- إنضم
- 9 ديسمبر 2011
- المشاركات
- 344
- التفاعل
نظرا لكثرة الحديث فى الفترة الحالية عن الطاقة النووية أحببت وضع مقالى عن المفاعلات النووية واستخدامها فى توليد الطاقة الكهربية .ولا سيما وأن الطاقة النووية تزود دول العالم بأكثر من 16% من الطاقة الكهربائية؛ فهي تمد 35% من احتياجات دول الاتحاد الأوروبي. و اليابان تحصل على 30% من احتياجاتها من الكهرباء من الطاقة النووية.
لذلك ساركز بشكل أساسى على توليد الطاقة الكهربية باستخدام المفاعلات النووية لذلك يجب فهم المفاعلات أولاً
لذلك ساركز بشكل أساسى على توليد الطاقة الكهربية باستخدام المفاعلات النووية لذلك يجب فهم المفاعلات أولاً
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.
والصورة التالية توضح هذه العملية :
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.
والصورة التالية توضح هذه العملية :
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
الصورة التالية لاحد هذه التوربينات المستخدمة فى تحريك المولدات المستخدمة توليد الطاقة الكهربية فى المفاعلات
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
الصورة التالية لاحد هذه التوربينات المستخدمة فى تحريك المولدات المستخدمة توليد الطاقة الكهربية فى المفاعلات
الشكل التالى يوضح الاجزاء الرئيسية للمفاعل النووى المستخدم فى توليد الكهرباء
كيف
يعمل المفاعل النووى
يعمل المفاعل النووى
يتم التفاعل النووي في قلب المفاعل..والذي ينتج حرارة عالية.يتم نقلها عبرالمبادلات الحرارية والتي تعمل عادة بالماء الثقيل..الذي يتركب من ذرتي ديتيريوم وذرة أكسجين..وللتحكم في التفاعل..توجد قضبان التحكم..التي يتم عن طريقها تخفيض سرعة التفاعل..بدفعها داخل قلب المفاعل..ولهذه القضبان القدرة على امتصاص النيوترونات..وبحسب ما يراد للمفاعل أن تكون درجة حرارته..يتم تحديد معدل دفع القضبان إلى قلب المفاعل..كذا يمكن في حالة الخطر أو عند الرغبة في تغيير الوقود اليورانيوم دفع القضبان بكاملها إلى قلب المفاعل لاخماد التفاعل..
يقوم المبادل الحراري بامتصاص الحرارة من قلب المفاعل..وبها يتم تبخير الماء..واستخدام البخار في إدارة التوربين..ويعمل المبادل الحراري بإمرار مواد مسالة كالصوديوم المسال أو مواد غازية ودفع هذه المواد إلى قلب المفاعل..وعن طريق بعض التوربينات يتم تمرير الغاز أو السائل في دائرة بين قلب المفاعل والماء..حيث يتم نقل الحرارة إلى الماء لتبخيره..لاستخدام البخار في إدارة التوربين...والذي يقوم بتوليد الكهرباء..
يقوم المبادل الحراري بامتصاص الحرارة من قلب المفاعل..وبها يتم تبخير الماء..واستخدام البخار في إدارة التوربين..ويعمل المبادل الحراري بإمرار مواد مسالة كالصوديوم المسال أو مواد غازية ودفع هذه المواد إلى قلب المفاعل..وعن طريق بعض التوربينات يتم تمرير الغاز أو السائل في دائرة بين قلب المفاعل والماء..حيث يتم نقل الحرارة إلى الماء لتبخيره..لاستخدام البخار في إدارة التوربين...والذي يقوم بتوليد الكهرباء..
الشكل التالى يوضح دورة المفاعل لتوليد الكهرباء
اليورانيوم
اليورانيوم هو المادة الخام الأساسية للبرامج النووية ، المدنية والعسكرية. ويستخلص من طبقات قريبة من سطح الأرض أو عن طريق التعدين من باطن الأرض.
اليورانيوم
اليورانيوم هو المادة الخام الأساسية للبرامج النووية ، المدنية والعسكرية. ويستخلص من طبقات قريبة من سطح الأرض أو عن طريق التعدين من باطن الأرض.
