شارح الدرس: الطاقة النووية الكيمياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نوضِّح كيفية إنتاج الطاقة من خلال الاندماج النووي والانشطار النووي في سياق محطات الطاقة النووية.

الطاقة النووية هي الطاقة التي تنبعث عندما تنشطر النوى الذرية أو تندمج. ويمكننا تسخير الطاقة المنبعثة من النواة لتوليد تيار كهربي في محطات الطاقة النووية. وللطاقة النووية مزايا أكثر من الطاقة المشتقة من الوقود الأحفوري؛ ولذا فهي طريقة مستحَبَّة لتوليد الكهرباء.

هيا نتناول العمليتَيْن المتَّبَعتَيْن لانبعاث الطاقة من النوى.

ترتبط البروتونات والنيوترونات معًا في نواة الذرة وتُمنع من الانفصال بعضها عن بعض بواسطة قوة شديدة القوة تُسمَّى القوة النووية أو القوة النووية القوية. والطاقة اللازمة للتغلُّب على القوة النووية لفصل النيوكليونات (البروتونات والنيوترونات) بعضها عن بعض داخل نواة الذرة تُسمَّى طاقة الترابط النووي.

عندما تنفصل البروتونات والنيوترونات بعضها عن بعض، أو عندما تُضاف جسيمات دون ذرية إلى النوى، تحدث تغيُّرات في طاقة الترابط النووي. تتحرَّر كمية كبيرة للغاية من الطاقة في صورة طاقة نووية.

يمكن أن تُولَّد الطاقة النووية بطريقتين: الانشطار النووي والاندماج النووي. هيا نتناول هاتين العمليتين.

تُستخدم تفاعلات الانشطار في محطات الطاقة النووية لتوليد الكهرباء. وتوضِّح الصورة الآتية محطة للطاقة النووية.

يحدث الانشطار عندما تنقسم نواة ذرية ثقيلة إلى نواتين ذريتين أو أكثر أخف وزنًا وأصغر حجمًا.

يوضِّح الشكل الآتي تفاعل الانشطار الذي يحدث في محطات الطاقة النووية. ويُعَد نظير اليورانيوم-235 أحد أنواع وقود الطاقة النووية. ويُعبَّأ نظير اليورانيوم-235 في قضبان تُسمَّى قضبان الوقود. وفي قضبان الوقود، تُقذَف ذرات اليورانيوم-235 بنيوترونات عالية السرعة. وعندما يكون للاصطدام بين نيوترون وذرة يورانيوم طاقة تكفي للتغلُّب على قوى التجاذب داخل النواة التي تربط النيوكليونات معًا، تنقسم نواة اليورانيوم إلى نواتين أصغر حجمًا وأخف وزنًا: ذرة باريوم وذرة كريبتون. وتُنتَج أيضًا ثلاثة نيوترونات.

يُعرَف اليورانيوم-235 بأنه مادة قابلة للانشطار؛ لأنه يمكن أن يخضع لتفاعلات انشطارية تَنتج عنها كميات هائلة من الطاقة.

يمكننا كتابة معادلة هذا التفاعل النووي على النحو الآتي:

داخل محطات الطاقة النووية يحدث تفاعل انشطار متكرِّر باستمرار، يُسمَّى التفاعل المتسلسل.

والتفاعل المتسلسل تفاعل يحدث مرارًا وتكرارًا بالطريقة نفسها في كل مرة. وتتكرَّر نفس الخطوة أو الخطوات في الآلية أو العملية لوقت غير محدَّد حتى تُستهلَك المتفاعلات، أو حتى يتدخَّل شيء ما لإيقاف التفاعل.

والآن، هيا نستخدم تفاعل الانشطار نفسه المذكور سابقًا للتعرُّف على كيفية حدوث التفاعل المتسلسل. يوضِّح الشكل الآتي كيف يمكن للنيوترونات الثلاثة الناتجة من قذف ذرة يورانيوم-235 بنيوترون أن تواصل الاصطدام بذرات يورانيوم-235 أخرى.

والتفاعل: يحدث مرارًا وتكرارًا في التفاعل المتسلسل. يوضِّح الشكل السابق كيف أن هذا التفاعل المتسلسل تزداد شدته أسيًّا، ويولِّد كميات متزايدة من الطاقة بمرور الزمن.

