بحث عن المتافعلات النووية

المفاعلات النووية

مقدمة
تعريف المفاعلات النووية
عبارة عن منشآت يتم فيها السيطرة على عملية الأنشطار النووي حيث يتم الأحتفاظ بالأجواء المناسبة لأستمرار عملية الأنشطار النووي دون وقوع انفجارات اثناء الأنشطارات المتسلسلة. تستخدم المفاعلات النووية لأغراض خلق الطاقة الكهربائية و تصنيع الأسلحة النووية و ازالة الأملاح والمعادن الأخرى من الماء للحصول على الماء النقي و تحويل عناصر كيميائية معينة إلى عناصر اخرى و خلق نظائر عناصر كيميائية ذات فعالية اشعاعية ويمكنها امداد سفن وحاملات الطائرات والغواصات النووية بالطاقة واغراض اخرى.

ولفهم المفاعلات يجب اولآ ان نفهم ما هو التفاعل النووى ؟
التفاعل النووي هو تفاعل يحدث عندما تصطدم نواتي ذرتين ببعضهما أو عندما يصطدم جسيم أولي مثل البروتون أو النيوترون بنواة ذرة ، وينشأ عن هذا الإصطدام مكونات جديدة تختلف عن المكونات الداخلة في التفاعل .من خلال اصطدام الجسيم الأولي بالنواة تتكون أولا ما يسمي النواة المركبة ، التي تتحلل في وقت قصير جدا ، وينتج عن ذلك نواة جديدة مصحوبة بانطلاق جسيم أو جسيمات أخرى وربما حرارة .
و فى المفاعلات يتم قذف ذرات العنصر المستخدم كوقود نووي مثل نظير اليورانيوم (235 U) بقذائف من النيوترونات فتنشطر النواة إلى نواتين أو أكثر ويرافق هذا الانشطار قدراً كبيراً من الطاقة إضافة لعدد من النيوترونات الحرة والتي بدورها تصطدم بذرات أخرى من الوقود النووي فتنشطر مرة أخرى ليستمر التفاعل ( الانشطار ) بشكل متزايد.
نبذة تاريخية
صمم أول مفاعل نووي بواسطة العالم الإيطالي إنريكو فيرمي وزملائه . و قد نجح المفاعـل فى إحداث التفاعل المتسلسل و التحكم فيه في شيكاغو بالولايات المتحدة الأمريكية في شهر ديسمبر 1942م.

وقد تم أجراء أول تفجير نووي في صحراء نيوميكسيكو فى يوليو 1945 وفي يومي 6 و 9 أغسطس من نفس السـنة تم تفجير قنبلة هيروشيما و ناجازاكى باليابان علي التوالى وقد قدرت أعداد المصابين و الموتى بحوالي 200 ألف فرد علاوة علي المصابين الذين عانوا من التأثيرات المتأخرة للإشعاع جيلا بعد جيل .
وتعتبر هاتان القنبلتان أول القنابل التي استخدمت في الحرب من خلال مشروع مانها تن الشهير Manhatten project في الولايات المتحدة الأمريكية . و تقدر قوة قنبلة اليورانيوم التي ألقيت غلي هيروشيمـا بما يكافئ 13500 طن من الـ TNT . وقد قدرت درجة الحرارة علي بعد ميلين من القنبلة بحوالي 3 آلاف درجة مئوية أدى آلي الدمار الكامل للمباني والأحياء.

تركيب المفاعل النووى

يتكون المفاعل النووي من الأجزاء التالية:
1- مركز المفاعل وهو الجزء الذي يتم فيه سلسلة الأنشطار النووي.
2- السائل المتحكم في حرارة المركز ويستعمل الماء عادة للتحكم في سرعة النيوترونات وبالتالي معدل الانشطار النووي كما أنه ناقل للحرارة الناتجة من التفاعل النووي ويتحول جزء منه إلى بخار عال الضغط .
3- حاويات تحيط بمركز المفاعل و الماء ، مصنوعة من الحديد الصلب ذات جدران سميكة (نحو 25 سم) ، للاحتفاظ بضغط البخار عاليا ، ولمنع تسرب الأشعاعات الناتجة من الأنشطار النووي إلى الخارج والوقاية منها. يخرج بخار الماء بضغط يبلغ 400 ضغط جوي وتكون درجة حرارته نحو 450 درجة مئوية بواسطة أنابيب متينة من حاوية المفاعل .
4- محولات حرارية يأتي البخار عالى الضغط من المفاعل إلى المحولات لفصل دائرتي الماء ، الدائرة الأولية التي تلف في المفاعل وهذه تكون عالية الإشعاع. لذلك تُفصل عن الدائرة الثانوية للماء الساخن المضغوط ، ويتحول هذا الماء في الدائرة الثانوية عند مغادرته للمحول الحراري إلى بخار ماء عالي الضغط والحرارة ويوجه إلى توربين لتوليد الكهرباء .
5- مولد كهربائي عملاق يديره التوربين وبالتالى يتم توليد التيار الكهربائي .
وبذلك تتحول الطاقة النووية إلى طاقة حرارية ثم إلى طاقة حركة للتوربين والمولد الكهربائي إلى طاقة كهربائية لشغيل المصانع وإنارة المنازل

