تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

شارح الدرس: الطاقة النووية الكيمياء

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.

تعريف: طاقة الترابط النووي

هي الطاقة اللازمة لتفكيك نواة ذرة إلى البروتونات والنيوترونات المكوِّنة لها.

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.

محطة تيهانجي النووية في بلجيكا

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

تعريف: الانشطار النووي

هو انقسام نواة ذرية ثقيلة إلى نواتين ذريتين أو أكثر أخف وزنًا.

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: 102359214156923610n+UBa+Kr+3n+

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.

تعريف: التفاعل المتسلسل

التفاعل المتسلسل تفاعل يتبع نفس الخطوة أو الخطوات بصورة متكرِّرة لوقت غير محدَّد حتى تُستهلَك المتفاعلات أو يتم إيقاف 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: 102359214156923610n+UBa+Kr+3n+ يحدث مرارًا وتكرارًا في التفاعل المتسلسل. يوضِّح الشكل السابق كيف أن هذا التفاعل المتسلسل تزداد شدته أسيًّا، ويولِّد كميات متزايدة من الطاقة بمرور الزمن.

مثال ١: اختيار الاسم الصحيح لتفاعل متكرِّر إلى ما لا نهاية

على الرغم من التحكُّم الحذر، فإن التفاعل فَوْرَ حدوث الانشطار النووي في مُفاعِل نووي يستمرُّ وقتًا غير مُحدَّد حتى تُستهلَك قضبان الوقود. ما اسم هذا النوع من التفاعل؟

  1. تفاعل النيوترون
  2. تفاعل الاضمحلال
  3. تفاعل جيجر
  4. التفاعل المتسلسل
  5. تفاعل الاندماج

الحل

عندما يبدأ تفاعل نووي داخل مفاعل نووي في محطة طاقة، يستمر في الحدوث تلقائيًّا. وهذا لأن نواتج تفاعل الانشطار الأول يمكن أن تواصل الاصطدام بالمزيد من الذرات المتفاعلة، وهو ما يجعلها تنشطر أيضًا. وتحدث هذه العملية مرارًا وتكرارًا دون توقُّف، وبصورة متزايدة أسيًّا، حتى تُستهلَك جميع المتفاعلات أو حتى يتم إيقاف التفاعل.

وهذا النوع من التفاعلات، الذي تتبع فيه العملية الخطوة أو الخطوات نفسها بصورة متكرِّرة لوقت غير محدَّد حتى تُستهلَك المتفاعلات أو يتم إيقاف التفاعل، يُسمَّى تفاعلًا متسلسلًا. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (د).

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.

تعريف: تهدئة النيوترونات

تهدئة النيوترونات عملية تسبِّب إبطاء سرعة النيوترونات لزيادة عدد التصادمات الناجحة بين النيوترونات وذرات اليورانيوم-235 وزيادة معدل التفاعل المتسلسل.

تعريف: امتصاص النيوترونات

امتصاص النيوترونات عملية تُمتَص فيها النيوترونات بواسطة قضبان تحكُّم من أجل تقليل عدد التصادمات الناجحة بين النيوترونات وذرات اليورانيوم-235، وتقليل معدل التفاعل المتسلسل.

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.

مثال ٢: تحديد المصطلح الصحيح لعمليات التحكُّم في التفاعل المتسلسل في المفاعلات النووية

في المُفاعِل النووي، من المهم ألَّا يحدث التفاعل ببطء أو سرعة أكثر من اللازم.

  1. ما اسم العملية التي تعمل على إبطاء النيوترونات لضمان حدوث تصادمات أكثر نجاحًا؟
    1. تحوُّل النيوترونات
    2. امتصاص النيوترونات
    3. تأيُّن النيوترونات
    4. تهدئة النيوترونات
    5. تنشيط النيوترونات
  2. ما اسم العملية التي تحجب النيوترونات لمنع حدوث تصادمات مع قضبان الوقود؟
    1. تنشيط النيوترونات
    2. تحوُّل النيوترونات
    3. تهدئة النيوترونات
    4. امتصاص النيوترونات
    5. تأيُّن النيوترونات

الحل

الجزء الأول

يجب التحكُّم في تفاعل الانشطار المتسلسل، وإلا فقد يتوقَّف أو يستمر بطريقة خطرة وخارجة عن السيطرة. لزيادة معدل تفاعل الانشطار البطيء للغاية، تُبطَّأ سرعة النيوترونات لزيادة عدد التصادمات بين النيوترونات وذرات الوقود القابلة للانشطار (ذرات اليورانيوم-235 على سبيل المثال) من أجل زيادة معدل التفاعل المتسلسل. تُسمَّى هذه العملية تهدئة النيوترونات. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (د).