يجب التحكُّم بعناية بتفاعلات الانشطار المتسلسلة. إذا لم يتم التحكُّم بها، فقد تتوقَّف أو تصبح غير مستقرة. إذا لم تتوافر كمية كافية من اليورانيوم-235 والنيوترونات، فلن يحدث عدد كافٍ من التصادمات للحفاظ على استمرار التفاعل المتسلسل، وسيتوقَّف التفاعل. أو إذا حدث عدد كبير للغاية من التصادمات بين النيوترونات وذرات اليورانيوم-235، فقد يخرج التفاعل المتسلسل عن السيطرة. وقد يؤدي التفاعل المتسلسل الخارج عن السيطرة في نهاية المطاف إلى انصهار قلب المفاعل النووي.

تهدئة النيوترونات وامتصاص النيوترونات عمليتان تُستخدَمان للتحكُّم في تفاعلات الانشطار المتسلسلة.

عند السرعات العالية، يمكن للنيوترونات أن تمر مباشرةً عبر نوى الذرات القابلة للانشطار. وباستخدام عملية تهدئة النيوترونات، تنخفض سرعة النيوترونات. ويَنتج عن هذا زيادة عدد التصادمات الناجحة بين النيوترونات وذرات اليورانيوم-235، والحفاظ على استمرارية التفاعل المتسلسل. ويُعَد الكربون في صورة الجرافيت، وكذلك الماء، مادتين مناسبتين لاستخدامهما مهدِّئَتَيْن.

أما طريقة امتصاص النيوترونات، فالهدف منها هو الحصول على نتيجة عكسية؛ حيث تُمنَع النيوترونات من التصادم مع ذرات اليورانيوم -235 من أجل إبطاء التفاعل المتسلسل. وتُستخدَم قضبان تحكُّم مصنوعة من عناصر مثل الكادميوم في امتصاص النيوترونات.

في محطات الطاقة النووية، يحدث التفاعل المتسلسل داخل المفاعل النووي. يوضِّح الشكل الآتي أجزاء المفاعل النووي. تُوضَع قضبان الوقود التي تحتوي على اليورانيوم-235 داخل قلب المفاعل المليء بالماء. ويُستخدَم الماء لتبريد القضبان وإبطاء سرعة النيوترونات باستخدام عملية التهدئة. ويحتوي قلب المفاعل أيضًا على قضبان تحكُّم لامتصاص النيوترونات.

يمكن تعديل عدد قضبان التحكُّم في قلب المفاعل، وكذلك يمكن تعديل العمق الذي تصل إليه داخل قلب المفاعل من أجل التحكُّم في معدل الانشطار.

يوضِّح الشكل الآتي كيفية توليد طاقة كهربية من تفاعل الانشطار في قلب المفاعل.

يولِّد التفاعل المتسلسل كمًّا كبيرًا من الطاقة الحرارية التي تُسخِّن الماء داخل قلب المفاعل. ويُضَخ الماء الساخن إلى مولِّد بخار أو غلاية؛ حيث يُحوَّل إلى بخار. ويدير الضغط الناتج من البخار توربينًا يولِّد بدوره الكهرباء. بعد ذلك يُبرَّد البخار ويُكثَّف إلى ماء سائل مرةً أخرى في أبراج تبريد كبيرة. الأبراج الكبيرة الظاهرة في الصورة السابقة أبراج تبريد. وأخيرًا، يُضَخ الماء المُبرَّد مرةً أخرى إلى قلب المفاعل، وتتكرَّر الدورة.

مثال ٣: تحديد الترتيب الصحيح لانتقال الطاقة في محطة للطاقة النووية

ما ترتيب انتقال الطاقة الكهربية الناتجة عن الانشطار النووي من قضبان الوقود عبر محطة توليد الطاقة؟

الحل

في محطة الطاقة النووية، يتولَّد كمٌّ كبير من الطاقة الحرارية بواسطة تفاعلات الانشطار في قضبان الوقود التي توجد داخل قلب المفاعل. وتُستخدَم هذه الطاقة الحرارية لتحويل الماء في قلب المفاعل إلى بخار، إما في قلب المفاعل وإما في غلاية مُلحَقة به. ويدير البخار الناتج من الغلاية توربينات، وتتولَّد طاقة كهربية في المولِّد. إذن الترتيب الصحيح لانتقال الطاقة هو قضبان الوقود، والمفاعل، والغلاية، والتوربينات، وأخيرًا المولِّد. وهذا الترتيب يُطابِق الخيار (ب).