أجزاء المفاعل النووي
تختلف المفاعلات النووية من حيث التصميم والحجم، إلا أن معظمها يتكون من خمسة أجزاء أساسية هي 1- القلب 2- المهدِّئ 3- قضبان التحكم 4- المبرِّد 5- وعاء الضغط. كما يوجد في المفاعلات أيضًا درع حماية بيئية ونظام أمان لوقاية مشغلي المفاعل والعاملين فيه من فنيين وغيرهم، إضافة إلى حماية المدنيِّين في المناطق القريبة من المفاعل.

القلب: يُعد قلب المفاعل النووي الجزء الأساسي به، ويتكون من الوقود النووي، وتحدث فيه عملية الانشطار النووي.
الوقود
يتكون الوقود النووي في معظم المفاعلات النووية من خليط من عدد من نظائر اليورانيوم. وأهم نظائر اليورانيوم المستخدمة في المفاعلات؛ اليورانيوم ـ 235، وهو النظير الذي ينشطر فعليًا. ويوجد نوع من المفاعلات الخاصة، يُطلق عليه المفاعل المولد، يمكنه تحويل اليورانيوم ـ 238 المتوافر بكثرة إلى البلوتونيوم ـ 239 القابل للانشطار.

ويَحْدُث الانشطار النووي في المفاعل الذي يستخدم اليورانيوم وقودًا، عندما تأسِرُ نواة ذرة اليورانيوم ـ 235. نيوترونًا. والنيوترون جسيم ذري ثقيل غير مشحون كهربائيًا. وعندما تأسرذرة اليورانيوم ـ 235 النيوترون، فإن نواتها تنشطر إلى نواتين صغيرتين، تعرفان باسم شظايا الانشطار. مع انبعاث قدر كبير من الطاقة، وانطلاق عدد كبير من النيوترونات. وتصطدم النيوترونات المنطلقة من الانشطار الأول بعدد من نويات اليورانيوم، مما يؤدي إلى انشطارها إلى أجزاء، ومن ثم، تولد الانشطارات الحادثة عددًا أكبر من النيوترونات التي تؤدي بدورها إلى انشطار مزيد من نويات اليورانيوم. وتسمى سلسلة الانشطارات ذاتية الاستمرار في الوقود النووي التفاعل المتسلسل. ويمكن أن تُسبب هذه العملية ترليونات من الانشطارات النووية في جزء من الثانية ـ منتجة كمية ضخمة من الطاقة.

المُهدئ: مادة تستخدم في كثير من المفاعلات لرفع مُعدَّل الانشطار واسْتِثارة التفاعل المتسلسل. وأهم أنواع المهدّئات؛ الجرافيت، والماء، أو الماء الثقيل، وهو مركب من الأكسجين والديوتريوم. وتعمل المهدئات على إبطاء سرعة النيوترونات المنطلقة من انشطار ذرات اليورانيوم ـ 235. ويٌساعد إبطاء سرعة النيوترونات المنطلقة من الانشطارات ذرات اليورانيوم الأخرى في أَسْرِ النيوترونات بصورة أفضل، مما يساعدها على الانشطار. وإذا لم يستطع المهدئ تخفيض سرعة النيوترونات، فإن ذرات اليورانيوم ـ 238 سوف تمتص عددًا كبيرًا من هذه النيوترونات التي لن تنشطر.

قضبان التحكم: تعمل قضبان التحكم في المفاعل النووي على تنظيم مُعدل التفاعل المتسلسل، وتُصنع من البورون أو الكادميوم أو بعض العناصر الأخرى التي يمكنها امتصاص النيوترونات دون حدوث أي تغيُّر في المادة الممتصة.

