كيفية توليد الطاقة النووية و تأثيرها و طريقة عمل المفاعلات و أنواعها

الطاقة النووية يتم توليدها من خلال السيطرة على تفاعل الانشطار أو الاندماج للذرات، تستخدم هذه الطاقة في محطات الطاقة النووية ، حيث يتم تسخين المياه لإنتاج بخار الماء ، والذي يستخدم بعد ذلك لتحريك الزعانف لإنتاج الكهرباء. في عام 2009 ، استحوذ توليد الطاقة النووية على ما يقرب من 13-14٪ من إجمالي توليد الطاقة في العالم. كما تشغل حاليًا أكثر من 150 غواصة تعمل بالطاقة النووية.

 

الاندماج النووي.

يعتبر العلماء الطاقة النووية مصدرًا حقيقيًا لا ينضب للطاقة. الاعتراضات على مستقبل الطاقة النووية هي التكلفة العالية لبناء المفاعلات ، وقضايا السلامة العامة ، وصعوبة التخلص الآمن من النفايات المشعة عالية المستوى. بالنسبة للتكاليف ، فإن تكلفة بناء المفاعل مرتفعة نسبيًا ، ولكن نظرًا لأن الوقود النووي رخيص نسبيًا ، فسيتم تعويض هذه التكاليف بمرور الوقت. لقد أحرزت الصناعة النووية تقدمًا كبيرًا وهي على استعداد لحل مشاكل سلامة المفاعلات العاملة والتخلص السليم من النفايات المشعة الخطرة.

 

تأثير الإشعاع على الأشياء

قد يتسبب الإشعاع النووي عند تناول جرعات عالية من الإشعاع في حدوث تشوهات وعجز يصعب علاجه ، وقد تؤدي آثاره إلى وفاة المصاب. نتيجة للتفاعلات التي لا تتعلق بالتفاعلات الطبيعية في الخلايا ، يؤثر الإشعاع النووي بشكل مباشر على مكونات الخلايا الحية. وتختلف الجرعة الفعالة باختلاف نوعية الكائن الحي.الطاقة النووية التي يمتصها الجسم لبعض الحشرات هي فقط 20 رمادي (وحدة) (1 رمادي = جول لكل كيلوغرام من الجسم يتعرض للإشعاع النووي) ويموت رمادي. = = J / kg) ، إلا إذا كانت الجرعة حوالي 3000 غرام (150 ضعف الجرعة السابقة) ، فلن تموت الحشرات. يبدأ التأثير على الثدييات بجرعة لا تزيد عن 2 غراي ، ويتحمل الفيروس جرعة تصل إلى 200 غراي ، وهو ما يعادل 100 ضعف الجرعة التي تؤثر على الثدييات.

 

بالمقارنة مع كمية النفايات في محطات الطاقة الحرارية التي تستخدم الوقود الأحفوري مثل النفط أو الفحم ، فإن كمية النفايات المشعة الناتجة عن الانشطار النووي في المفاعلات النووية محدودة. بالمقارنة مع 700 جرام من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلو وات ساعة في محطات الطاقة الحرارية العادية ، تصل النفايات النووية إلى 3 مجم لكل كيلو وات ساعة (3 مجم / كيلو وات ساعة) ، ولكن هذه الكمية الصغيرة جدًا من الإشعاع النووي قد تكون قاتلة ، وقد تسبب أيضًا إعاقة وعجز لا رجعة فيهما. • تشويه. لذلك فإن كل الدول التي تستخدم الطاقة النووية لإنتاج الكهرباء تحاول التخلص من هذه النفايات المشعة ودفنها في طبقات جيولوجية عميقة بعيدة عن الإنسان ، وقد تستمر فعالية الإشعاع لمئات السنين أو حتى لفترة أطول. آلاف السنين حتى يختفي هذا الإشعاع أو يصل إلى مستوى يعادل الإشعاع الطبيعي. هذا هو السبب في أن العلماء يحاولون حاليًا توليد الطاقة النووية من خلال الاندماج النووي بدلاً من الانشطار النووي. في الانشطار النووي ، تنقسم ذرات اليورانيوم وتنتج البروتونات والنيوترونات والجسيمات الدقيقة. يتم تحويل حركتها إلى حرارة في مياه التبريد ، ومن الضغط العالي البخار ، الكهرباء تولد الطاقة. مشكلة توليد الكهرباء من المفاعلات النووية هي النفايات المشعة الناتجة عن العملية. هذه النفايات ضارة بالبشر ، لذلك يسعى العلماء للحصول على الطاقة من خلال تقنية الاندماج النووي التي تحدث حاليًا في الشمس ، مما ينتج عنه القليل جدًا من النفايات المشعة.

