الوسم: الطاقة

– الطاقة النووية :
– الطاقةالذرية :
– إنتاج الطاقة النووية

– فوائد الطاقة النووية :
– أضرار النووية :
– استخدامات الطاقة النووية :
– حوادث الطاقة النووية :
– مستقبل الطاقة النووية :

الموضوع : بحث معمق : التفجير النووي – إنتاج الطاقة النووية – الطاقة الذرية – حوادث الطاقة النووية

الطاقة النووية أو الطاقة الذرية هي الطاقة التي تتحرر عندما تتحول ذرات عنصر كيمائي إلى ذرات عنصر أخر، ( الذرات هي اصغر الجسيمات التي يمكن ان يتفتت إليها أي شيء كان .(

وعندما تنفلق ذرات عنصر ثقيل إلى ذرات عنصرين اخف، فان التحول يسمى "انشطارا نوويا " ويمكن ان يكون التحول " اندماجا نوويا " عندما تتحدد أجزاء ذرتين
يعول على الطاقة النووية أن تصبح أعظم مصادر الطاقة في العالم بالنسبة للإضاءة والتسخين وتشغيل المصانع وتسيير السفن وغير ذلك من الاستخدامات التي لا حصر لها. من ناحية اخرى، يخاف بعض الناس الطاقة النووية لأنها تستخدم أيضا في صنع أعظم القنابل والأسلحة فظاعة وتدميرا في تاريخ العالم. كما ان بعض نواتج عمليه الانشطار تكون سامه للغاية.

إنتاج الطاقة النووية
اليورانيوم والبلوتونيوم هما العنصران المستخدمان في إنتاج الطاقة بواسطة الانشطار النووي. كل ذرة من ذرات اليورانيوم أو البوتونيوم ( أو أي عنصر آخر ) لها "نواة " عند مركزها تتكون من " بروتونات " و " نيوترونات ".

الانشطار النووي:
عندما يتصادم نيوترون سائب مع ذرة يورانيوم أو بلوتونيوم فان نواة الذرة " تأسر " النيوترون.
عندئذ تنفلق النواة إلى جزئين، مطلقه كميه هائلة من الطاقة كما أنها تحرر نيوترونين أو ثلاثة تتصادم هذه النيوترونات مع ذرات اخرى ويحدث نفس الانشطار في كل مره، وهو ما يسمى بالتفاعل المتسلسل.
ملايين الملايين من الانشطارات يمكن ان تحدث في جزء من المليون من الثانية. وهذا هو ما يحدث عندما تنفجر قنبلة ذرية وعندما تنتج الطاقة النووية للأغراض السلمية العادية فانه يلزم إبطاء التفاعل المتسلسل. ولإنتاج الطاقة للأغراض العادية تحدث الانشطارات في اله تسمى المفاعل النووي أو الفرن الذري. يتم التحكم في سرعة الانشطارات بطرق مختلفة في إحدى الطرق تستخدم قضبان التحكم التي تقصى بعض النيوترونات بعيدا عن التفاعل.
كيف نعيش؟

الاندماج النووي:
هذا أيضا يسمى التفاعل النووي الحراري لأنه يحدث فقط عند درجات حرارة عالية جداً. وهو عكس الانشطار النووي. حيث تنصهر (تتحد) معا نواتان خفيفتان لتكونا نواة أثقل.
تأتي الطاقة الشمسية الهائلة من الاندماج النووي، اذا تنصهر أنوية ذرات الهيدروجين الخفيفة لتكون ذرات الهيليوم الأثقل. تنطلق أثناء ذلك كميات هائلة من الطاقة في صوره حرارة.
الاندماج النووي هو الذي ينتج الطاقة المدمرة للقنبلة الهيدروجينية. ومع ذلك، يمكن للاندماج النووي في المستقبل ان يكون احد أعظم المصادر الثمينة للطاقة السليمة لأنه يمكنه استخدام مياه البحار البحيرات والنهار في إنتاج القوى النووية.

