التفاعلات النووية هي شكل من أشكال الطاقة المنبعثة من  نواة الذرات، المكونة أساساً من بروتونات ونيوترونات. 

يمكن إنتاج مصدر الطاقة هذا بطريقتين: أولاً- الانشطار: ويحدث عندما تنقسم نوى الذرات إلى عدة أجزاء. ثانياً- الاندماج: ويحدث عندما تندمج النوى معًا.

الطاقة النووية التي يتم تسخيرها حول العالم اليوم لإنتاج الكهرباء هي من خلال دورة الوقود النووي، بينما التكنولوجيا التي تولد الكهرباء من خلال الاندماج لا تزال في مرحلة البحث والتطوير. 

دورة الوقود النووي

ما هو الانشطار النووي؟

الانشطار النووي هو تفاعل تنقسم فيه نواة الذرة إلى نواتين أصغر أو أكثر، بينما تطلق الطاقة.

على سبيل المثال، عندما يضرب نيوترون نواة ذرة اليورانيوم 235. تنقسم هذه الأخيرة إلى نواتين أصغر، نواة الباريوم ونواة الكريبتون واثنين أو ثلاثة نيوترون. 

ستضرب هذه النيوترونات الزائدة ذرات اليورانيوم 235 الأخرى المحيطة، والتي ستنقسم أيضًا وتولد نيوترونات إضافية بتأثير مضاعف، وبالتالي تولد تفاعلًا متسلسلًا في جزء من الثانية.

في كل مرة يحدث التفاعل، يكون هناك إطلاق للطاقة على شكل حرارة وإشعاع. يمكن تحويل الحرارة إلى كهرباء في محطة للطاقة النووية، بشكل مشابه لكيفية استخدام الحرارة من الوقود الأحفوري مثل الفحم والغاز والنفط لتوليد الكهرباء.

تفاعل الانشطار اليورانيوم بعد القذف بنيوترون

مصادر اليورانيوم في الطبيعة

في البيئة يوجد اليورانيوم بشكل طبيعي في جميع أنواع التربة والصخور والمياه تقريبًا. تتكسر الصخور لتكوين التربة. يمكن أن تتحرك التربة بواسطة الماء وتنفخها الرياح، التي تنقل اليورانيوم إلى الجداول والبحيرات والمياه السطحية. 

تحتوي قشرة الأرض في المتوسط ​​من 2 إلى 3 جرامات من اليورانيوم لكل طن. هذا العنصر أكثر وفرة من المعادن النادرة الاخرى كالذهب أو الفضة. وتحتوي مياه البحر على حوالي 3.3 ميليغرام للطن.

في الأرض، يتم توزيعها بشكل غير متساو ولكن يتم استغلالها في جميع القارات تقريبًا. الدول الرئيسية ذات الموارد هي أستراليا وكندا وكازاخستان والنيجر وناميبيا وروسيا وجنوب إفريقيا.

أكثر من 99% من اليورانيوم الموجود في البيئة في شكل يورانيوم 238. يعتبر النظير 234 أقل من 1٪ من جميع أشكال اليورانيوم الطبيعي، ولكنه أكثر إشعاعًا. ينتج ما يقرب من نصف النشاط الإشعاعي من جميع أشكال اليورانيوم الموجود في البيئة.

محطة المفاعلات النووية وانتاج الطاقة

داخل محطات الطاقة النووية، تحتوي المفاعلات ومعداتها على التفاعلات المتسلسلة وتتحكم فيها، وغالبًا ما يغذيها اليورانيوم 235، لإنتاج الحرارة من خلال تفاعل الانشطار. 

تعمل الحرارة على تسخين عامل تبريد المفاعل، وعادة هو الماء الثقيل لإنتاج البخار. يتم توجيه هذا البخار إلى التوربينات الدوارة، من أجل تنشيط مولد كهربائي لتوليد كهرباء منخفضة الكربون. (مفاعلات الماء المضغوط هي الأكثر استخدامًا في العالم). 