إثراء
اليورانيوم Uranium Enrichment
اليورانيوم Uranium Enrichment
يحتوي اليورانيوم الطبيعي على ذرات ذات كتلات مختلفة تسمى النظائر والنسب فيه كمايلي:
( اليورانيوم 238 --- 99،2%)---( اليورانيوم 235----0،72 %)------(النظائر الأخرى ---- 0،01%)
لذلك تتم ما يسمى بعملية اثراء اليورانيوم Uranium Enrichment وهى عبارة عن فصل او عزل نظائر عناصر كيميائية محددة Isotope separation من عنصر ما لغرض زيادة تركيز نظائر اخرى للحصول على مادة تعتبر مشبعة بالنظير المطلوب.
وحيث ان النظير الاكثر اهمية لدينا هو اليورانيوم 235 لانه النظير القابل للانشطار فيتم زيادة تركيزه للحصول على:
1- اليورانيوم منخفض الاثراء وتكون نسبة اليورانيوم 235 فيه ما بين 3% أو 4% وهو المستخدم فى المفاعلات للاغراض السلمية . او الحصول على
2- اليورانيوم عالى الإثراء وتكون نسبة اليورانيوم 235 فيه ما بين 20% حتى 90% وهو ما يستعمل فى الاغراض العسكرية لصناعة الاسلحة النووية .
وتتعدد طرق الفصل لهذه العملية ولكن طريقة الفصل بالطرد المركزي هي الأكثر انتشارا وذلك لكلفته القليلة مقارنة بغيرها من الطرق، و هناك ثلاثة طرق معروفة لهذه العملية:
1- الطرد المركزي
وهذه الطريقة تأخذ عدة خطوات، أولها يحّول خلالها اليورانيوم الطبيعي إلى غاز في شكل "اليورانيوم سداسي الفلور"؛ ولأن فرق الكتلة بين جزيئات غاز النظيرين بسيط ؛ تتم العملية في خطوات متتالية، في كل خطوة يتم زيادة نسبة اليورانيوم 235 حتى الوصول للنسبة المطلوبة.
ويتكون جهاز الطرد المركزي في هذه الطريقة من أسطوانات عمودية ذات حركة دوامية سريعة يضخ فيها غاز سادس فلوريد اليورانيوم في كل أسطوانة عبر أنبوبة عمودية ثابتة داخل كل أسطوانة. وتـُجبـِـر الحركة الدوّامية للأسطوانة كل الغاز الخارجي تقريبًا في اتجاه الجدران المنحنية. وبالإضافة إلى ذلك، تساعد مغرفة متصلة بقاعدة الأنبوبة الثابتة في انسياب الغاز عموديًا، كما تساهم الفروق في درجات الحرارة داخل الأسطوانة في إحداث هذا الانسياب العمودي
بسبب هذه التأثيرات ـ الحركة الدوّامية للأسطوانة وحركة المغرفة وفروق درجات الحرارة ـ ينساب الغاز بنمط معقد، ويصبح الغاز القريب من قاعدة الأسطوانة مركزًا باليورانيوم 238 أكثر من الغاز العلوي. وتزيل المغرفة السفلية النفايات الغازية، التي تحتوي على تركيزات أعلى نسبيًا من اليورانيوم 238، بينما تزيل المغرفة العلوية الغاز الذي يحتوي على اليورانيوم 235 بتركيز أعلى . وتتكرر العملية حتى يتم الحصول على التركيز المطلوب من اليورانيوم 235.
الصورة التالية توضح تركيب احد اجهزة الطرد المركزى
الطريقة الثانية وهى 2- الانتشار الغازي
تمر جزيئات الغاز الخفيفة عبر ثقوب الحواجز أسرع من الجزيئات الثقيلة. وتحتوي الجزيئات الخفيفة على ذرات اليورانيوم 235، ولذلك يحتوي الغاز الذي يمر عبر الحاجز على نسبة من اليورانيوم 235 أعلى من الغاز الأصلي. ونظرًا لأن هذه الزيادة طفيفة جدًا فإن الغاز يجب أن يمر عبر الحاجز عدة آلاف مرة لإنتاج اليورانيوم الذي يراد استخدامه في محطات القدرة النووية.
اما الطريقة الثالثة والاخيرة فهى
3- الفصل بالليزر
هذه الطريقة مازلت في الطور التجريب والاختبار، وفيها تُستخدم توليفة من ضوء الليزر وشحنة كهربائية لفصل نظائر اليورانيوم.