فوائد الطاقة النووية :
الأرض لها موارد محدودة من النفط والفحم وهذه الموارد ستستخدم خلال 63-95 سنة حيث تقدر الكميات المؤكدة من احتياطي النفط بالعالم بحدود (1.4-2.1) ترليون برميل. الفترة أعلاه (63-95) سنة حسبت على أساس الاستهلاك الفعلي للنفط حاليا مع زيادة بحدود 1% – 2% سنويا حيث متوسط الاستهلاك السنوي بحدود 80 مليون برميل نفط .
لأغراض المقارنة فان طن واحد من اليورانيوم يعطي طاقة تعادل الطاقة الناتجة من ملايين الأطنان من الفحم أو ملايين البراميل من النفط .
الآثار الجانبية لحرق الفحم والنفط يؤدي إلى تلوث البيئة بينما مفاعل نووي مصمم بشكل جيد ويعمل تحت رقابة وإشراف جيدين لا يؤدي إلى إطلاق أي تلوث في الجو .

أضرار الطاقة النووية :
الولايات المتحدة وروسيا يمتلكان فقط 50.000 قنبلة نووية وهيدروجينية لو لا شاء الله تم استخدامها فهي كافية لقتل كل إنسان على الأرض
الانفجار النووي ينتج أشعة قاتلة تستطيع أن تؤدي بالإنسان إلى الوفاة مع الوقت وحتى التأثير على صيانته القامة . وهذا ما حدث عند استخدام قنبلة هيروشيما وقنبلة ناكازاكي في اليابان.
وكذلك عندما تعرضت بعض المفاعلات النووية إلى أعطال أدى إلى تسرب الوقود النووي كما حدث في CHERNOYLE عام 1986 حيث تعرض مئات الألوف من الناس إلى الأشعة حيث توفى الكثيرين خلال أيام وإصابة الباقين بالسرطانات المختلفة.
المفاعلات النووية تنتج فضلات نووية تبقى مصادر للإشعاع لملايين السنين يجب التخلص منها ولا يمكن وضعها كأية نفايات أخرى بأي موقع بل يجب خزنها بأماكن خاصة حتى لا تؤثر على الناس
.
استخدامات الطاقة النووية :
تمكن الإنسان خلال العقود الأخيرة من استقلال الطاقة النووية لخدمة التقدم التقني في عدة مجالات منها :
في الطب للعلاج والتشخيص والتعقيم –
-في الصناعة لانتاج أشباه الموصلات والمعالجات الكيماوية والكشف عن العيوب الصناعية وتقنيات اختبار الجودة وفي عمليات التعدين والبحث عن الخامات الطبيعية .
-في الزراعه لاستنباط أنواع جديدة من المحاصيل ذات إنتاجية عالية وانتقاء نوعيات معينة من البذور ومقاومة الآفات والحشرات وزيادة مدة تخزين المنتجات الزراعية .
-في إنتاج الطاقة الكهربائية
من إنتاج الكهرباء في فرنسا يتم عبر الطاقة النووية77%
في اليابان30%
في الولايات المتحدة20%
وبصورة عامة فان 20% من الطاقة الكهربائية في العالم تنتج حاليا من الطاقة النووية .
الحوادث والكوارث النووية :
الجميع يعلم ما حل بمدينة هيروشيما ومدينة ناكازاكي خلال الحرب العالمية الثانية حيث انذهل العالم بحجم الخسائر المترتبة عن استخدام الطاقة الذرية وأيقظ هذا الاستخدام وعيا جديدا وهو :
ان سلاح واحد تحمله وسيلة نقل واحدة يمكنه إبادة معظم السكان وأن يدمر البنية الطبيعية لمنطقة أو مدينة بكاملها وزاد في تفا قم الخوف من الإشعاعات وهو القاتل غير المرئي الذي يضرب ضحاياه لا على الفور بل على امتداد الأيام والأشهر والسنين وحتى الأجيال التالية .

