ما هي الطاقة النووية؟
منذ بداية الثورة الصناعية ، تسارع الطلب على الطاقة كل عام يمر. اليوم ، يتم تلبية معظم هذا الطلب على الطاقة من خلال استخدام الوقود الأحفوري. أدت الأحداث المدمرة في تشيرنوبيل وفوكوشيما وثري مايل آيلاند إلى إضعاف بعض الحماس الذي كان يحيط بالطاقة النووية ذات يوم. نظرًا للتكاليف الباهظة والتأثيرات السلبية على البيئة الناتجة عن الوقود الأحفوري ، يعمل الخبراء على مدار الساعة لتقليل الاعتماد المفرط عليها. في حين أن مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية والطاقة المائية أثبتت أنها بدائل مثالية ، إلا أنها لا تزال بعيدة عن تلبية احتياجات الإنسان. على الجانب الآخر ، تمتلك الطاقة النووية كل التقنيات اللازمة لاستخدامها على نطاق واسع. على الرغم من ذلك ، لا يزال هناك قدر كبير من الخوف وسوء الفهم الذي يدور حول الطاقة النووية.
بحكم التعريف ، الطاقة النووية هي الطاقة الموجودة في نواة الذرة. يمكن تسخير الطاقة باستخدام نوعين من التفاعلات ؛ الانشطار والاندماج. الذرات عبارة عن جزيئات صغيرة في الجزيئات تشكل المواد الصلبة والسوائل والغازات. تتكون الذرة نفسها من 3 جسيمات تعرف بالنيوترونات والبروتونات والإلكترونات. تتكون الذرة من نواة (نواة) تحتوي على البروتونات والنيوترونات. تحتوي البروتونات على شحنة كهربائية موجبة ، بينما تحتوي الإلكترونات على شحنة كهربائية سالبة. من ناحية أخرى ، ليس للنيوترونات شحنة كهربائية. الروابط التي تربط النواة ببعضها تحتوي على كمية هائلة من الطاقة. عندما يتم كسر هذه الروابط ، يتم إطلاق الطاقة النووية. تُعرف عملية تكسير هذه الروابط لتحرير الطاقة بالانشطار النووي. يمكن حصاد الطاقة لتوليد الكهرباء.
في عملية الانشطار النووي ، تنقسم الذرات. يطلق انقسام الذرات كمية هائلة من الطاقة. تستخدم جميع محطات الطاقة النووية في جميع أنحاء العالم الانشطار النووي لإنتاج الطاقة ، وتستخدم غالبية محطات الطاقة النووية ذرات اليورانيوم كمصدر للوقود. في سياق الانشطار النووي ، يصطدم نيوترون بذرة يورانيوم مما يؤدي إلى انقسامها. والنتيجة هي كمية أكبر من الطاقة على شكل إشعاع وحرارة. عندما تنقسم ذرة اليورانيوم ، يتم أيضًا إطلاق الكثير من النيوترونات. تستمر النيوترونات المنبعثة في الاصطدام مع ذرات اليورانيوم الأخرى ، وتستمر الدورة. تُعرف هذه العملية بالتفاعل النووي المتسلسل. يتم التحكم في هذا التفاعل بشكل كبير في مفاعل محطة الطاقة النووية لتوليد الكمية المطلوبة من الحرارة.
الاندماج النووي هو طريقة أخرى يمكن من خلالها إطلاق الطاقة النووية. في الاندماج النووي ، تتزامن الذرات أو تختلط للحصول على ذرة أكبر. يمثل هذا مصدر الطاقة في الشمس والنجوم. على الرغم من إمكانية استخدام الاندماج النووي لتوليد الطاقة ، إلا أنه لا يزال قيد البحث كمصدر قابل للتطبيق للحرارة والكهرباء. ومع ذلك ، فإن احتمال أن يكون مصدرًا مثاليًا للطاقة للاستخدام التجاري غير واضح. هذا بسبب تحديات التحكم في تفاعل الاندماج.
