طاقات مستديمة : الطاقة النووية

طاقات مستديمة : الطاقة النووية
Nuclear Power
الطاقة النووية هي الطاقة التي يتم توليدها عن طريق التحكم في تفاعلات انشطار أو اندماج الأنوية الذرية . تستغل هذه الطاقة في محطات توليد الكهرباء النووية ، لتسخين الماء لإنتاج بخار الماء الذي يستخدم بعد ذلك لإنتاج الكهرباء .
في 2016، شكلت نسبة الكهرباء المنتجة من الطاقة النووية بحوالي 18 – 20 % من إجمالي الطاقة الكهربية المنتجة في العالم . كما تعمل الآن أكثر من 150 غوّاصة الآن بالطاقة النووية .
العلماء ينظرون إلى الطاقة النووية كمصدر حقيقي لا ينضب للطاقة. ومما يثير الجدل حول مستقبل الطاقة النووية حتى الان , هو تكاليف الانشاء العالية لبناء المفاعلات ، رغم تقدمت الصناعات النووية كثيرا بحيث أن لديها الاستعدادات لحل مسائل سلامة تشغيل المفاعلات والتخلص السليم من النفايات المشعة .
تأثير الإشعاع على الكائنات :
يتسبب الاشعاع النووي عند الجرعات الإشعاعية الكبيرة في تشوهات وإعاقات تصعب معالجتها وقد يصل تأثيرها إلى حد موت من يصاب بها . ويؤثر الإشعاع النووي مباشرة على مكونات الخلايا الحية نتيجة تفاعلات لا علاقة لها بالتفاعلات الطبيعية في الخلية . وحجم الجرعة المؤثرة يختلف حسب نوعية الكائن الحي . تأثر الثدييات والكائنات يبدأ عند جرعة لا تزيد عن 2 جراي ( 1 جراي = جول لكل كيلو جرام من الجسم المعرض للإشعاع النووي Gray = J / kg ) ، والفيروسات تتحمل جرعة تصل 200 جراي أي ضعف الجرعة المؤثرة على الثدييات 100 مرة .
وكمية النفايات المشعة نتيجة الانشطار النووي بمحطات إنتاج الكهرباء بالمفاعلات النووية محدودة مقارنة بكمية النفايات بالمحطات الحرارية التي تعمل بالطاقة الأحفورية كالنفط أو الفحم . فالنفايات النووية تصل 3 ميليجرام لكل كيلو واط ساعة ( 3 mg / kWh ) مقابل حوالي 700 جرام ثاني أكسيد الكربون لكل كيلو واط ساعة بالمحطات الحرارية العادية . لكن هذه الكمية الصغيرة جدا من الإشعاع النووي قد تكون قاتلة أو قد تتسبب في عاهات وتشوهات لا علاج لها . لهذا فإن جميع الدول التي تستخدم الطاقة النووية لإنتاج الطاقة الكهربائية تعمل على التخلص من تلك النفايات المشعة بدفنها في الطبقات الجيولوجية العميقة تحت سطح الأرض بعيدا عن الناس ، وقد تستمر فاعلية الإشعاعات لقرون بل لآلاف السنين حتي يخمد هذا الإشعاع أو يصل إلى مستوى يعادل الإشعاع الطبيعي. لهذا يحاول العلماء حاليا ً توليد الطاقة النووية عن طريق الاندماج النووي ( تماما كالتي تجري حاليا في الشمس ) والتي تسفر عن نفايات مشعة قليلة . بدلا من الانشطار النووي الذي تنشطر فيه ذرات اليورانيوم وتعطي بروتونات ونيوترونات وجسيمات دقيقة ،
محطات الطاقة النووية :
تعتبر محطات التوليد النووية نوعا من محطات التوليد الحرارية البخارية ، حيث تقوم بتوليد البخار بالحرارة التي تتولد في فرن المفاعل . الفرق في محطات الطاقة 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 الاسمنت تصل إلى سمك مترين وذلك لحماية العاملين في المحطة والبيئة المحيطة من التلوث بالإشعاعات الذرية.