( اليورانيوم 238 --- 99،2%)---( اليورانيوم 235----0،72 %)------(النظائر الأخرى ---- 0،01%)
لذلك تتم ما يسمى بعملية اثراء اليورانيوم Uranium Enrichment وهى عبارة عن فصل او عزل نظائر عناصر كيميائية محددة Isotope separation من عنصر ما لغرض زيادة تركيز نظائر اخرى للحصول على مادة تعتبر مشبعة بالنظير المطلوب.
وحيث ان النظير الاكثر اهمية لدينا هو اليورانيوم 235 لانه النظير القابل للانشطار فيتم زيادة تركيزه للحصول على:
1- اليورانيوم منخفض الاثراء وتكون نسبة اليورانيوم 235 فيه ما بين 3% أو 4% وهو المستخدم فى المفاعلات للاغراض السلمية . او الحصول على
2- اليورانيوم عالى الإثراء وتكون نسبة اليورانيوم 235 فيه ما بين 20% حتى 90% وهو ما يستعمل فى الاغراض العسكرية لصناعة الاسلحة النووية .
وتتعدد طرق الفصل لهذه العملية ولكن طريقة الفصل بالطرد المركزي هي الأكثر انتشارا وذلك لكلفته القليلة مقارنة بغيرها من الطرق، و هناك ثلاثة طرق معروفة لهذه العملية:
1- الطرد المركزي
وهذه الطريقة تأخذ عدة خطوات، أولها يحّول خلالها اليورانيوم الطبيعي إلى غاز في شكل "اليورانيوم سداسي الفلور"؛ ولأن فرق الكتلة بين جزيئات غاز النظيرين بسيط ؛ تتم العملية في خطوات متتالية، في كل خطوة يتم زيادة نسبة اليورانيوم 235 حتى الوصول للنسبة المطلوبة.
ويتكون جهاز الطرد المركزي في هذه الطريقة من أسطوانات عمودية ذات حركة دوامية سريعة يضخ فيها غاز سادس فلوريد اليورانيوم في كل أسطوانة عبر أنبوبة عمودية ثابتة داخل كل أسطوانة. وتـُجبـِـر الحركة الدوّامية للأسطوانة كل الغاز الخارجي تقريبًا في اتجاه الجدران المنحنية. وبالإضافة إلى ذلك، تساعد مغرفة متصلة بقاعدة الأنبوبة الثابتة في انسياب الغاز عموديًا، كما تساهم الفروق في درجات الحرارة داخل الأسطوانة في إحداث هذا الانسياب العمودي
بسبب هذه التأثيرات ـ الحركة الدوّامية للأسطوانة وحركة المغرفة وفروق درجات الحرارة ـ ينساب الغاز بنمط معقد، ويصبح الغاز القريب من قاعدة الأسطوانة مركزًا باليورانيوم 238 أكثر من الغاز العلوي. وتزيل المغرفة السفلية النفايات الغازية، التي تحتوي على تركيزات أعلى نسبيًا من اليورانيوم 238، بينما تزيل المغرفة العلوية الغاز الذي يحتوي على اليورانيوم 235 بتركيز أعلى . وتتكرر العملية حتى يتم الحصول على التركيز المطلوب من اليورانيوم 235.
الصورة التالية توضح تركيب احد اجهزة الطرد المركزى
الطريقة الثانية وهى 2- الانتشار الغازي
تمر جزيئات الغاز الخفيفة عبر ثقوب الحواجز أسرع من الجزيئات الثقيلة. وتحتوي الجزيئات الخفيفة على ذرات اليورانيوم 235، ولذلك يحتوي الغاز الذي يمر عبر الحاجز على نسبة من اليورانيوم 235 أعلى من الغاز الأصلي. ونظرًا لأن هذه الزيادة طفيفة جدًا فإن الغاز يجب أن يمر عبر الحاجز عدة آلاف مرة لإنتاج اليورانيوم الذي يراد استخدامه في محطات القدرة النووية.
اما الطريقة الثالثة والاخيرة فهى
3- الفصل بالليزر
هذه الطريقة مازلت في الطور التجريب والاختبار، وفيها تُستخدم توليفة من ضوء الليزر وشحنة كهربائية لفصل نظائر اليورانيوم.