كيف تعمل الطاقة النووية في إنتاج الكهرباء
يتم إنتاج الكهرباء من خلال الطاقة النووية بنفس الطريقة التي يتم بها إنتاجها عن طريق حرق الفحم أو النفط أو الغاز الطبيعي. عند الاحتراق ، تتشكل الحرارة الناتجة عن البخار. ثم يدير البخار التوربينات. تقوم التوربينات بتشغيل المولدات التي تنتج الكهرباء. الفرق بين المصانع التي تستخدم الفحم والمصانع التي تستخدم اليورانيوم كوقود هو أننا هنا لا نحرق أي شيء. في الواقع ، يتم هنا وضع حزم من قضبان اليورانيوم ذات العناصر المشعة في المفاعل.
إن قضبان اليورانيوم ليست سوى كريات خزفية عمودية صغيرة يتم تعبئتها في أنابيب عمودية طويلة. تحدث عملية الانشطار النووي داخل المفاعل مما يتسبب في انقسام الذرات الفردية عن طريق إطلاق النيوترونات عليها. تنقسم نوى اليورانيوم وتطلق الطاقة على شكل حرارة. ثم تقوم النيوترونات المنبعثة بتقسيم المزيد من نوى اليورانيوم.
كما رأينا ، فإن اليورانيوم هو الوقود المستخدم في إنتاج الطاقة النووية. يُصنف اليورانيوم على أنه مصدر طاقة غير متجدد ، على الرغم من أنه معدن معروف جيدًا يتم استخراجه من الصخور في جميع أنحاء العالم.
1. انقسام الذرات
تبدأ العملية الكاملة لتوليد الطاقة النووية بتقسيم الذرات. يتم دمج ذرات اليورانيوم ، التي تأتي على شكل كريات مغطاة بالسيراميك ، في قلب المفاعل. والنتيجة هي تفاعل متسلسل في اللب يؤدي إلى انقسام الذرات. بطبيعة الحال ، اليورانيوم عنصر غير مستقر. لذلك من خلال التسبب في انقسامه ، فإنه يتحول إلى عنصر مستقر. ينتج عن هذه العملية إنتاج الإشعاع والحرارة.
2. امتصاص النيوترونات الحرة العائمة
أثناء عملية الانشطار النووي ، يتم إطلاق النيوترونات وتطفو بحرية داخل القلب. يتم امتصاص النيوترونات الحرة العائمة باستخدام قضبان التحكم. يساعد عنصر فلز ثلاثي التكافؤ يسمى البارون والذي يتم إطلاقه في مياه التبريد أيضًا في امتصاص هذه النيوترونات الحرة العائمة. يساعد هذا في التحكم في الإشعاع والحفاظ على المفاعل آمنًا وباردًا.
3. عملية التسخين
يبدأ الإشعاع والحرارة المتولدان أثناء عملية الانشطار في تسخين الماء. الماء ، في الأساس ، هو المبرد المحيط بالمفاعل. تؤدي المياه المحيطة وظيفتين ؛ يمنع ارتفاع درجة حرارة المفاعل وينقل البخار والحرارة لاستخدامهما في تدوير التوربينات.
4. المياه والأنابيب
يتدفق الماء الذي يعمل كمبرد باستمرار حول المفاعل وعبره. يتم تركيب أنبوبين مختلفين لنقل هذه المياه داخل وخارج غرفة الضغط. الأنبوب الأول (الأنبوب الأساسي) مسؤول عن إمداد الخزان بالمياه العذبة والباردة. يقوم الأنبوب الثاني (الأنبوب الثانوي) بنقل الماء الساخن والبخار لتدوير التوربينات. في اللحظة التي تنقل فيها الأنابيب الثانوية الماء من الحجرة ، مما يخفف من غليان الماء ، يمكن أن يغلي الماء الساخن ويتحول إلى بخار ويدور التوربينات. تم تصميم مجموعتي الأنابيب بطريقة تجعلهما لا يتلامسان مع بعضهما البعض. هذا لضمان بقاء درجة الحرارة في الغرفة متوازنة ولتنظيم إنتاج الحرارة والبخار بواسطة المفاعل.