نفذت أول محطة توليد نووية في العالم في عام 1954 في الاتحاد السوفيتي بطاقة 5 ميجا واط . عندما توصل العلماء إلى تحرير الطاقة النووية من بعض العناصر كاليورانيوم والبلوتونيوم . فوقود المفاعلات النووية اليورانيوم المخصب بكمية تكفي لحدوث تفاعل انشطاري تسلسلي يستمر من تلقاء ذاته . ويوضع الوقود في شكل حزم من قضبان اليورانيوم طويلة داخل قلب المفاعل الذي هو عبارة عن غلاية كبيرة تتحمل الضغوط العالية شديدة العزل ذات جدار فولاذي سميك . ويتم الانشطار النووي بها لتوليد حرارة لتسخين المياه وتكوين بخار عالي الضغط ، الذي يدير زعانف التوربينات التي تتصل بمولدات كهربائية ( Alternator ) . ويتم ضبط معدل تشغيل المفاعل عن طريق إدخال قضبان تحكم في قلب المفاعل من عنصر الكادميوم التي تمتص النيوترونات الزائدة . فكلما تم تقليل عدد النيوترونات في المفاعل كلما بطء معدل انشطار أنوية اليورانيوم .
وكان أول مفاعل نووي قد أقيم عام 1944 في هانفورد بأمريكا لآنتاج مواد الأسلحة النووية وكان وقوده اليورانيوم الطبيعي . وكانت المادة المهدئة لسرعة النيوترونات هي الجرافيت ، فكان ينتج البلوتونيوم لاستخدامه في صناعة القنابل الذرية . ولم تكن الطافة المتولدة من المفاعل تُستغل . ثم بُنيت أنواع مختلفة من المفاعلات في كل أنحاء العالم لتوليد الطاقة الكهربائية . وتختلف في نوع الوقود والمبردات والمهدئات . وفي أمريكا يستعمل الوقود النووي في شكل أكسيد اليورانيوم المخصب حتي 3 % باليورانيوم – 235 . والمهدئ والمبرد من الماء النقي . وهذا النوع من المفاعلات يطلق عليها مفاعلات الماء الخفيف ( أي الماء العادي ) .
اليورانيوم هو المادة الخام الأساسية للمشروعات النووية المدنية والعسكرية. ويستخلص من طبقات قريبة من سطح الأرض أو عن طريق التعدين من باطن الأرض. ورغم أن مادة اليورانيوم توجد بشكل طبيعي في أنحاء العالم ، لكن القليل منه فقط يوجد بشكل مركز كخام . وحينما تنشطر ذرات معينة من اليورانيوم في تسلسل تفاعلي بسمي بالانشطار النووي.، ويحدث ببطء في المنشآت النووية ، وبسرعة هائلة في حالة تفجير سلاح نووي . وينجم عن ذلك انطلاق للطاقة , وفي الحالتين يتعين التحكم في الانشطار تحكما بالغا . ويكون الانشطار النووي في أفضل حالاته حينما يتم استخدام النظائر من اليورانيوم-235 ( أو البلوتونيوم 239 ) ، والمقصود بالنظائر هي الذرات ذات نفس الرقم الذري ولكن بعدد مختلف من النيوترونات. ويعرف اليورانيوم-235 بـالنظير الانشطاري لميله للانشطار محدثا تفاعلا تسلسليا ، يطلق الطاقة في صورة حرارية . وحينما تنشطر نواة ذرة من اليورانيوم-235 فإنها تطلق نيوترونين أو ثلاث نيوترونات . وحينما تتواجد إلى جانبها ذرات أخرى من اليورانيوم-235 تصطدم بها تلك النيوترونات مما يؤدي لانشطار الذرات الأخرى ، وبالتالي تنطلق نيوترونات أخرى . ولا يحدث التفاعل النووي إلا إذا توافر ما يكفي من ذرات اليورانيوم-235 بما يسمح بأن تستمر هذه العملية كتفاعل متسلسل يتواصل من تلقاء نفسه. أو ما يعرف بـالكتلة الحرجة . غير أن كل ألف ذرة من اليورانيوم الطبيعي تضم سبع ذرات فقط من اليورانيوم-235 القادرة على الانقسام . بينما تكون الذرات الأخرى الـ993 من اليورانيوم الأكثر كثافة ورقمه الذري يورانيوم-238 فلا تتميز بخاصية الانقسام عند امتصاصها للنيوترون . ومفاعلات الماء الخفيف Light Water Reactors هي نوع من المفاعلات الانشطارية النووية The Nuclear Fission Reactors التي تستعمل في الولايات المتحدة الأمريكية وإنجلترا واليابان وفرنسا وألمانيا والصين وكندا وبلجيكا لتوليد القوى الكهربائية ويستخدم الماء العادي كوسيط في تسخين الماء وتحويله إلى بخار عالي الضغط لتشغيل التوربينات لتوليد الكهرباء من المولدات. وهذا يتطلب تخصيب وقود اليورانيوم الخام Uranium Fuel Enrichment.