وبعد تحميل قلب المفاعل بالوقود، تُسحب قضبان التحكم جزئيًا من المفاعل بحيث يمكنها امتصاص عدد قليل نسبيًا من النيوترونات. ويساعد سحب قضبان التحكم جزئيًا من المفاعل التفاعل المتسلسل في أن يصبح ذاتي الاستمرار. وعندئذ يقوم المشغل بإيلاج القضبان في قلب المفاعل، حتى يتم امتصاص كمية كافية من النيوترونات لإبطاء التفاعل، ومنع حدوث الانفجار. وإذا رغب المشغل في زيادة مستوى الطاقة في المفاعل يمكنه سحب قضبان التحكم جزئيًّا من قلب المفاعل، وهكذا يتحرر عدد أكبر من النيوترونات وتزداد سرعة التفاعل المتسلسل.

المُبَرِّد: يحمل المبرِّد الحرارة الشديدة الناتجة عن الانشطار خارج المفاعل، ويعمل على توفير الطاقة الحرارية، لأنظمة أخرى في محطة المفاعل النووي لتوليد الطاقة الكهربائية. وفي الوقت نفسه تتحكم المادة المبردة في درجة حرارة قلب المفاعل وتنظمها، وتمنعه من التسخين المفرط. وثمة مواد عديدة يمكن استخدامها مبردات، منها الغازات والسوائل، والفلزات السائلة.
تصنيفها
وتصنف المفاعلات النووية إلى أنواع طبقًا لنوع المبرد المستخدم فيها، وطريقة استخدام المادة المبردة في المفاعلات. فهناك المفاعلات المبردة بالغاز، وهي تلك المفاعلات التي تستخدم ثاني أكسيد الكربون أو غاز الهيليوم، لنقل الطاقة الحرارية من داخل قلب المفاعل إلى خارجه، وتوصيلها إلى مولد البخار، ومن ثم يدفع ذلك البخار توربينات خاصة لتوليد الطاقة الكهربائية. وهناك نوعان آخران من المفاعلات يستخدمان الماء في عملية التبريد، النوع الأول مفاعل الماء المغلي، وفيه تؤدي الطاقة الحرارية المسحوبة من قلب المفاعل إلى غليان الماء، ومن ثم تحويله إلى بخار، ثم ينساب البخار، ويتدفق من المفاعل إلى توربين متصل بمولد كهربائي. والنوع الثاني هو مفاعل الماء المضغوط، وفي هذه الحالة يمتص الماء الحرارة من قلب المفاعل، لكنه لا يصل إلى درجة الغليان إلا أنه يظل ساخنًا لأن الماء يظل تحت ضغط مرتفع. وينقل الماء الساخن من المفاعل إلى مبادل حراري منفصل حيث يولِّدُ المبادل الحراري البخار اللازم لإدارة التوربينات البخارية.

تستعمل بعض المفاعلات المولدة الصوديوم المنصهر مادة تبريد. وفي المفاعلات المولدة السريعة المبردة بالفلز السائل يحمل الصوديوم المنصهر الحرارة من قلب المفاعل إلى نظام من المبادلات الحرارية. ويُستخدم نظام المبادلات الحرارية الطاقة الحرارية المنبعثة من المفاعل، في توليد البخار لدفع التوربينات.

وعاء الضغط : يحتوي وعاء الضغط على القلب في معظم المفاعلات، كما أنه يحتوي ـ أيضا ـ على قنوات تمرير مادة تبريد المفاعل. وتُصمم جدران وعاء الضغط بحيث يمكنها مقاومة الضغط العالي المتولد من التفاعل المتسلسل. وفي معظم الحالات تُبطن جدران وعاء الضغط بألواح سميكة من الفولاذ؛ للحد من انتشار الإشعاعات النووية وانتقالها من القلب. وتنطلق من الانشطار النووي كمية ضخمة من النيوترونات المخترقة و أشعة جاما (أشعة كهرومغنطيسية ذات طاقة عالية جدًا). ويمكن لكل من النيوترونات وأشعة جاما أن تؤذيا الإنسان وتضرا بصحته.

الدرع البيولوجية: تتكون الدرع البيولوجية في المفاعلات النووية من كتل خرسانية سميكة تحيط بوعاء الضغط. وتعمل الدرع الخرسانية على حماية الإنسان من التعرض للأشعة، حيث تمتص الخرسانة أشعة جاما والنيوترونات المتسربة من وعاء الضغط. كما توجد في المفاعلات معدات خاصة لمراقبة مستوى الإشعاعات حول الدرع، تطلق الإنذار بصفة مستمرة إذا زاد مستوى الإشعاعات على المستوى المتعارف عليه. ويساعد ذلك على التأكد من عدم حدوث أي تسرب للإشعاعات خارج القلب أو في المنطقة المحيطة بالمفاعل.