ما هي استخدامات الطاقة النووية
يعتقد معظم الناس أن الطاقة النووية تستخدم فقط للأغراض المدمرة. ولكن لها استخدامات إيجابية أكثر من السلبية.
1. توليد الكهرباء
هناك الكثير من القواسم المشتركة بين إنتاج الطاقة النووية ومحطات الطاقة الأخرى. الفرق هو أن الطاقة النووية تُستخدم في إنتاج البخار الذي يتم توجيهه إلى التوربينات الدورانية التي تحفز مولدًا لإنتاج الكهرباء.
2. تستخدم في الزراعة
ساعد التقدم في تقنيات الطاقة النووية في إنتاج بذور مقاومة للأمراض والحشرات. وقد أدى ذلك إلى تحسين غلة المحاصيل. ساعد الإشعاع المنبعث من الطاقة النووية لفترة طويلة في الحفاظ على الإمدادات الغذائية مثل الفواكه والخضروات. كما ساعدت التكنولوجيا النووية العلماء في تحليل نوع التربة ، وقد ساعدت هذه المعلومات في زيادة جودة التربة.
3. اختبار الطب النووي
تستخدم التكنولوجيا النووية بشكل خاص في مسح النظائر (مسح النظائر المشعة). يستخدم مسح النظائر المشعة قدرًا صغيرًا من النشاط الإشعاعي لتوليد صور على كاميرات خاصة. يتم إعطاء الجرعة المشعة عادة عن طريق الحقن في وريد المريض من خلال اليد أو الذراع.
كما تُستخدم الإشعاعات النووية في علاج السرطان ، وهي عملية تُعرف بالعلاج الإشعاعي. يتم القضاء على الخلايا المصابة بالتعرض للإشعاع.
4. صنع القنبلة الذرية
شهدت السنوات الماضية انتشار القنابل النووية. هذه القنابل قادرة على تدمير مدينة بأكملها عن طريق توليد موجات الصدمة والإشعاع والحرارة نتيجة الانشطار. ومع ذلك ، فقد تم استخدام القنبلة الذرية مرتين فقط في الحرب ؛ تفجيرات هيروشيما وناجازاكي التي أسفرت عن مقتل الآلاف وتدمير هائل للممتلكات والبنية التحتية.
5. تحديد موارد المياه
المياه ضرورية للحياة ، ولكن في معظم أنحاء العالم ، هناك القليل من الإمدادات أو الندرة من المياه العذبة. تساعد تقنيات الهيدرولوجيا النظيرية العلماء على تتبع وقياس درجة موارد المياه الجوفية بدقة. توفر هذه التقنيات المبتكرة أدوات تحليلية حيوية للإدارة الفعالة والحفاظ على إمدادات المياه الحالية والكشف عن مصادر المياه الجديدة والمتجددة. توفر هذه الأدوات أيضًا إجابات حيوية للأسئلة التي تدور حول منشأ المياه الجوفية وعمرها وتوزيعها. بالإضافة إلى ذلك ، فهي تساعد في تحديد الترابط بين المياه السطحية والجوفية. تسمح النتائج بالتخطيط المستنير والإدارة الفعالة لموارد المياه.
على الرغم من أن الطاقة النووية تمثل 15٪ من الكهرباء المولدة عالميًا ، إلا أنها تأتي مع مجموعة من المزايا بما في ذلك الطاقة النظيفة ، والكميات الكبيرة ، والاحتياطيات العالية ، والموثوقية ، وتكلفة التشغيل المنخفضة ، والنفايات المنخفضة ، والبديل الأرخص. قد تكون التكلفة الأولية لمحطة الطاقة النووية عالية للغاية وقد تستغرق سنوات حتى تكتمل ، لكن السكان سيكونون متأكدين من وجود كهرباء موثوقة ورخيصة لعقود.