اليورانيوم هو المادة الخام الأساسية للمشروعات النووية المدنية والعسكرية. ويستخلص من طبقات قريبة من سطح الأرض أو عن طريق التعدين من باطن الأرض. ورغم أن مادة اليورانيوم توجد بشكل طبيعي في أنحاء العالم ، لكن القليل منه فقط يوجد بشكل مركز كخام . وحينما تنشطر ذرات معينة من اليورانيوم في تسلسل تفاعلي بسمي بالانشطار النووي.، ويحدث ببطء في المنشآت النووية ، وبسرعة هائلة في حالة تفجير سلاح نووي . وينجم عن ذلك انطلاق للطاقة , وفي الحالتين يتعين التحكم في الانشطار تحكما بالغا . ويكون الانشطار النووي في أفضل حالاته حينما يتم استخدام النظائر من اليورانيوم-235 ( أو البلوتونيوم 239 ) ، والمقصود بالنظائر هي الذرات ذات نفس الرقم الذري ولكن بعدد مختلف من النيوترونات. ويعرف اليورانيوم-235 بـالنظير الانشطاري لميله للانشطار محدثا تفاعلا تسلسليا ، يطلق الطاقة في صورة حرارية . وحينما تنشطر نواة ذرة من اليورانيوم-235 فإنها تطلق نيوترونين أو ثلاث نيوترونات . وحينما تتواجد إلى جانبها ذرات أخرى من اليورانيوم-235 تصتدم بها تلك النيوترونات مما يؤدي لانشطار الذرات الأخرى ، وبالتالي تنطلق نيوترونات أخرى . ولا يحدث التفاعل النووي إلا إذا توافر ما يكفي من ذرات اليورانيوم-235 بما يسمح بأن تستمر هذه العملية كتفاعل متسلسل يتواصل من تلقاء نفسه. أو ما يعرف بـالكتلة الحرجة . غير أن كل ألف ذرة من اليورانيوم الطبيعي تضم سبع ذرات فقط من اليورانيوم-235 القادرة على الانقسام . بينما تكون الذرات الأخرى الـ993 من اليورانيوم الأكثر كثافة ورقمه الذري يورانيوم-238 فلا تتميز بخاصية الانقسام عند امتصاصها للنيوترون . ومفاعلات الماء الخفيف Light Water Reactors هي نوع من المفاعلات الانشطارية النووية The Nuclear Fission Reactors التي تستعمل في الولايات المتحدة الأمريكية وإنجلترا واليابان وفرنسا وألمانيا والصين وكندا وبلجيكا لتوليد القوى الكهربائية ويستخدم الماء العادي كوسيط في تسخين الماء وتحويله إلى بخار عالي الضغط لتشغيل التوربينات لتوليد الكهرباء من المولدات. وهذا يتطلب تخصيب وقود اليورانيوم الخام Uranium Fuel Enrichment.
