الطاقة النووية

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.
أنواع النفاعلات
ثمة نوعان من المفاعلات النووية:
مفاعلات للبحث وأخرى لتوليد للطاقة. تُستخدَم مفاعلات البحث لإجراء الأبحاث العلمية، وإنتاج النظائر لأهداف طبية وصناعية، وهي لا تستخدم لإنتاج الطاقة.
على مستوى العالم هناك 284 مفاعلاً نوويًّا للأبحاث في 56 بلدا، أما مفاعلات الطاقة فيتم استخدامها لتوليد الطاقة الكهربائية.
وتستخدم المفاعلات النووية أيضا كمصانع لإنتاج الأسلحة في البلدان التي تمتلك برامج حرب نووية؛ فيمكن استخدام المفاعلات النووية السلمية لإنتاج الأسلحة النووية وإجراء الأبحاث المتعلقة بها.
تستخدم المفاعلات النووية المخصصة لصناعة الأسلحة مادة بلوتونيوم 239، أما في المفاعلات السلمية فيتم إنتاج نظائر أخرى للبلوتونيوم، مثل بلوتونيوم 240، وبلوتونيوم 241، وبلوتونيوم 238؛ وذلك لأن وقود المفاعل يتعرض لإشعاع النيوترون لفترات أطول، ومن الممكن استخدامها أيضا لإنتاج المتفجرات النووية.
وقد لا تكون هذه المتفجرات بدرجة ثبات المتفجرات المصنعة من البلوتونيوم الأمثل لصنع الأسلحة؛ فقد تنفجر قبل الأوان، ولكن حتى لو حدث ذلك فإن نصف قطر دائرة الدمار الذي يسببه انفجارها هو على الأقل 33% من نصف قطر دائرة دمار قنبلة هيروشيما؛ فهي بذلك مواد تفجيرية ذات قدرات مريعة. (الأكاديمية الوطنية للعلوم)
وتعمل المفاعلات النووية على مبدأ الانشطار النووي وذلك من خلال انشطار نواة الذرة، مما يؤدي إلى إطلاق طاقة حرارية.
وتعتبر مادة اليورانيوم 235 هي الوقود الرئيسي المستخدم في المفاعلات النووية، كما يمكن استخدام البلوتونيوم 239، ويحدث الانشطار النووي لذرات اليورانيوم بإطلاق النيوترونات عليها، وعندما تنشطر بعض الذرات فإنها تطلق النيوترونات، واصطدام هذه النيوترونات مع ذرات أخرى يسبب انشطارها فيتم تحرير المزيد من النيوترونات، وهكذا يستمر رد الفعل المتسلسل مسبباً توليد كمية هائلة من الطاقة الحرارية، ويتم التحكم بمعدل الانشطار النووي في المفاعل باستخدام "قضبان تحكم" التي تقوم بامتصاص بعض النيوترونات المتحررة، فهي تسمح بتنظيم الانشطار النووي والتحكم الآمن به. كما يتم استخدام نظام تبريد مائي للتخلص من الحرارة المفرطة التي تنتج أثناء العملية، ويستخدم البخار الذي تم توليده لتدوير العنفات التي تولد الطاقة الكهربائية.
وتعد كندا والولايات المتحدة الأمريكية وجنوب أفريقيا وأستراليا ونيجيريا من أهم الدول المزوِّدة لليورانيوم.