محطة طاقة نووية

محطة الطاقة النووية هي محطة طاقة حرارية بخارية تستخدم الحرارة المتولدة في فرن المفاعل لتوليد البخار. الفرق بين محطات الطاقة النووية هو أنه ليس الفرن الذي يحرق الوقود ، ولكن الفرن الذري ، والذي يتطلب جدرانًا عازلة ودرعًا من الإشعاع الذري. وتتكون من طبقة من الطوب الناري ، وطبقة من الماء ، وطبقة من الصلب ، ثم طبقة من الأسمنت يصل سمكها إلى مترين لحماية العمال في الموقع. المحطة والبيئة المحيطة محمية من تلوث الإشعاع الذري.

 

مفاعل نووي بالماء المضغوط

عندما تضرب النيوترونات ذرة اليورانيوم للانشطار ، يولد المفاعل النووي الحرارة. تُستخدم هذه الطاقة الحرارية الضخمة لغلي الماء في الغلاية وتحويله إلى بخار عالي الضغط عند حوالي 480 درجة مئوية. يتم بعد ذلك تطبيق هذا البخار عالي الضغط (حوالي 380 ضغط جوي) على زعانف التوربينات البخارية ، المصممة لجعل البخار السريع يدور أعمدة التوربينات البخارية ، وبالتالي تحويل الطاقة البخارية إلى طاقة ميكانيكية على أعمدة هذه التوربينات البخارية. يتم توصيل عمود التوربين بعمود المولد ، ويدور عمود المولد (ALTERNATOR) بنفس السرعة لتوليد الطاقة الكهربائية عند طرفي الجزء الثابت للمولد.

تم بناء أول محطة للطاقة النووية في العالم في الاتحاد السوفيتي في عام 1954 ، بسعة 5 ميجاوات. عندما حرر العلماء الطاقة النووية من عناصر مثل اليورانيوم والبلوتونيوم. وقود المفاعلات النووية غني باليورانيوم ، وهو ما يكفي لإحداث تفاعلات سلسلة الانشطار العفوي. يتم وضع الوقود في حزمة من قضبان اليورانيوم الطويلة في قلب المفاعل ، واللب عبارة عن مرجل كبير ومضغوط بدرجة عالية من العزل بسمك جدار (حوالي 25 سم من الفولاذ). يولد الانشطار النووي حرارة لتسخين الماء وتشكيل بخار عالي الضغط ، والذي يحرك زعانف التوربينات المتصلة بالمولد. يتم ضبط معدل تشغيل المفاعل عن طريق إدخال قضبان التحكم في قلب المفاعل للكادميوم ، والذي يمتص النيوترونات الزائدة. كلما انخفض عدد النيوترونات في المفاعل ، كان معدل الانشطار النووي أبطأ لليورانيوم.

تم بناء أول مفاعل نووي في هانفورد بالولايات المتحدة الأمريكية عام 1944 لإنتاج مواد أسلحة نووية ، وكان وقوده من اليورانيوم الطبيعي. المادة التي تبطئ سرعة النيوترونات ليست الماء ، بل الجرافيت ، لذلك يتم إنتاج البلوتونيوم لصنع القنابل الذرية. لا يتم استخدام الطاقة التي ينتجها المفاعل. ثم تم بناء أنواع مختلفة من المفاعلات حول العالم لتوليد الكهرباء. وهي تختلف في أنواع الوقود والمبردات والمهدئات. في الولايات المتحدة ، يتم استخدام الوقود النووي على شكل أكسيد اليورانيوم مع تركيز اليورانيوم 235 بنسبة تصل إلى 3٪ ، ويتم تبريده وتبريده بالمياه النقية. يسمى هذا النوع من المفاعلات بمفاعل الماء الخفيف (أو الماء العادي).

