طاقه نوويه

Nuclear energy - Energie nucléaire

الطاقة النووية

 

تتبدى الطاقة النووية nuclear energy عندما تتوافر شروط خاصة تنشطر فيها نوى بعض الذرات الثقيلة، أو عندما تندمج بعض نوى الذرات الخفيفة؛ وتنشأ هذه الطاقة نتيجة النقص بين كتل النوى قبل الانشطار fission أو الاندماج fusion وبعده، وذلك انسجاماً مع متطلبات النظرية النسبية[ر] التي تنص على أن الطاقة المتحررة E نتيجة نقص في الكتلة مقداره m يعطى بالعلاقة:

E = mc2 (1)

حيث ترمز c إلى سرعة الضوء وهي تقارب  s3  χ10⁸  m/sec .

الشكل (1) طاقة ارتباط النكليون في النوى  بدلالة عددها الكتلي A

وإذا حسبت كتلة ذرة X عددها الذري Z وعددها الكتلي A ورمزها، بواحدة الكتل الذرية amu انطلاقاً من كتل مكوناتها وهي Z بروتوناً و (A-Z) نتروناً، وبافتراض p كتلة البروتون بواحدة الكتلة الذرية amu وnكتلة النترون بالواحدة ذاتها لوجد:

M₁= Zp + (A-Z)_n (2)

وإذا قورنت هذه الكتلة بكتلة الذرة M2 كما نعلمها من قياساتنا المباشرة لها، لوجدنا فرقاً بينهما m = M₁- M₂. إن هذا الفرق في الكتلة يمثل طاقة تمتلكها النواة تعطى وفق نظرية أينشتاين بالعلاقة E = mc².

تسمى الطاقة اللازمة لانتزاع بروتون أو نترون وحيد من نواة ذرة ما طاقة الارتباط binding energy، ويكفي لحساب الطاقة اللازمة لتفكيك نواة ما إلى مكوناتها تعويض p بـ s1.00812  amu و nبـ s1.00893 amu في العلاقة m = M₁- M₂ وملاحظة أن:

s1amu = 931 MeV (3)

الشكل (2) التفاعل المتسلسل. إن انشطار نواة من اليورانيوم 235 تولد مايزيد عن نترونين إضافة إلى طاقة تعادل مليوني مرة ماتنتجه كتلة مساوية من الفحم

وإذا رسمت طاقة الارتباط العائدة لنكليون وحيد (بروتون أو نترون) أي بدلالة العدد الكتلي A لوجد منحن كالمبين في الشكل (1) الذي يلفت النظر فيه وجود ثلاث مناطق هي:

(أ) منطقة يصعد فيها المنحني بسرعة وتشغله نوى الذرات الخفيفة مثل

 وجميعها تتصف بطاقة ارتباط عالية للنكليون الواحد مما يشير إلى استقرارها الشديد بالمقارنة مع ما يجاورها من ذرات.

(ب) منطقة تبلغ فيها طاقة الارتباط للنكليون الواحد حداً أعظمياً قيمته s8.4MeV بجوار العدد الكتلي A=60. وتقع قيمة للذرات التي تراوح أعدادها الكتلية بين 60 العائدة للحديد و 150 العائدة للقصدير وسطياً حول القيمة s8.4 MeV.

(حـ) منطقة تتناقص فيها قيمة  وتشتمل على العناصر الثقيلة، وتبلغ قيمتهاs7.6 MeV لعنصر اليورانيوم 238.

إن تأمل منحني طاقة الارتباط للنكليون الواحد  يقود إلى الاستنتاجات المهمة الآتية:

إن انشطار نواة يورانيوم 235 نتيجة قذفها بنترون يعطي نواتين تقعان في جوار منتصف جدول مندلييف الدوري إذ تبلغ  القيمة s8.4 MeV (في الواقع يرافق انشطار النواة صدور نترونين أو ثلاثة يحمل كل منهما طاقة تساوي s8.4 MeV)؛ فالطاقة الإجمالية المتحررة من النواة تقاربs8.4 χ 235MeV، ولما كانت طاقة الارتباط لكل نكليون في نواة اليورانيوم 235 تساويs7.55 MeV تقريباً، فإن الطاقة الفائضة تعطى بـ :

(s8.4 χ 235) – (7.55 χ 235)

وهذه تعادل نحو s200 MeV بمعنى أن الطاقة المتحررة من انشطار نواة يورانيوم وحيدة تساويs200 MeV، تتوزع كالآتي:

s160MeV طاقة حرارية تحملها شظايا الانشطار.