الانشطارالنووي .
وبالطاقة الهوائية كان الإنسان يسير السفن الشراعية . وتعتبر الطاحونة من أقدم الآلات التي اخترعها الإنسان والتي كانت تستخدم الهواء أو الماء كمصدر للطاقة المحركة لها . فظهر الدولاب المائي والطاحونة الهوائية التي كانت تعمل بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حركية أو لتشغيل مضخة لرفع المياه أو مطرقة مائية أو رحى الطحن .. وفي حوالي منتصف القرن التاسع عشر , كانت بداية التعامل المكثف مع المصادر الاحفورية ,ومع الحرارة الناتجة عن إحتراق الفحم والنفط . وارتفع حجم استهلاك الكتلة العضوية القابلة للاحتراق،وتمكن الإنسان .من تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، وكان هذا بداية انطلاق عصر الثورة الصناعية. التي بدأت مع الاستهلاك المكثف للفحم الحجري حيث كان أول المصادر الأحفورية في حوالي منتصف القرن التاسع عشر، وفي بداية القرن العشرين كان الاستعمال المكثف للبترول. واستعمال الغاز ولاسيما بعد الحرب العالمية الأولى. وأدى اختراع القطار البخاري إلى تحويل الطاقة الكيميائية في المحروقات إلى طاقة ميكانيكية . وظهرت المحركات الحرارية.في وسائل النقل البحري والجوي والبري و تعمل بمحركات حرارية تعطي الحركة الميكانيكية باستخدام احد المحروقات واهمها النفط.وبعض المحركات أصبحت تستخدم لانتاج الكهرباء التي تنتج في المحطات الكهروحرارية باستخدام المحروقات مثل النفط والفحم والغاز الطبيعي .ثم اكتشف الإنسان تحويل الطاقة النووية إلى حرارية لإنتاج الكهرباء مع بداية السبعينيات من القرن العشرين. وخلال الثمانينيات من القرن العشرين، ظهرت مشكلة ارتفاع ظاهرة الانحباس الحراري،وسببها انبعاث مفرط لغاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) بالجو المحيط نتيجة الإفراط في المحروقات وتقليص الغطاء الغاباتي الأخضر من فوق سطح الكرة الأرضية . واصبحت الدعوة ملحة لإستخدام الطاقة المتجددة كالطاقة الشمسية والطاقة الريحية والطاقة المائية للحد من تلوث البيئة وظاهرة الإنحباس الحراري .. والعلماء حاليا .. يحاولون تطوير أشكال جديدة من الطاقة المتجددة كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة المساقط المائية .وطرق توليد الطاقة الكهربائية Generation of Electrical Energy هي عملية تحويل الطاقة من شكل إلى آخر حسب مصادرها وحسب الكميات المطلوبة لهذه الطاقة ، الأمر الذي يحدد أنواع محطات التوليد و أنواع الاستهلاك وأنواع الوقود ومصادره . وكلها تؤثر في تحديد نوع المحطة ومكانها وطاقتها .فهناك محطات التوليد البخارية و محطات التوليد النووية\ و محطات التوليد المائية و محطات التوليد من المد والجزر ومحطات التوليد ذات الاحتراق الداخلي (ديزل – غازية) و محطات التوليد بواسطة الرياح. ومحطات التوليد بالطاقة الشمسية.
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 .


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 .


الاندماج النووي هو التفاعلات الذريه الناتجة من تفاعل اليورانيوم المخصب وذلك بإطلاقه نحو ذرات الهيدروجين. أو هو تفاعل أنوية العناصر المتفاعلة مع بعضها البعض مما يؤدي إلى تكوين نواة جديدة أثقل مما يؤدي إلى انتاج عنصر جديد. ومن اهم امثلة الاندماج النووي هو اندماج ذرات الهيدروجين لتكوين ذرات الهيليوم ولعل افضل مثال لهذه التفاعلات هي التفاعلات الشمسية والتي تتطلق كمية كبيرة جدا من الطاقةو إن الطاقة التي تنتجها عملية الإندماج النووي أكبر بكثير من الطاقة التي ينتجها الإنشطار النووي

مميزات الطاقة النووية


إن كمية الوقود النووي المطلوبة لتوليد كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية هي أقل بكثير من كمية الفحم أو البترول اللازمة لتوليد نفس الكمية؛ فعلى سبيل المثال طن واحد من اليورانيوم يقوم بتوليد طاقة كهربائية أكبر من تلك التي يولدها استخدام ملايين من براميل البترول أو ملايين الأطنان من الفحم. كما أنه لو تم الاعتماد على الطاقة الشمسية لتوليد معظم حاجة العالم من الطاقة لكانت كلفتها أكبر بكثير من كلفة الطاقة النووية.
تنتج محطات الطاقة النووية جيدة التشغيل أقل كمية من النفايات بالمقارنة مع أي طريقة أخرى لتوليد الطاقة، فهي لا تطلق غازات ضارة في الهواء مثل غاز ثاني أكسيد الكربون أو أكسيد النتروجين أو ثاني أكسيد الكبريت التي تسبب الاحترار العالمي والمطر الحمضي والضباب الدخاني.
إن مصدر الوقود -اليورانيوم- متوفر بكثرة وبكثافة عالية وهو سهل الاستخراج والنقل، على حين أن مصادر الفحم والبترول محدودة. ومن الممكن أن تستمر المحطات النووية لإنتاج الطاقة في تزويدنا بالطاقة لفترة طويلة بعد قصور مصادر الفحم والبترول عن تلبية احتياجاتنا.
تشغل المحطات النووية لتوليد الطاقة مساحات صغيرة نسبياً من الأرض بالمقارنة مع محطات التوليد التي تعتمد على الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح. فقد أكدت اللجنة التنظيمية للمفاعلات النووية على أننا بحاجة إلى حقل شمسي بمساحة تزيد عن 35 ألف فدّان لإنشاء محطة تدار بالطاقة الشمسية لتوليد طاقة تعادل ما تولده المحطة نووية بمقدار 1000 ميجاوات، كما أن مساحة الحقل المعرض للرياح اللازم لمحطة توليد تدار بالرياح لإنتاج نفس الكمية حوالي 150 ألف فدّان أو أكثر. في حين أن محطات التوليد النووية "ميلستون 2 و3" المقامة في ولاية كونيتيكت والتي تتمتع باستطاعة أكبر من 1900 ميجاوات تشغل مساحة 500 فدان ومصممة لتستوعب ثلاث محطات توليد".