 

تخصيب اليورانيوم

 

اليورانيوم هو المادة الخام الرئيسية للمشاريع النووية المدنية والعسكرية. يتم استخراجه من طبقات قريبة من سطح الأرض أو عن طريق التعدين من الأرض. على الرغم من وجود اليورانيوم بشكل طبيعي في جميع أنحاء العالم ، إلا أنه يوجد جزء صغير منه على شكل خام في شكل مخصب. عندما تنشطر ذرات يورانيوم معينة في تسلسل تفاعل يسمى الانشطار النووي ، يحدث ذلك ببطء شديد في منشأة نووية وبسرعة كبيرة في حالة انفجار سلاح نووي. هذا يؤدي إلى إطلاق الطاقة ، وفي كلتا الحالتين ، يجب التحكم الصارم في الانشطار. عند استخدام نظير اليورانيوم 235 (أو البلوتونيوم 239) ، يكون الانشطار النووي في أفضل حالة ، والنظائر عبارة عن ذرات لها نفس العدد الذري ولكن بأرقام نيوترونية مختلفة. يُطلق على اليورانيوم 235 نظير الانشطار لأنه يميل إلى الانشطار ، مما يتسبب في تفاعل متسلسل وإطلاق طاقة في شكل حرارة. عندما تنقسم نواة اليورانيوم 235 ، فإنها تطلق نيوترونين أو ثلاثة. وعندما تكون هناك ذرات يورانيوم -235 أخرى بجانبها ، فإن هذه النيوترونات سوف تصطدم بها ، مما يتسبب في انشطار ذرات أخرى ، وبالتالي إطلاق نيوترونات أخرى. ما لم يكن هناك ما يكفي من ذرات اليورانيوم 235 لجعل العملية مستمرة في شكل تفاعل متسلسل مستمر من تلقاء نفسها ، لن يحدث تفاعل نووي. أو ما يسمى بالكتلة الحرجة. ومع ذلك ، مقابل كل ألف ذرة من ذرات اليورانيوم الطبيعي ، يمكن تقسيم سبع ذرات فقط من اليورانيوم 235. على الرغم من أن 993 ذرة أخرى من اليورانيوم لديها أعلى كثافة وعدد ذري يبلغ 238 ، إلا أنها لا تتمتع بخاصية الانقسام عند امتصاص النيوترونات. مفاعل الماء الخفيف هو مفاعل انشطار نووي يستخدم في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة واليابان وفرنسا وألمانيا والصين وكندا وبلجيكا لتوليد الكهرباء واستخدام المياه العادية كوسيلة لتسخين وتحويل المياه. يتم تحويله إلى بخار عالي الضغط لتشغيل توربين لتوليد الكهرباء من مولد. وهذا يتطلب تخصيب وقود اليورانيوم.

 

يحتوي اليورانيوم الطبيعي على 0.7٪ من اليورانيوم 235 (نظير الانشطار) ، والنسبة المتبقية 99.3٪ عبارة عن يورانيوم 238 غير قابل للانشطار. يتم تخصيب اليورانيوم الطبيعي لجعله 2.5 – 0 و 4٪ من اليورانيوم 235 القابل للانشطار ، لذلك فهو مناسب لمفاعلات الماء الخفيف ومفاعلات أخرى تعمل في الولايات المتحدة واليابان وفرنسا والمملكة المتحدة وألمانيا والعديد من الدول الأخرى ، بينما تعمل في كندا يستخدم اليورانيوم الطبيعي في مفاعلات الماء الثقيل.

في حالة التخصيب ، إذا كانت قدرة المفاعل النووي 1000 ميغاواط ، فمن الضروري تزويد 30 طناً من اليورانيوم المخصب بنسبة 5٪ و 3٪ للمفاعل النووي لتزويده بالوقود النووي لمدة عام. تتم عملية تخصيب اليورانيوم من خلال اختراق غاز سادس فلوريد اليورانيوم خلف الحاجز المسامي ، وبذلك ارتفعت نسبة اليورانيوم 235 في اليورانيوم من 0.7٪ إلى حوالي 3.5٪. وذلك لأن نفاذية اليورانيوم 235 في الحاجز المسامي أعلى من نفاذية نظير اليورانيوم 238 الثقيل ، مثل مفاعل الماء المغلي.

 

يمكن أيضًا فصل اليورانيوم 235 الخفيف نسبيًا عن اليورانيوم 238 بواسطة جهاز طرد مركزي بطريقة أخرى ، وتستخدم إيران حاليًا هذه الطريقة. لا يمكن استخدام وقود اليورانيوم الذي يتطلبه مفاعل الانشطار لصنع قنبلة ذرية ، لأن القنبلة الذرية تتطلب المزيد من التخصيب ، حتى 90٪ من اليورانيوم 235 ، من أجل إحداث تفاعل تسلسلي سريع في حالة حدوث انفجار.