نظام الأمان: يتألف نظام الأمان في المفاعلات النووية من معدات مصممة لمنع وقوع الحوادث الخطيرة. وإحدى معدات نظام الأمان في المفاعلات هي أذرع الأمان، التي تسمح بإغلاق المفاعل بسرعة فائقة عند ظهور أي خطر. وتنغمس أذرع الأمان أوتوماتيًا في قلب المفاعل، عندما يكتشف جهاز إحصاء النيوترونات زيادة غير عادية في معدل الانشطار في المفاعل. وبجانب أذرع الأمان توجد أيضا معدات أخرى لإغلاق المفاعل في حالة الطوارئ. ويتكون نظام الأمان في المفاعل من كريات دقيقة من أكسيد السمريوم، وهو مركب من السمريوم والأكسجين. وعند حدوث أي طارئ تَسْقطُ هذه الكريات أوتوماتيًا وبسرعة إلى قلب المفاعل. وبمجرد وصولها إلى القلب تمتص كمية كبيرة من النيوترونات تكفي لتوقف التفاعل المتسلسل تمامًا.

يوجد في معظم المفاعلات النووية أيضًا نظام الطوارئ لتبريد القلب ويحفظ هذا النظام، قلب المفاعل من التسخين المفرط إذا فقد المبرد الأصلي من المفاعل، لأي سبب من الأسباب. فمثلاً إذا انفجر أحد أنابيب تبريد الماء المضغوط، يقوم نظام تبريد الطوارئ بغَمر قلب المفاعل في الماء أوتوماتيًا للحد من درجة حرارة قلب المفاعل وبهذا يمنع انصهار الوقود النووي.

يؤدي انصهار الوقود النووي إلى انبعاث كمية ضخمة من المواد المشعة شديدة الخطورة من المفاعل إلى الجو المحيط. ولمنع تَسَرُّب المواد ذات النشاط الإشاعي إلى المناطق المحيطة بالمفاعل، تُحاط معظم إنشاءات المفاعل بأبنية احتواء مانعة للتسرب. ووجود المرشحات والمعدات المشابهة في مباني المفاعلات، يمكنها من اصطياد معظم الجسيمات المشعة، وبهذا يتم التخلص منها حيث لا تنبعث إلى الجو المحيط بالمفاعل. ويساعد وجود حجيرات محكمة الغلق وغير نافذة الهواء، ـ يطلق عليها المسد الهوائي ـ على مغادرة الفنيين والعاملين بالمفاعل مبنى المفاعل دون أي خوف أو خطر من تلوث الجو خارج المفاعل.

المفاعلات والبيئة
تنتج المفاعلات النووية القدرة الكهربائية دون حرق الوقود التقليدي مثل الفحم الحجري أو النفط. ولذا فإن المفاعلات النووية تساعد على حفظ الاحتياطي العالمي من الوقود غير المتجدد والقابل للنضوب، لاستخدامات أخرى أهم من حرقه. ولا تتصاعد من المفاعلات النووية في عملية توليد القدرة الكهربائية أية أدخنة أو غازات، ومن ثم فلا تُعَدُّ المفاعلات النووية مصدرًا لتلوث الهواء. وعلى الرغم من هذه المميزات فإن التفاعلات النووية تسبب بعض المشكلات الجديدة وغير المعروفة من جراء استخدام المفاعلات النووية.

وتولِّد محطات القدرة النووية قدرًا كبيرًا من الطاقة الحرارية، أكثر مما تولده محطات القدرة، التي تحرق الفحم الحجري أو النفط. ولهذا السبب تحتاج المفاعلات النووية كميات كبيرة جدًا من الماء لتبريد أنظمتها، ومن ثم تَضُخ كميات ضخمة من المخلفات المائية الساخنة، وتلقي بها في البحيرات والمجاري المائية. ويطلق على الكمية الكبيرة من الماء الساخن المتدفق إلى البيئة المحيطة من المفاعلات النووية التلوث الحراري. وهو ضار بالحيوانات والنباتات التي تنمو وتعيش في مدى منخفض من درجات الحرارة. وللمساعدة في حل مشكلة التلوث الحراري أنشئت بمحطات القدرة النووية أبراج تبريد، تستخدم الهواء لتبريد الماء الساخن الناتج عن المفاعلات النووية قبل ضخه إلى البحيرات والمجاري المائية.