يمكن توضيح أخطار السلاح النووي كما يلي :
التفجير النووي:
لكي نتعرف على قدرة التفجير النووي علينا مقارنتها بقدرة التفجير العامة .
يكون التفجير النووي ( بافتراض تساوي الحجم ) أكثر قوة بملايين المرات من التفجير العادي
أثناء الانفجار تتحرر كمية كبيرة من الإشعاع القاتل المرئي ( عكس التفجير العادي) .
تبقى بعد التفجير النووي إشعاعات غير مرئية قاتلة تستمر لسنوات طويلة .
الإشعاعات الذرية :

مصادر الإشعاع الذري :
الإشعاع الذري الطبيعي ويقصد به الأشعة الكونية الواردة من الفضاء الخارجي والعناصر المشعة الموجودة في القشرة الأرضية .
الإشعاع الذري المصنع ويقصد به الإشعاع الناتج من التفجيرات النووية ومفاعلات ومحطات الطاقة والمصادر الطبيعية والمنتجات الاستهلاكية التي تحتوي على مواد مشعة.

أنواع الإشعاع :
أشعة ألفا
وهي غير قادرة على اختراق الجلد
أشعة بيتا
تستطيع المرور عبر نسيج الجسم البشري لمسافة 1-2 سنتيمتر
أشعة كاما
لا يستطيع إيقافها إلا الرصاص السميك أو الخرسانة أو طبقة كثيفة من الماء
النيوترونات

مستقبل الطاقة النووية
بعض الناس يعتقد أن الطاقة النووية موجودة لتبقى وعلينا التعلم على كيفية معايشتها .
آخرين يقولون أن علينا التخلص منها أسلحة ومفاعلات لتجنب أضرارها كل منطق له مؤيديه ومعارضيه ويبقى على كل واحد منا أن يقرر ما هو العمل ويفكر كمواطن أرضي وليس كمواطن ينتمي لدولة معينة حيث أن الأضرار تتجاوز الأوطان .

مثل (اوراق عمل ،بوربوينت ،ملخصات)او اي شي ايخص ها الوحدة

* الشباب في كثير من دول العالم يقبلون ع نوع من المشروبات ، التي ظهرت حديثا باعتبارها الحل السحري للقوة والنشاط . والحقيقة أن هذه المشروبات المعروفة باسم ( مشروبات الطاقة ) تدمر الطاقة !!
* أكدت دراسة علمية حديثة أن هذه المشروبات تؤدي الى الأرق وخمول الجسم ، وهي لا تزيد الطاقة الحرارية للجسم ، بل الطاقة المنبهة عن طريق مادة ( الكافين ) المركزة في هذه المشروبات .
* كما أنها تزيد وزن الجسم بدرجة عالية لاحتوائها على ماء الكربونات والسكر والجلوكوز ، وبالاضافة الى وجود نسب عالية من الملونات ومكسبات الطعم ، الأمر الذي جعل هذه المشروبات خطيرة على مرضى السكري في أي سن ، ومرضى الضغط المرتفع والحساسية .
* وأخطر ما في الأمر أن هذه المشروبات لا تخضع للرقابة الصحية الكافية ! !

فأرجو ممن يقبلون على هذه المشروبات أن يبتعدوا عنها قدر الامكان لأنها بالفعل تدمر الطاقة !!

الطاقة بشكل عام تصنف الة نوعين أساسين هما الطاقة المتجددة Renewable Energy مثل الطاقة الشمسية وطاقة باطن الأرض والطاقة الحية….. والنوع الثاني هو الطاقة الغير متجددNonrenewable Energy مثل الطاقة الكهربائية والطاقة النووية والطاقة الكيمائية …..
مع العلم ان معظم الطاقة التي نستهلكها تأتي على شكل طاقة غير متجدد وهي دائما تتحول الى حرارة ترسل الى الجو المحيط (هل في النتيجة ترتفع درجة حرارة الهواء المحيط باكرة الأرضية؟) ( هل يمكن ان نقسم جميع انواع الطاقة على انها تنحصر بين الطاقة الحركية والكامنة وكيف ؟)
قانون حفظ الطاقة
الطاقة لا تفنى ولا تستحدث ويمكن ان تتحول من شكل الى لآخر بتأثير فعل معين او بدونه وكذلك يمكن ان تتحول الى مادة. ويمكن النظر الى حركة البندول البسيط لملاحظة تبدل الطاقة من شكل الى آخر (لماذا يتوقف البندول بعد حين؟)
الطاقة والمادة
يمكن ان تتحول الطاقة الى مادة كما يحدث إثناء توليد زوج إلكترون- بوزترون من أشعة كاما وكذلك يمكن ان تتحول المادة الى طاقة كما يحدث في الانشطار النووي وفق العلاقة التالية:

E=m C(+2)

( سوف نتطرق إلى معظم أنواع الطاقة تباعا من خلال هذا الموقع)

الطاقة النووية:
ان الجهود التي بذلت بعد الحرب العالمية الثانية في البحوث والتنمية في مجال الذرة وتركيبها وسيل الدراسات النظرية والعملية في هذا المجال جعلت من محاول استثمار الطاقة النووية كبديل مؤهل للنفط في مجال إنتاج الكهرباء وهذه الجهود مازالت مستمرة في التغلب على المصاعب في إنتاج هذه الطاقة وكذلك وسائل المان التي يشترط إتباعها عند استخدام هذه الطاقة من حيث عدم المساس بالتوازن الطبيعي للبيئة والمردود الاقتصادي. وتسابقت دول العالم في دراسة احتياطي الوقود النووي لديها أي اليورانيوم وكلفة الاستفادة منه ويوازي ذلك الاستخدام العسكري لهذه الطاقة. وقلما نال موضوع علمي أهمية عسكرية واقتصادية وسياسية كما نال موضوع الطاقة النووية
تظهر الطاقة النووية كطاقة كامنة تربط مكونات النواة ذات الحجم الصغير جدا بحيث عندا تتفكك النواة الى مكوناتها أطلقت هذه الطاقة على شكل حرارة وجسيمات تمتلك طاقة حركية هائلة وأشعة وقد احتر العلماء لإيجاد تفسير مقنع لطبيعة القوى النووية ووضعت نماذج كثيرة ومازال البحث جاري في مجال النماذج النووية لمعرفة طبيعة هذه الرابطة والتي عندما تتفكك تظهر على شكل طاقة هائلة. فمثلا ان الطاقة التي تربط المكون الواحد لنواة التربتيوم H (3,1) – عدد النيوكلونات الكلي 3 وعدد البروتونات 1- هي 8.482 MeV ( هذه الوحدة تكافيء 1.6E-13 جول) وطاقة الربط للنيوكلون الواحد النواة الهيليوم He(3,2) هي 7.711MeV فنلاحظ ان هناك فرق في طاقة الربط سببه طاقة كولوم الناتجة عن تنافر البروتونات مع بعضها وكلما ازداد العدد الكتلي ارتفعت طاقة الربط حتى تتشبع عند أنوبة الحديد Fe وثم تعدو الى الانخفاض مع زيادة العدد الكتلي حتى تصل الى اقل قيمها عند مجموعة اليورانيوم.
عندما تتهيج النواة ( طرق تهيج النواة تختلف كليا عن طرق التهيج الاعتيادية!!!) ترتفع نيكلوناتها الى مستويات للطاقة مرتفعة نسبيا وتصبح النواة بحالة متهيجة Excited وتعود الى وضع الاستقرار بأن تبعث الأشعة النووية مثل ( كاما- بيتا- ألفا..) وتعود الى وضع الاستقرار اعتمادا على العمر النصفي ! للانحلال وعند الاستمرار في اكتساب الطاقة ( الطاقة هنا تكتسب بقيمتها وليس بتركيزها !!!) فان النيوكلونات تقذف خارج النواة وتترك عند النواة طاقة كبيرة لا تتحملها مما يؤدي الى انشطارها Nuclear Fission
التفاعلات النووية Nuclear Reaction
هي عملية إنتاج الطاقة او امتصاصها نتيجة للإتحاد الأنوية مع بعضها أو تصادم ( اقتناص) النواة مع جسيمة وذلك لتوليد نواة جديدة ( مثلا اقتناص نواة اليورانيوم 235 للنيوترون يولد نواة اليورانيوم 236 المتهيجة او اقتناص نواة النيتروجين للبروتون يولد نواة الأكسجين ويطلق اشعة كاما) وعندما تعود النواة الى وضع الاستقرار تطلق الطاقة التي بحوزتها على شكل أشعة كاما او حتى جسيمات اخرى حتى لو كانت من نفس نوع الجسيمة التي تفاعلت معها الفترة بين التهيج وإطلاق النواتج تكون طويلة جدا بمليارات من السنين او قصيرة جدا قد تصل الى 10E-16 sec