يستخدم اليورانيوم عالي التخصيب والبلوتونيوم في صنع القنابل النووية. لأن اليورانيوم عالي التخصيب يحتوي على كمية كبيرة من اليورانيوم 235 الصناعي المخصب غير المستقر. ينتج البلوتونيوم عن معالجة وقود اليورانيوم في مفاعل ذري أثناء التشغيل ، حيث تمتص بعض ذرات اليورانيوم (حوالي 1٪ من محتوى اليورانيوم) النيوترونات لإنتاج عنصر جديد وهو البلوتونيوم الذي يتم استخراجه كيميائيًا. من أجل تنفيذ انفجار نووي ، يجب بطريقة ما الجمع بين اليورانيوم المخصب أو البلوتونيوم مع المتفجرات التقليدية التي تنتج كتلة حرجة. يؤدي هذا الاندماج إلى تكثيف المادة العقيدية في نفس الوقت ، مما ينتج عنه تفاعل متسلسل وينتج انفجارًا نوويًا مدمرًا.

 

يمكنها تخصيب اليورانيوم بعدة طرق. في برنامج الأسلحة النووية الأمريكي ، يتم استخدام نفاذية مختلفة من اليورانيوم 235 واليورانيوم 238 في المواد ، وطريقة نشر الغاز. يتم ذلك عن طريق تحويل اليورانيوم الطبيعي (حيث تكون نسبة اليورانيوم -235 فقط 7٪) إلى غاز سادس فلوريد اليورانيوم ، ثم ضخه عبر حاجز مسامي ، بحيث تكون ذرات اليورانيوم 235 أكثر نفاذاً من ذرات اليورانيوم الأخرى وتمر عبرها وبتكرار هذه العملية بشكل دوري يصل تركيز اليورانيوم 235 إلى حوالي 90٪ وهو مناسب لتصنيع أسلحة نووية وهذه هي قنبلة هيروشيما الذرية التي اتبعتها الولايات المتحدة خلال الحرب العالمية الثانية. تبنت الصين وفرنسا والمملكة المتحدة والاتحاد السوفيتي طريقة التخصيب بالطرد المركزي لغاز سادس فلوريد اليورانيوم بدلاً من طريقة نشر الغاز ، وهي أيضًا طريقة تخصيب اليورانيوم التي تتبعها إيران حاليًا. وفقًا لهذه الطريقة ، يتم تحويل اليورانيوم الطبيعي إلى غاز سادس فلوريد اليورانيوم عن طريق التسخين ، ثم يدخل إلى أجهزة الطرد المركزي عالية السرعة. تحت تأثير قوة الطرد المركزي ، تتحرك ذرات اليورانيوم الأثقل 238 إلى حافة أنبوب الطرد المركزي ، بينما تبقى ذرات اليورانيوم 235 (الأخف) في وسط جسم الأنبوب ، بينما يتركز اليورانيوم 235 في وسط الأنبوب. أنبوب الطرد المركزي. في وسط الاسطوانة ، يتم سحبها وفصلها. تستخدم هذه الطريقة أيضًا في تخصيب اليورانيوم في الهند وباكستان وإيران وكوريا الشمالية ، فهي تختصر الطاقة المستخدمة في التخصيب عن طريق نفاذ الغاز.

هناك طريقة النفث المستخدمة في جنوب إفريقيا وطريقة فصل النظائر الكهرومغناطيسية التي استخدمها العراق قبل حرب الخليج عام 1991. يمكن لطريقة التخصيب بالليزر فصل اليورانيوم عن طريق تحويل المعدن إلى بخار وتشعيع شعاع ليزر عليه ، حيث تقوم بإثارة 235 ذرة يورانيوم يتم جمعها وإثرائها بالتأثير الكهروستاتيكي وقد أجريت هذه التجربة سراً في كوريا الجنوبية عام 2000.