في مقابل المحطات الأخرى المعتمدة على الفحم والغاز والنفط، التي تتمتع بقدرتها المنخفضة في الامداد بالطاقة. تعرف المحطات النووية بتوليد مقدار ضخم من الطاقة بكميات مواد خام أقل. مع انبعاثات كربونية شبه منعدمة.

لكن يكمن الرعب في هذه المحطات اتجاه النفايات الاشعاعية الصادرة عنها، لكن طرق التخزين والتخلص منهاالى الآن فعالة ودائماً ما تكون قوية ومحكمة جداً، ونسب تسربها منعدمة.

مخطط محطة نووية لتوليد الطاقة الكهربائية

مراحل دورة تحويل الوقود النووي الى طاقة

دورة انتاج الطاقة عبر الوقود النووي

التعدين

يوجد اليورانيوم بشكل شائع نسبيًا في القشرة الأرضية، وهو أكثر وفرة بحوالي 500 مرة من الذهب ونفس وفرته تقريبًا مثل القصدير. 

تمتلك العديد من الدول مناجم اليورانيوم، لكن كندا وكازاخستان وأستراليا هي أكبر منتجي اليورانيوم. هناك تقنيتين لاستخراج اليورانيوم الخام:

• تقنية التعدين السطحي (الحفرة المفتوحة عمومًا).
• تقنية التعدين الجوفي لاستكشاف خام اليورانيوم. 

 ويعد التعدين تحت الأرض هو الأكثر شيوعًا بسبب أعماق معظم المناجم.

بشكل عام، يتم استخدام التعدين المكشوف حيث تكون الرواسب قريبة من السطح، ويستخدم التعدين تحت الأرض عادةً للرواسب على أعماق تزيد عن 120 مترًا.

نظرًا لأن جدران منجم الحفرة المفتوحة يجب أن تكون منحدرة لمنع الانهيار، فإن الثقوب المطلوبة تكون أصغر حجمًا من رواسب الخام نفسها. نتيجة لذلك، قد تكون كمية المواد التي يجب إزالتها للوصول إلى الخام كبيرة جدًا.

تعدين عن اليورانيوم

الطحن والتخصيب والتصنيع

لا يمكن استخدام خام اليورانيوم المستخرج مباشرة كرواسب لتشغيل مفاعل نووي، حيث يجب طحنها معالجتها وإثرائها كيميائياً لاستخدامها. 

يتم إحضار الخام أولاً إلى المطحنة أين يتم تحويله إلى مسحوق U3O8. وهو شكل معزول من اليورانيوم يشار إليه باسم "الكعكة الصفراء" ليسهل التعامل معه. 

لا تستطيع معظم محطات توليد الطاقة استخدام الوقود بهذا الشكل حتى الآن، نظرًا لأن محتوى النظير الانشطاري لـ 235 U يبلغ حوالي 0.7٪ فقط. ونظراً لأن المفاعلات يمكنها التعامل مع نسب أكبر تقدر من 3-5%. 

تحويل اليورانيوم الخام الى الكعكة الصفراء

لذلك نلجأ لتخصيب اليورانيوم يهدف زيادة تركيز 235U في العينة بشكل عام، وهذا للمحافظة على استمرار التفاعل المتسلسل داخل المفاعل النووي. 

العملية الرئيسية المستخدمة لتحقيق ذلك هي عن طريق استخدام أجهزة الطرد المركزي.  حيث يسبق ذلك تحويل الكعكة الصفراء الى غاز UF6، لماذا؟ نظراً لان النظيران U235 و U238 متقاربا الكتلة الذرية ويصعب فصلهما.

 تدور هذه الأسطوانات بسرعة كبيرة من أجل فصل النظائر عن بعضها البعض، مما يسمح بالوصول إلى 235U، بمكوث هذا النظير وسط الأسطوانات، ودفع النظير U238 الأثقل الى محيطها.