يَنتج عن عملية توليد الكهرباء في محطات الطاقة النووية مخلَّفات مشعَّة طويلة العمر. وقضبان الوقود المستهلَكة ليست المخلَّفات الخطرة الوحيدة. تحتوي ملابس العمال والأدوات التي تُلامِس الوقود النووي أيضًا على كميات ضئيلة من المادة المشعَّة التي يجب التخلُّص منها بعناية. تُخزَّن المخلَّفات النووية في البداية تحت الماء لتبرد. وبعد مرور بعض الوقت، يمكن إعادة تدوير اليورانيوم في قضبان الوقود المستهلَكة أو دفنه تحت الأرض.

هيا نقارن مزايا الطاقة النووية بمزايا الطاقة الناتجة من الوقود الأحفوري. يلخِّص الجدول الآتي المزايا والعيوب المهمة لكلٍّ منهما.

أولًا، تولِّد التفاعلات النووية طاقة أكبر بكثير من الطاقة المولَّدة من حرق الوقود الأحفوري. يلزم حجم أقل بكثير من الوقود لتوليد طاقة نووية. وتَنتج عن العمليتين مخلَّفات خطرة. يُنتِج حرق الوقود الأحفوري المزيد من ملوِّثات الهواء، وتكون المخلَّفات النووية مشعَّة، وقد يستمر إشعاعها في بعض الأحيان لآلاف السنين. حجم المخلَّفات النووية أقل بكثير من حجم المخلَّفات الناتجة عن حرق الوقود الأحفوري. لهذا السبب، تُعَد الطاقة النووي أكثر «خضرةً» وصداقةً للبيئة من قِبَل بعض الدول. ولكن حظرت دول أخرى توليد الكهرباء من الطاقة النووية.

يحدث الاندماج النووي عندما تتصادم نواتان ذريتان أو أكثر وتندمجان معًا لتكوين نواة ذرية مختلفة أكبر. وتكون النواة الجديدة الناتجة أثقل من الذرتين الأصليتين.

تنبعث كميات هائلة من الطاقة خلال هذه العملية. وتتولَّد الطاقة المنبعثة من الشمس من خلال عمليات اندماج نووي. وتكون الضغوط في الشمس عالية للغاية، مع درجات حرارة تبلغ ملايين الدرجات السلزية. وتسمح هذه الظروف للنوى الذرية بأن تتصادم وتندمج بعضها مع بعض. خلال كل ثانية في الشمس، تندمج مئات ملايين الأطنان من الهيدروجين، لتكوين الهليوم.

ثمة العديد من الأنواع المختلفة من تفاعلات الاندماج التي تحدث في الشمس. وتوضِّح المعادلة الآتية أبسط تفاعل من هذه التفاعلات:

تتصادم أربع من نوى الهيدروجين وتندمج معًا لتكوين نواة هليوم واحدة. وينتج أيضًا بوزيترونان . وخلال هذه العملية، يتحوَّل جزء من كتلة الهيدروجين إلى طاقة.

تولِّد تفاعلات الاندماج كمًّا من الطاقة أكبر بكثير من تفاعلات الانشطار، ولا يَنتج عنها أي مخلَّفات مشعَّة طويلة العمر. ولكن استخدام تفاعلات الاندماج النووي باعتبارها وسيلةً لتوليد الطاقة المستدامة ليس ممكنًا بعدُ. وتَستخدم محطات الطاقة النووية حاليًّا تفاعلات الانشطار النووي فقط وسيلةً لتوليد الطاقة، ولا تَستخدم تفاعلات الاندماج النووي لتوليد الكهرباء. ويرجع سبب ذلك إلى أنه من الصعب للغاية تحقيق تفاعلات الاندماج النووي، ومن الأصعب الحفاظ على استمراريتها، وهذا يرجع إلى درجات الحرارة والضغوط الهائلة اللازمة لجعل النوى الموجبة الشحنة تندمج. ولم يتمكَّن العلماء بعدُ من الحفاظ على الظروف الضرورية لاستمرارية تفاعلات الاندماج النووي، ولكنهم يواصلون دراسة كيفية تحقيق ذلك، وقد يُستخدم الاندماج النووي في المستقبل لتوليد الكهرباء.