم ويمكن خفض القضبان بالكامل إلى كتلة اليورانيوم لإغلاق المفاعل في حال وقوع حادث أو لتغيير الوقود.
تقوم حزمة اليورانيوم بالعمل كمصدر طاقة عالي جداً من الحرارة حيث يقوم بتسخين الماء وتحويله إلى بخار ويقوم البخار بنقل توربين البخار الذي يسرع المولد على إنتاج الطاقة ويقوم البخار المفاعل في بعض المفاعلات بالمرور بمبدل حرارة ثانوي متوسط وذلك لتحويل حلقة أخرى من الماء إلى بخار وإن الفائدة من هذا التصميم هي بأن الماء المشع البخار لا يصل التوربين أبدا ًوفي بعض المفاعلات أيضاً يكون السائل المبرد المتصل مع قلب المفاعل غازاً (ثاني أكسيد الكربون) أو معدن سائل(صوديوم، بوتاسيوم) وتسمح هذه الأنواع للمفاعل بتشغيل قلب اليورانيوم في درجات حرارة أعلى.
الخطأ الذي يمكن أن يحدث خارج المحطة
عندما تجتاز المفاعل بحد ذاته يكون هناك اختلافاً بسيطاً بين محطة طاقة نووية وبين محطة توليد الطاقة بالفحم المشتعل أو بالنفط المشتعل ما عدى مصدر الحرارة الذي يستخدم لإنشاء البخار.
شيرون هاريس التي تنتج 780 ميغاواط
أنابيب نقل البخار لتزويد المولد بالطاقة في محطة توليد الطاقة
إن وعاء المفاعل الضاغط موضوع في بطانة إسمنتية التي تعمل كوقاية إشعاعية وإن هذه البطانة موضوعة داخل وعاء احتواء كبير جداً ويحتوي هذا الوعاء على قلب المفاعل وعلى أجهزة مثل الرافعات …الخ التي تسمح للعمال في المحطة بتزويد الوقود وإبقاء عمل المفاعل وقد وضع وعاء الاحتواء الفولاذي هذا لمنع تسرب أي غازات أو سوائل مشعة من المحطة وأخيراً إن وعاء الاحتواء محمي ببناء إسمنتي خارجي قوي بما فيه الكفاية ليحميه من بعض الأشياء كتحطم طائرة نفاثة فيه، وإن أبنية الاحتواء الثانوية هذه ضرورية لمنع هروب إشعاع بخار مشع في حال وقوع حادث وإن عدم وجود أبنية الاحتواء الثانوية هذه في محطات الطاقة النووية الروسية سمحت للمواد المشعة بالهروب في حادث تشرنوبيل.
يتصاعد الدخان من برج التبريد في محطة هاريس
عمال المراقبة في غرفة التحكم في محطة الطاقة النووية
يعملون على مراقبة عمل المفاعل النووي
إن يورانيوم 235 ليس الوقود الوحيد الممكن استخدامه في محطة الطاقة، هناك مادة انقسامية أخرى هي بلوتونيوم 239 التي يمكن أن تنشأ بسهولة عن طريق دمج يورانيوم 238 بنيوترون الشيء الذي يحدث دائماً في المفاعل النووي.
عندما تنقسم ذرة يورانيوم 235 تعطي نيوترونين أو ثلاثة نيوترونات (اعتماداً على طريقة الانقسام) وإذا لم يكن هناك ذرات يورانيوم 235 في المنطقة فستقوم النيوترونات الحرة بالطيران إلى الفراغ كأشعة نيوترون وإذا كانت ذرة اليورانيوم 235 جزء من كتلة اليورانيوم فسيكون هناك ذرات يورانيوم 235 أخرى قريبة عندها سيحدث أحد هذه الأمور الثلاثة:
ـ إذا قام نيوترون واحد فقط من النيوترونات الثلاثة من كل انقسام بضرب قلب اليورانيوم 235 وتسبب ذلك بالانقسام عندها ستكون كتلة اليورانيوم في حالة حرجة وستوجد الكتلة في درجة حرارة مستقرة ويجب أن يبقى المفاعل النووي في حالة حرجة.
ـ إذا قام أقل من نيوترون واحد من النيوترونات الحرة بضرب ذرة يورانيوم 235 عندها ستكون الكتلة في حالة حرجة فرعية وسينتهي الانقسام في الكتلة.
ـ إذا قام أكثر من نيوترون واحد من النيوترونات الحرة بضرب ذرة يورانيوم 235 ستكون الكتلة حينها في حالة حرجة قصوى وستقوم بالتسخين.
أراد مصمم القنبلة النووية من القنبلة أن تكون في حالة حرجة قصوى لذلك إن كل ذرات اليورانيوم 235 في الكتلة تنقسم في مايكرو ثانية (جزء من مليون من الثانية).
يحتاج قلب المفاعل النووي في المفاعل النووي لأن يكون في حالة حرجة قصوى بعض الشيء لكي يستطيع العاملين في المحطة من رفع وخفض درجة حرارة المفاعل النووي وتعطي أذرع التحكم العاملون طريقة لامتصاص النيوترونات الحرة وبهذا يمكن للمفاعل أن يبقى في مستوى حرج.
إن كمية اليورانيوم 235 في الكتلة (مستوى الإخصاب الإغناء) وشكل الكتلة يسيطران على الحالة الحرجة في العينة، تخيل بأن شكل الكتلة صفيحة رقيقة جداً ستقوم حينها معظم النيوترونات الحرة بالطيران إلى الفراغ بدلاً من ضرب ذرات اليورانيوم 235 لذلك فإن الجسم الكروي هو الشكل المثالي للكتلة وإن كمية اليورانيوم 235 التي يجب جمعها سوياً في الجسم الكروي للحصول على ردة فعل حرجة هي حوالي 2 باون (0.9 كيلوغرام) وهذه الكمية تدعى باسم الكتلة الحرجة وإن الكتلة الحرجة للبلوتونيوم 239 هي حوالي 10 أونسات (283 غرام).
ما الذي يمكن أن يسير بشكل غير صحيح
إن محطات الطاقة النووية المبنية بشكل جيد لديها فائدة كبيرة عندما يتعلق الأمر بتوليد الطاقة الكهربائية وهي نظيفة جداً بالمقارنة مع محطات توليد الطاقة عن طريق الفحم المشتعل وإن محطات الطاقة النووية عبارة عن حلم أصبح حقيقة من الجهة البيئية وإن محطة توليد الطاقة بالفحم المشتعل يصدر نشاط إشعاعي إلى الجو أكثر من محطة طاقة نووية تعمل بشكل جيد وإن محطات الفحم المشتعل تطلق الأطنان من الكربونات والكبريت وعناصر أخرى في الجو.
ـ إن التنقيب عن اليورانيوم وتنقيته ليست عملية نظيفة جداً.
ـ إن محطات الطاقة النووية التي تعمل بشكل غير صحيح يمكن أن تخلق مشاكل كبيرة وإن كارثة تشرنوبيل مثال جيد عن هذا الأمر حيث قامت هذه الكارثة ببعثرة الأطنان من الغبار المشع في الجو.
ـ إن الوقود المستهلك من محطات الطاقة النووية يبقى ساماً لقرون ولحد الآن لم توجد وسيلة خزن آمنة بشكل دائم لهذا الوقود.
ـ إن نقل الوقود من وإلى المحطات يوجد فيها بعض الخطورة.
قامت هذه المشاكل بالتأثير بشكل كبير على إنشاء محطات طاقة نووية جديدة في الولايات المتحدة.