وعملية تخصيب اليورانيوم Uranium Enrichment تتم بتخلل مادة هكسا فلوريد اليورانيوم Uranium Hexaflouride الغازية وراء حاجز من مادة مسامية فتزيد نسبة اليورانيوم-235 في اليورانيوم من 7.0 % إلى نحو 5.3 %. وذلك لأن نفاذية اليورانيوم-235 في الحاجز المسامي تكون أعلى من نفاذية النظير يورانيوم-238 الأثقل منه ، وبتكرار عملية النفاذية خلال حواجز متتالية مرات كثيرة ترتفع نسبة اليورانيوم-235 من 7.0 % إلى 5.3 % ويصبح بذلك صالحا للاستخدام في المفاعلات النووية التي تعمل بالماء العادي،
كما يمكن فصل مادة اليورانيوم-235 الخفيفة نسبيا بطريقة أخرى عن يورانيوم-238 بواسطة آلات الطرد المركزي ، وها ما تتبعه إيران في الوقت الحاضر. ووقود اليورانيوم اللازم للمفاعلات الانشطارية لا يصنع قنبلة ذرية لأن القنبلة تحتاج تخصيب أكثر يصل إلى 90 % يورانيوم-235 لكي يتم تفاعل متسلسل سريع وقت الانفجار.
وهناك طريقة التدفق النفاث المتبعة في جنوب أفريقيا وطريقة الفصل للنظير بالكهرومغناطيسية التي كان العراق يتبعها قبل حرب الخليج عام 1991 . ويمكن استعمال طريقة التخصيب بالليزر لفصل اليورانيوم بتحويل المعدن إلى بخار وبتسليط أشعة الليزر عليه فتثير ذرات اليورانيوم-235 والتي تتجمع وتتركز بالتأثير الإلكتروستاتيكي ، وهذه التجربة تمت في كوريا الجنوبية عام 2000 سرا.
ويطلق علي مفاعلات الانشطار النووي في كندا مفاعلات الماء الثقيل حيث يعمل الماء الثقيل كوسيط بالمفاعل ويقوم الديوتيريوم deuterium ، وهو الإيدروجين الثقيل الموجود في الماء الثقيل بتقليل سرعة النيترونات في التفاعل الانشطاري المتسلسل.وهذا النوع من المفاعلات لا يتطلب وقود يورانيوم مخصب بل طبيعي ويطلق علي هذه المفاعلات الكندية مفاعلات كاندو Candu .
أنواع أخرى من المفاعلات :
1 – هناك نوع من المفاعلات النووية يستخدم فيها غاز الهيليوم كوسط لخفض سرعة النيوترونات وكناقل للحرارة في نفس الوقت . من مميزات هذا النوع من المفاعلات أنها يمكن أن تعمل باليورانيوم الطبيعي أو الثوريوم وهو عنصر نووي توجد خاماته الأولية في كثير من البلاد .
2 – مفاعل سريع بتبريد الرصاص ويستخدم في بعض الغواصات الروسية.
3 – مفاعل ملح منصهر تعمل بالثوريوم
– 4 مفاعل الماء الثقيل المضغوط وهو يعمل باليورانيوم الطبيعي.
إنهاء الطاقة النووية :
انهاء الطاقة النووية مصطلح يتم إطلاقه على عملية إغلاق محطات الطاقة النووية تدريجياً بشكل منظم من قبل بعض الدول التي تملك هذه المفاعلات. السبب في رغبة هذه الدول في انهاء الطاقة النووية على أراضيها هي النفايات النووية الضارة التي لا يمكن إعادة تصنيعها.
مفاعل سيزر :
تمكن كلوديو فيلبون العالم النووي ومدير مركز الطاقة المتطورة في جامعة ميريلاند الأمريكية من ابتكار وتصميم مفاعل سيزر Caesar المتطور لإنتاج الكهرباء دون التسبب في أي تلوث نووي ، أو انتشار الإشعاعات النووية . عكس المفاعلات النووية التقليدية التي تدار بأذرع وقود اليورانيوم 238 المزود بحوالي 4 % من اليورانيوم 235 . حيث يتحكم «الوسيط» بإدخاله بين قضبان الوقود ليبطء بعض النيوترينات لتتحرك ببطء بدرجة كافية بحيث تعمل على انشطار أنوية الذرات . ومفاعل سيزر يمكن تشغيله لعقود دون الحاجة إلى إعادة تزويده بالوقود .