من أجل استخدامه في محطة توليد الكهرباء، يجب تصنيع الوقود في أقراص. تتكون من ثاني أكسيد اليورانيوم المضغوط وتُخبز في فرن 1400 درجة مئوية. يتم بعد ذلك تعبئة هذه الأقراص في قضبان الوقود، لتشكيله فيما بعد في مجموعات لاستخدامها داخل مفاعل نووي.

توليد الطاقة

يحتاج مثلاً مفاعل 1000 ميغاواط يستخدم حوالي 75 طنًا من وقود اليورانيوم المخصب.  إلى عدة مئات من مجموعات أسطوانات الوقود.

يتم إنتاج الطاقة بشكل مشابه جدًا لمحطة الطاقة التي تعمل بالفحم، ولكن نوع الوقود وطرق الحصول على الحرارة تختلف اختلافًا كبيرًا. 

عندما يتم امتصاص النيوترونات بطيئة الحركة بواسطة 235U، تنقسم الذرة مما يتسبب في تفاعل نووي متسلسل. ينتج عن هذا حرارة هائلة، يمتصها الماء ليتحول إلى بخار، والذي يمكن استخدامه لتدوير التوربينات وتوليد الكهرباء.

يتم استخدام بعض وحدات 238U أيضًا لتوليد الطاقة، ولكن يجب تحويلها إلى البلوتونيوم أولاً. يحدث هذا بشكل طبيعي في المفاعل، حيث تمتص 238U نيوترونًا، ثم يتحلل ل البلوتونيوم من خلال سلسلة اضمحلال 235U، ويمثل حوالي ثلث إنتاج الطاقة من المحطة.

يتم إنتاج 44 تيراواط ساعة لكل طن من اليورانيوم الطبيعي. وبالمقارنة، ستكون هناك حاجة إلى 20 ألف طن من الفحم أو 8.5 مليون متر مكعب من الغاز لمواكبة ذلك.

حزم اليورانيوم

الوقود المستعمل وإعادة المعالجة

بعد مرور الوقت، ستقل كمية الوقود القابل للاستخدام في المفاعل بسبب انخفاض مستوى الحرارة التي يتم إنتاجها. 

بعد 18-60 شهرًا، يتم إزالة حزم الوقود من المفاعل، ولكن لا تزال هناك إمكانية للحصول على الطاقة الموجودة فيها، مع اعتماد الكمية على نوع المفاعل. 

هذا الوقود شديد السخونة والنشاط الإشعاعي، لذلك يتم استخراجه بطرق حذرة جداً، وتخزينه مؤقتًا في حوض تخزين من الماء، والذي يبرد ويمتص الإشعاع.

يمكن بعد ذلك إعادة معالجته كيميائياً لأنه لا يزال يحتوي على 235U أكثر بقليل مما هو موجود في الطبيعة. والتعامل معه في مفاعلات نووية خاصة.

النفايات النووية

النفايات غير القابلة للاستخدام الناتجة خلال دورة الوقود النووي، بما في ذلك النفايات منخفضة المستوى من جميع مراحل الدورة، والنفايات الوسيطة من المفاعل، والنفايات عالية المستوى التي تم فصلها في إعادة المعالجة. 

يمكن دمجها في مادة صلبة، أو إعادة تدوير الوقود المستخدم، الذي يشار إليه أيضًا باسم الوقود المستهلك، إلى أنواع أخرى من الوقود لاستخدامه كوقود جديد في محطات الطاقة النووية الخاصة.

في الوقت الحالي لا توجد مرافق التخلص من هذه المواد، فقط مرافق التخزين المدرعة. هذا لأنه لا توجد حاجة فورية للتخلص منه لأنه لا يشغل مساحة كبيرة، وأيضًا لأنه لا يزال من الممكن إعادة معالجته في وقت لاحق.

المصدر

↚

↱4     ↱3     ↱2     ↱1