الانشطار النووي Nuclear Fission

هو واحد من التفاعلات النووية والتي تكتسب فيها النواة طاقة فوق تحمل طاقة الربط مما يؤدي الى انشطارها وهذه فكرة كانت تراود علمء الفيزياء لفترة زمنية طويلة لمعرفتهم المسبقة عن كمية الطاقة التي يمكن الحصول عليها.
في عام 1933 اكتشف فيرمي ان للنيوترون قابلية كبيرة على التفاعل مع الأنوية وقد تم إنتاج عدد من النظائر المشعة وثم توزعت النيترونات حسب الطاقة التي تمتلكها وتبين ان النيترونات الحرارية يمكن ان تؤسر من قبل النواة بسهولة. وفي عام 1939 اعلن عالمان من ألمانيا بأنهما وجدا عنصر البار يوم كناتج من قذف اليورانيوم بالنيوترونات وقد خمنا فيما بعد بان الباريوم لا بد ان ينتج من انشطار اليورانيوم وفي نفس الوقت اعلن العالم بور بانه يمكن انتاج تفاعل متسلسل! إثناء اقتناص النيترونات. وفي عام 1940 اكتشف البلوتونيوم Pu(239-94) ( لاحظ انه أثقل من اليورانيوم ويحتوي على عدد اكبر ويسمى من العناصر ما بعد اليورانيوم!) وفي عام 1942 توصل فيرمي ومجموعته الى إنتاج اول تفاعل متسلسل جرب تحت منصات ملعب لكرة القدم وبحلول عام 1945 تم تشغيل مفاعلات إنتاج البلوتونيوم وفي نفس العام استخدمت القنابل على اليابان.
لكل التفاعلات النووية يوجد مايسمى بمساحة المقطع وهو مقياس لاحتمالية حدوث التفاعل النووي فبالنسبة لليورنيوم 235 مساحة مقطعه كبيرة جدا بالنسبة للنبوترونات الحرارية ( النيترونات الحرارية هي النيترونات التي تتحرك دون ان يتم تبادل حراري بينها وبين الوسط ويمكن حساب طاقتها بعلاقة بولتزمان!!) بينما اليورنيوم 238 يمتلك مساحة مقطع كبير بالنسبة الى النيترونات السريعة ولهذا فان النيوترون الحراري يقتنص بسرعة من قبل اليورانيوم 235 مولدا نواة متهيجة مع انبعاث كمية من الطاقة تمثل طاقة الربط للنيوترون في النواة لآن النواة عندما دخل النواة لا بد وان يرتبط مع باقي المكونات في النواة وتنطلق من هذه العملية اشعة كاما والنيوترونات والطاقة المتبقية عند نواة اليورانيوم 236 تكون اكبر من طاقة الربط وهي مستقرة وعليه تهتز بشكل كبير يؤدي الى تشوهها أولا ومن ثم انشطارها الى مكونين يسميان بنواتج الانشطار ( نسبة عدد النيترونات الى عدد البروتونات فيهما مقربة الى النسبة في اليورانيوم وهي قسمة العدد 144 لنيوترونات على العدد 92 للبروتونات وتساوي 1.6 تقريبا او قريبا من هذا الرقم ) من أمثلتها نواة الزينون Xe(140-54) ونواة الباريوم Ba(142-56) ولا توجد نواتج محدد لشظايا الانشطار Fission Fragmentsهذه وانما هناك ثلاثين احتمالا للنواتج. وقد وجد عمليا ان شظايا الانشطار يكون عددها الكتلي من 72 الى 158 . هذه النواتج عندما تنتج تكون بعيدة عن خط الاستقرار!! وتطلق أشعة بيتا