مفاعلات البحوث :
هناك مفاعلات البحوث وهي أبسط من مفاعلات الطاقة وتعمل في درجات حرارة ووقود أقل من اليورانيوم عالي التخصيب ( 20 % من U 235 ) على الرغم من أن بعضاً من المفاعلات البحثية الأقدم تستخدم 93 % من U235. وكمفاعلات الطاقة يحتاج قلب مفاعل البحث للتبريد ، ومهدئ من الماء الثقيل أو بالجرافيت لتهدئة النترونات وتعزيز الانشطار. تستخدم للبحث والتدريب واختبار المواد أو إنتاج النظائر المشعة من أجل الاستخدام الطبي والصناعي . وهذه المفاعلات أصغر من مفاعلات الطاقة . ويوجد 283 من هذه المفاعلات تعمل في 56 دولة . من أجل البحث العلمي .
مستقبل المفاعلات النووية :
تزود الطاقة النووية دول العالم بأكثر من 16 % من الطاقة الكهربائية ؛ فهي تمد 35 % من احتياجات دول الاتحاد الأوروبي . واليابان تحصل على 30 % من احتياجاتها من الكهرباء من الطاقة النووية ، بينما بلجيكا وبلغاريا والمجر وسلوفاكيا وكوريا الجنوبية والسويد وسويسرا وسلوفينيا وأوكرانيا فتعتمد على الطاقة النووية لتزويد ثلث احتياجاتها من الطاقة . لأن كمية الوقود النووي المطلوبة لتوليد كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية أقل بكثير من كمية الفحم أو البترول اللازمة لتوليد نفس الكمية . فطن واحد من اليورانيوم يقوم بتوليد طاقة كهربائية أكبر من ملايين من براميل البترول أو ملايين الأطنان من الفحم . والطاقة الشمسية كلفتها أكبر بكثير من تكاليف الطاقة النووية . ولا تطلق غازات ضارة في الهواء كغازات ثاني أكسيد الكربون أو أكسيد النتروجين أو ثاني أكسيد الكبريت التي تسبب الاحتراز العالمي والمطر الحمضي والضباب الدخاني. ومصدر الوقود النووي ( اليورانيوم ) متوفر وسهل الحصول عليه ونقله ، بينما مصادر الفحم والبترول محدودة.
وتشغل المحطات النووية لتوليد الطاقة مساحات صغيرة من الأرض مقارنة بمحطات التوليد التي تعتمد على الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح . لكن استخدام الطاقة النووية يسبب إنتاج النفايات ذات الإشعاعية العالية . وقد أبتليت المفاعلات النووية بسوء السمعة بسبب الحادث المروع الذي حدث في محطة الطاقة النووية في تشيرنوبل بأوكرانيا عام 1986 والذي أدي إلى تسرب إشعاعي فظيع. فقد أدي إلى مقتل 31 شخصاً وتعريض مئات الآلاف للإشعاع الذي سيستمر تأثيره على أجيال قادمة.
مشروعات نووية مستقبلية :
على الرغم من معارضات كثيرة للطاقة النووية فالعالم ينظر إلى الطاقة النووية للتقليل من الاعتماد على النفط والفحم والغاز لإنتاج الطاقة الكهربائية.
الصين : يعمل بها 11 مفاعل نووي ، وتقوم حاليا بإنشاء 14 مفاعل ،
فرنسا : يعمل بها 59 مفاعل نووي ، وتقوم حاليا بإنشاء 1 مفاعل ،
الهند : يعمل بها 17 مفاعل نووي ، وتقوم حاليا بإنشاء 6 مفاعل ،
اليابان : يعمل بها 53 مفاعل نووي ، وتقوم حاليا بإنشاء 2 مفاعل ،
روسيا : يعمل بها 31 مفاعل نووي ، وتقوم حاليا بإنشاء 8 مفاعل ،
أوكرانيا : يعمل بها 15 مفاعل نووي ، وتخطط لإنشاء 22 مفاعل .
الولايات المتحدة الأمريكية : يعمل بها 104 مفاعل نووي ، وتخطط لإنشاء 31 مفاعل .
المملكة العربية السعودية : قامت بإنشاء هيئة تعنى بالطاقة النووية باسم مدينة الملك عبد الله للطاقة الذرية والمتجددة ، وأعلنت انها ستمتلك عدة مفاعلات نووية عام 2030 .
جمهورية مصر العربية : تقوم حاليا بإنشاء محطة نووية في مدينة الضبعة