 

نوع المفاعل

تسمى مفاعلات الانشطار النووي في الولايات المتحدة مفاعلات الماء الخفيف ، بما في ذلك مفاعلات الماء المغلي ومفاعلات الماء المضغوط ، وهي شائعة جدًا في العالم الغربي واليابان وكوريا الجنوبية. وهي تختلف عن مفاعلات الماء الثقيل المستخدمة في كندا. الماء الخفيف هو الماء العادي المستخدم في قلب المفاعل ، وتعمل وحدة الوقود النووي كوسيط لتقليل سرعة النيوترونات ، لأن انشطار ذرات اليورانيوم 235 يجب أن يتأثر بالنيوترونات البطيئة بدلاً من النيوترونات السريعة. في نفس الوقت ، يعمل الماء كمبرد وحامل حرارة لأنه يتم تحويله إلى بخار عالي الضغط في المفاعل. يحدث في مرجل أو خزان كبير يسمى خزان ضغط المفاعل ، والذي له شكل أسطواني رأسي بقطر 5 أمتار ، وارتفاع 8 أمتار ، وسماكة جدار فولاذي 25 سم. يحتوي خزان الضغط على وحدة وقود نووي مركزة مغمورة في الماء وقضبان من مادة ماصة للنيوترونات ، مثل الفولاذ أو البورون أو سبائك الكادميوم للتحكم في التفاعلات النووية أو إيقافها. يولد التفاعل النووي الكثير من الطاقة الحرارية ، لذلك يتم تسخين الماء في خزان الضغط ليصبح بخارًا عالي الضغط. يرتفع ضغط البخار في خزان الضغط إلى حوالي 350 ضغط جوي ، ودرجة الحرارة حوالي 450 درجة مئوية. يتم توجيه هذا البخار عبر أنابيب ضخمة لدفع زعانف التوربينات ، والتي بدورها تقود المولد. بهذه الطريقة يتم تحويل الطاقة النووية إلى طاقة حرارية ، ومن ثم يتم تحويل طاقة حركة التوربينات إلى طاقة كهربائية ، والتي تستخدم لتشغيل المصانع والمنازل الخفيفة.

يتطلب استخدام المياه العادية تخصيب وقود اليورانيوم بنسبة 5٪ إلى 2٪ إلى 5٪ إلى 3٪ يورانيوم 235. بالنسبة إلى التوربين ويفصل بينهما مبادل حراري ، يتم عزل البخار الذي يقوم بتشغيل التوربين عن دورة الخزان. النوع الثاني من مفاعل الماء العادي يسمى مفاعل الماء المغلي (BWR) ، ويستخدم مفاعل الماء المغلي دورة من الماء والبخار من خزان الضغط إلى التوربين ثم إلى خزان الضغط.

يسمى مفاعل الانشطار النووي الكندي مفاعل الماء الثقيل ، ويعمل الماء الثقيل كوسيط في المفاعل ، ويمكن أن يقلل الهيدروجين الثقيل والهيدروجين الثقيل في الماء الثقيل من سرعة النيوترونات في تفاعل سلسلة الانشطار. لا يتطلب هذا النوع من المفاعلات وقود اليورانيوم المخصب ، ولكنه طبيعي ، وتسمى هذه المفاعلات الكندية مفاعلات كاندو.

يوجد أيضًا مفاعل نووي لا يتطلب تشغيل مياه التبريد ، حيث يستخدم الهيليوم كوسيط لتقليل سرعة النيوترون وأيضًا كحامل حراري. تتمثل إحدى ميزات هذا النوع من المفاعلات الذرية في أنه يمكن أن يعمل على اليورانيوم الطبيعي أو الثوريوم ، وهما المادة الخام الرئيسية لهذا العنصر النووي في العديد من البلدان. علاوة على ذلك ، يعمل مفاعل الثوريوم عند درجة حرارة عالية تصل إلى 900 درجة مئوية ، لذلك يتمتع بكفاءة حرارية عالية. يمكن أيضًا استخدام درجة الحرارة المرتفعة هذه بشكل مباشر في بعض الإنتاج الصناعي الذي يتطلب درجة حرارة عالية. يسمى هذا النوع من المفاعلات بمفاعل الثوريوم عالي الحرارة وقد تم تطويره بنجاح في ألمانيا.

-_مفاعلات سريعة مبردة بالرصاص تستخدم في بعض الغواصات الروسية.

_مفاعل ملح منصهر تعمل بالثوريوم

_مفاعل بتبريد غازي تقدمي ويعمل باليورانيوم الطبيعي أو يورانيوم مخصب

_مفاعل الماء الثقيل المضغوط وهو يعمل باليورانيوم الطبيعي

قد يعجبك ايضا
نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط لنمنحك أفضل تجربة ممكنة على موقعنا. بالمتابعة في استخدام هذا الموقع، فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط.
قبول
سياسة الخصوصية