لكي تهبط او ترتفع نحو خط الاستقرار ولهذا سوف تحدث سلسلة من التفاعلات النووية تسمى بالتفاعلات المتسلسلة والنيوترونات الناتجة من الانشطار والتي بكون عددها بين 2 و3 ( حسب نوعية شظايا الانشطار) تكون سريعة وتتفاعل مع انويه أخرى لا يشترط اليورانيوم وتكون نظائر أخرى بعيدة عن خط الاستقرار وأشعة كاما وهكذا ( تسمى هذه النيوترونات بالنيوترونات اللحظية) وهذه النيترونات السريعة لا تتفاعل مع اليورانيوم 235 وإنما يجب ان تبطأ كما يحث في المفاعلات النووية!! حتى يقتنصها اليورانيوم 235
الطاقة المنبعثة عند الأنشطار
ان عملية الانشطار تمتلك أهمية كبيرة لكون معدل طاقة الانشطار قد يصل الى 200MeV للنواة الواحدة ويمكن حساب معدل طاقة الانشطار من المعادلة الشبه تجريبية للكتلة!! حيث ان طاقة الربط للجسيم الواحد هي بحدود 8.4MeV عند الأعداد الكتلية 80 الى 150 وقد وجد ان معظم نواتج الانشطار تمتلك عدد كتلي ضمن هذا المعدل، وطاقة الربط تبلغ 7.5MeV في منطقة اليورانيوم أي يوجد فرق مقداره 0.9MeV بين النواة المركبة ونواتج الأنشطار وهذا الفرق ينطلق عند عملية الانشطار
Binding energy/236=0.9
B.E=236×0.9=212.9=200 MeV
هذه الكمية من الطاقة للانشطار الواحد توزع بالشكل التلي:
Kinetic Energy of fission fragment 167
K.E> of neutrons=5
Energy of Gamma=7
Energy of Beta=5
Energy of delayed Gamma=5
Neutrino energy =11
Sum=200 MeV
ان انشطار اليورانيوم هو مصدر للطاقة وكذلك مصدر للنيترونات البطيئة والسريعة والتي تستخدم في مختلف قطاعات العلوم في الفيزياء وكذلك تستخدم في استمرار التفاعل وحدوث سلسلة من التفاعلات النووية تنتهي مع انتهاء المادة المنشطرة او في تداخل هندسي وفيزياء مدروس ومقنن!!
انشطار نواة واحدة من اليورانيوم يبعث طاقة مقدارها 200MeV=3.2E-4 erg ولمول الواحد فان الطاقة الناتجة هي 1.93E+20 erg ( ألمول يحتوي عدد افاكادرو من الذرات أي 6.23E+23 ذره) ول تم تحويل ذلك الى حرارة فانه يعادل 2E+13 cal وهذه الطاقة وإذا عرفنا ان تسخين لتر من الماء من الصفر الى 100 درجة يستهلك 100000Cal فيمكن تقدير كمية الطاقة هذه والتي يمكن ان تعادل تفجير 20220kg من مادة الـ TNT وعند استغلالها كمصدر للقدرة نجد ان الانشطار الواحد يحرر 32.2E-11 w والانشطار الكامل الغرام واحد من اليورنيوم يجهز 8.2E+20 W.sec او يساوي 2.3E+10kW.h أي ميكا واط لليوم الواحد واذا استمر تحرير الطاقة ليوم كامل فان الكيلوغرام ينتج حرارة بمعدل 100 ميكا واط وإذا حولت هذه الحرارة إلى كهرباء بكفاءة مقدارها 30% فان الطاقة الكهربائية تصبح 300000 kW وهذا يكافئ الطاقة الكهربائية الناتجة من معمل كهرباء يستهلك 2500 طن من الفحم في اليوم الواحد!!