s20MeV طاقة تحررها نواتج تفكك شظايا الانشطار

s10MeVطاقة تتحرر بفعل أسر النترونات

s5MeV طاقة حركية تحملها النترونات وعددها وسطيا 2.55 نتروناً في حالة الـ 235 ²³⁵ U

s5MeV طاقة الفوتونات

الشكل (3) تندمج نواتان خفيفتان من الدوتيريوم والتريتيوم لشكيل نواة الهليوم ينطلق نترون وتتحرك طاقة هائلة ولا يخلف تفاعل الاندماج نفايات نووية كما هو شأن تفاعلات الانشطار

يبين الشكل (2) ما يطلق عليه عادة اسم التفاعل المتسلسل chain reaction. فإذا أطلق نترون على كتلة مناسبة من اليورانيوم 235، حدث تفاعل متسلسل يمكن أن يكون انفجارياً إذا زادت الكتلة عن مقدار يدعى الكتلة الحرجة critical mass، وهو ما يحدث في القنبلة الذرية atomic bomb. كما يمكن التحكم بهذا التفاعل في المفاعلات النووية nuclear reactors حيث يستخدم مهدئ moderator لجعل طاقة النترونات المتحررة طاقة حرارية thermal neutrons، الأمر الذي يجعل فعالية النترونات أكبر بمئات المرات في توليد المزيد من تفاعلات الانشطار في نوى اليورانيوم ، وتستخدم قضبان تحكم control rods من البورون أو الكادميوم لامتصاص النترونات، وبالتالي إيقاف التفاعل الذي يمكن إيجاز أحد احتمالات حدوثه بالمعادلة:

يبين الشكل (3) تفاعلاً نووياً تندمج فيها نواتان خفيفتان من الدوتيريوم  والتريتيوم لتوليد نواة هليوم ، ويقود التفاعل إلى انطلاق نترون n، إضافة إلى قدر هائل من الطاقة وفق المعادلة التالية:

 

تحدث تفاعلات اندماج كهذه في الشمس فتتولد طاقة حرارية ننعم بها على سطح الأرض.

إلا أن توليد تفاعل اندماج على سطح الأرض يتطلب توفير درجة حرارة عالية تصل إلى ملايين الدرجات المئوية. وقد أمكن تحقيق ذلك باستخدام قنبلة ذرية كفتيل لإشعال قنبلة هدروجينية hydrogen bomb. وبإحاطة وقود الدوتيريوم والتتريتيوم بطبقة من اليورانيوم، تولد النترونات الناجمة عن تفاعل الاندماج تفاعلات انشطار إضافية مما يزيد من المقدرة التدميرية للقنبلة الهدروجينية، ويجري الحديث عن قنابل هدروجينية تعادل مقدرتها التدميرية بين 60 و 100ميغا طن من المواد شديدة الانفجار TNT. تجدر الإشارة إلى أنه خلافاً لتفاعلات الانشطار فإنه تعذر حتى الآن التحكم بتفاعلات الاندمادج النووي ومن ثم تعذر تسخيرها للأغراض السلمية

الشكل (4) تحويل طاقة الانشطار النووي في مفاعل من نوع الماء المضغوط PWR إلى طاقة كهربائية

 

يبين الشكل (4) استخداماً سلمياً لتفاعلات الانشطار لتوليد الطاقة الكهربائية في مفاعل من نوع الماء المضغوط Pressurized Water Reactor ويرمز له اختصاراً بـ PWR، حيث يمتص ماء مضغوط الحرارة من قلب المفاعل ويبقى محصوراً في دارة مغلقة دون أن يغلي. وتقوم دارة ثانية بتبادل الحرارة مع الدارة السابقة، فيغلي الماء ويولد البخار الذي يدير عنفات تدير بدورها مولدات كهربائية. ويجري عادة تكثيف البخار في دارة ثالثة تشتمل على برج للتبريد.

الشكل (5) استخدام الصوديوم السائل لنقل الحرارة من قلب مفاعل انشطار نووي لتوليد الكهرباء

ويبين الشكل (5) طريقة أخرى لاستخراج الطاقة الحرارية المتولدة في قلب المفاعل، يستخدم فيها الصوديوم السائل وسيطاً لهذه الغاية؛ لتمتعه بحرارة نوعية عالية، وذلك في الدارتين الأولى والثانية، ويتحول الماء إلى بخار في الدارة الثالثة بالتبادل الحراري، ويقوم بخار الماء بتدوير عنفات وتوليد الكهرباء كالسابق.

أحمد محمود حصري

الموضوعات ذات الصلة:

 

اقتصاد الطاقة ـ النسبية ـ الطاقات المتجددة.

 

مراجع للاستزادة:

 

- W.E.Burcham, Nuclear Physics, an in­tro­duction (Longmans 1963).

 

---

- التصنيف : الكيمياء و الفيزياء - النوع : علوم - المجلد : المجلد الثاني عشر - رقم الصفحة ضمن المجلد : 438 مشاركة :