استخدام المفاعلات النووية في تحلية مياه البحر
أن الماء العذب مطلب رئيسي لحياة الإنسان فهو ضروري لضمان مستو يلايئق من الحياة وعلى درجة كافية من الجودة كما أنها لازمة الزراعة والصناعة النشطة التجارية الأخرى إن ما يقارب ثلاثة أرباع سطح الكرة الأرضية مغطى بالمياه تقدر الكمية الكلية للمياه بحوالي 1.3 × 10 مليار متر مكعب .. إلا إن الكمية الصالحة للاستهلاك البشري لا تتعدى نسبتها 0.05 ./. من المتاح والباقي مياه عالية الملوحة وجليد
إن مصادر المياه المتاحة على المستوى تتجاوز بكثير تلك المستخدمة كما أنها ليست موزعة بالتساوي بين الدول وتشير التقارير بأنه25./. من سكان العالم فقط يتمتعون بقدر كاف من المياه العذبة 15./. تتوفر لهم إمدادات مائية ملائمة صحياً ،أما باقي سكان العالم فيعانون من نقص في المياه الكافية لحياتهم اليومية ويتعرضون للأمراض الناتجة عن ذلك..الطلب على المياه يزداد بشكل سريع نتيجة للنمو السكاني والصناعي والتطور الحضاري،وأن الحاجة إلى المياه الكافية لاستهلاك الفرد على المستوى اليومي ستشمل أيضاً الدول التي تتمتع حالياً بوجود قدر كاف من المياه لديها،بالإضافة إلى تلك التي تعانى من عجز مائي حاد .وبالتالي فإن عملية ضمان توفير مياه عذبة صالحة للاستهلاك البشرى وبتكلفة في المتناول ستصبح مصدر قلق وتحدياً كبيراً وقد تتسبب في تدهور البنية الإجتماعية وتتعرض حياة مجموعات كبيرة للخطر.أن الماء يعد في بعض التصورات دليلاً على ثراء الشعوب ،حيث يرتبط الناتج القومي الإجمالي بمعدل استهلاك الفرد للمياه.وهذا يعتمد بطبيعة الحال على الظروف المناخية كما هو موضح بالشكل.أن أقل كمية من المياه العذبة ذات الجودة العالية التي يتطلب توفيرها للشخص في اليوم لتفادى الإصابة بالأمراض هي 80 لتر وذلك حسب ما أوصت به منظمة الصحة العالمية.
كمية الطاقة المتطلبة لتحلية مياه البحر :
تحلية مياه البحر تتطلب كميات هائلة من الطاقة في صورة طاقة حرارية أو كهربائية أو كلاهما معاً . وسيصدر جدولاً في العدد القادم يوضح استهلاك الطاقة لانتاج متر مكعب من المياه العذبة لكل عملية من عمليات التحلية . تكلفة الطاقة المستهلكة تعتبر عنصراً جوهرياً أو أساسيا في تقدير التكلفة الكلية للمياه المنتجة في عملية التحلية . فقد وجد بأن تكلفة الطاقة قد تصل إلى حوالي 58% من أجمالي تكلفة المياه المحلة . أن محطات التحلية المنشأة اليوم تعتمد في تزويد بالطاقة على مصادر أحفورية مثل النفط والغاز أو الفحم اللهم إلا محطات قليلة تستخدم الطاقة النووية .
استخدام الطاقة في التحلية :
أن استخدام المفاعلات النووية أساسا في إنتاج الطاقة الكهربية أو الحرارية بتكلفة منخفضة نسبياً شجع دولاً كثيرة على أجراء دراسة جدوى لإمكانية استخدامها كمصدر للطاقة لعمليات التحلية لانتاج مياه الشرب. فكرة استخدام المفاعلات النووية كمصدر في تحلية مياه البحر ليست وليدة اليوم ، ولكن الفكرة كانت محل دراسة وتحليل منذ منتصف الستينات . وبهذا الخصوص صدر عن الوكالة الدولية النووية سلسلة من التقارير الفنية ضمن برامجها في استطلاع التحلية بالطاقة النووية وتضمنت عدة اجتماعات فنية متخصصة كان آخرها في تلك الفترة الاجتماع المتعلق باستخدام الحرارة من المفاعلات النووية في إزالة الملوحة من مياه البحر الذي عقد في فينيا خلال الفترة من 29-6 إلي 1-7-1977 .ونتيجة لعدم التيقن من موضع التكاليف وعدم ملائمة حجم المحطات النووية المشيدة في ذلك الوقت مع محطات التحلية وقضايا السلامة المتعلقة بموضوع المحطة النووية بالقرب من أعداد كبيرة من المستهلكين لمياه التحلية تمت التوصية بأن تواصل الوكالة اهتمامها بالتطويرات في مجال التحلية بالطاقة النووية والتنظيم لاجتماع بالخصوص عند توفر الاهتمام الكافي