وثمة مشكلة أخرى ترتبط باستخدام المفاعلات النووية، إلى جانب مشكلة التلوث الحراري، وهي كيفية التخلص من نواتج الانشطار والمخلفات المشعة الأخرى الناتجة في المفاعل. وتظل هذه المخلفات ذات النشاط الإشعاعي لآلاف السنين، ولهذا يمكن أن تسبب أضرارًا إشعاعية خطيرة لجميع الكائنات الحية على وجه الأرض. ولم يتوصل العلماء حتى الآن إلى طريقة مناسبة للتخلص من هذه المخلفات بشكل نهائي. وفي فترة الستينيات والسبعينيات من القرن العشرين، تم تخزين معظم المخلفات المشعة الناتجة عن المفاعلات في حاويات مدرّعة دفنت في باطن الأرض.

ويُقِضّ مضجع كثير من الناس احتمال وقوع حادثة خطيرة في واحد من المفاعلات. وقد تزايد هذا الخوف بعد حادث مفاعل القدرة النووية في الاتحاد السوفييتي السابق عام 1986م، حيث انفجر المفاعل النووي في تشيرنوبل بالقرب من مدينة كييف بأوكرانيا، واشتعلت الحرائق فيه. وأدى هذا الحادث إلى انطلاق كميات ضخمة من المواد المشعة، التي انتشرت في المناطق المحيطة وعلى مساحات واسعة، مما عرَّض حياة آلاف الناس لمستويات خطرة من الإشعاعات. وقد سبب إنشاء عدد قليل من المفاعلات النووية الجديدة ـ في أماكن مختلفة من العالم ـ كثيرًا من الذعر والخوف ومردُّ ذلك إلى عدم توافر سلامة أي من هذه المفاعلات.

مجالات الاستخدام
وتستخدم مفاعلات الأبحاث الذرية في إنتاج النظائر المشعة التي تستعمل في الطب والصناعة والزراعة وبحوث الكيمياء وتطبيقات الفيزياء وتشخيص الأمراض وعلاج بعضها لاسيما الأورام السرطانية.

كما تستعمل هذه النظائر في مقاومة الآفات الزراعية وزيادة المحاصيل الزراعية ومتابعة العمليات الحيوية للإنسان والحيوان والنبات.

وتشمل استخدامات مفاعلات الطاقة النووية توليد الكهرباء وإنتاج الطاقة المستخدمة في تحلية مياه البحر وتسيير بعض أنواع السفن.

المفاعلات النووية تشغل مساحات جغرافية صغيرة (رويترز)
إيجابيات المفاعل
تشغل المفاعلات النووية مساحات جغرافية صغيرة نسبيا من الأرض وتحتاج في توليد الطاقة النووية السلمية إلى وقود من اليورانيوم -متوفر بكثرة بعدة دول ويمتاز بسهولة نقله واستخراجه- أقل بكثير من الفحم أو البترول المستخدمين في توليد نفس الكمية من الطاقة.

وتتميز المفاعلات النووية بكلفتها المنخفضة مقارنة مع المصادر الأخرى لإنتاج الطاقة بالإضافة إلى أن المفاعلات النووية تخلف نفايات ضئيلة مقارنة بما تخلفه الوسائل الأخرى لتوليد الطاقة.

"
استخدام الطاقة النووية يؤدي إلى إنتاج النفايات ذات الفعالية الإشعاعية العالية التي لا تتضمن خطط التخلص منها حماية كافية للأفراد والمياه الجوفية
"مساوئ ومخاطر
يؤدي استخدام الطاقة النووية إلى إنتاج النفايات ذات الفعالية الإشعاعية العالية التي لا تتضمن خطط التخلص منها حماية كافية للأفراد والمياه الجوفية من إشعاعاتها الخطيرة، كما يسبب الماء المستخدم في المفاعلات النووية في مشكلات تهدد سلامة البيئة.

وتتعرض المفاعلات النووية لحوادث أو كوارث طبيعية يترتب عليها تعرض مئات الآلاف من البشر للإشعاعات المتسربة وإصابتهم بالأورام الخبيثة المميتة مثلما حدث في كارثتي تشرنوبل الأوكرانية وفوكوشيما اليابانية.
الخاتمة
ان المفاعلات النووية فيها مجالات واستخدامات ومعاكساتها للبيئة والناحية السلبية واجابية فيها لذا يجب ان نتوخا الحذر والحيطة والمعرفة والعلم نور والجهل ظلام الحمد لله بخير