الجزء الثاني

عندما يحدث تفاعل الانشطار المتسلسل بسرعة كبيرة، تتولَّد كمية هائلة من الطاقة. وبناءً على ذلك، يزداد احتمال حدوث تفاعل خارج عن السيطرة، أو حتى حدوث انفجار. ومن ثَمَّ، لتقليل معدل تفاعل الانشطار، يتم إدخال قضبان تحكُّم إلى عمق أكبر داخل قلب المفاعل، أو يُضاف المزيد من قضبان التحكُّم لامتصاص النيوترونات. في ظل وجود عدد أقل من النيوترونات الحرة في قلب المفاعل، تحدث تصادمات أقل بين النيوترونات وذرات الوقود القابلة للانشطار؛ ومن ثَمَّ، يقل معدل التفاعل المتسلسل. تُسمَّى هذه العملية امتصاص النيوترونات. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (د).

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.

الوقود الأحفوريالوقود النووي
حجم الوقود اللازم لإطلاق كمية الطاقة نفسهاكبير نسبيًّا (طن متري واحد من الفحم)صغير نسبيًّا (6 جرامات )
المخلَّفات الناتجةCO2 وCO ومركبات S ومركبات NOx ومادة جسيمية (السخام)اليورانيوم-238 (95%) واليورانيوم-235 (1%) والبلوتونيوم ومخلَّفات أخرى لتفاعل الانشطار
حجم المخلَّفات الناتجةملايين الأطنان المترية من غاز CO2 ومئات آلاف الأطنان المترية من الرماد كل سنةبضعة أمتار مكعبة لكل 1‎ ‎000‎ ‎000 شخص كل سنة

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.

تعريف: الاندماج النووي

الاندماج النووي عبارة عن تكوين نواة ذرية واحدة أثقل من تصادم نواتين ذريتين أصغر وأخف واندماجهما.

مثال ٤: التعرُّف على الفرق بين الاندماج والانشطار

أيُّ العبارات الآتية تُقارِن مقارنةً صحيحةً بين الاندماج النووي والانشطار النووي؟

  1. في الانشطار النووي، تنقسم النوى الكبيرة، وفي الاندماج النووي، تندمج النوى الصغيرة.
  2. في الاندماج النووي، تنقسم النوى الكبيرة، وفي الانشطار النووي، تندمج النوى الصغيرة.

الحل

الاندماج النووي هو العملية التي تتصادم فيها ذرتان صغيرتان وخفيفتان أو أكثر أو تندمجان معًا لتكوين نواة مختلفة أثقل وأكبر. يمكننا تذكُّر هذا المصطلح من خلال تأمُّل كلمتَي «اندماج» و«دمج»؛ حيث تعني كلمة دمج الاتحاد أو الجمع معًا. ومن ثَمَّ، فإن الاندماج النووي هو جمع النوى معًا.

أما الانشطار النووي فعملية تنقسم فيها نواة واحدة ثقيلة وكبيرة إلى نواتين أو أكثر أصغر وأخف من الذرة الأصلية.

إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (أ).

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: 4HHe+2+11420+1𝛽

تتصادم أربع من نوى الهيدروجين وتندمج معًا لتكوين نواة هليوم واحدة. وينتج أيضًا بوزيترونان (2)0+1𝛽. 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.

النقاط الرئيسية

  • الطاقة النووية هي الطاقة المنبعثة من الاندماج النووي أو الانشطار النووي.
  • الانشطار النووي هو انقسام نواة ذرية واحدة ثقيلة إلى نواتين ذريتين أو أكثر أخف وزنًا.
  • الاندماج النووي هو تكوين نواة ذرية واحدة أثقل وزنًا من تصادم واندماج نواتين ذريتين أخف وزنًا وأصغر حجمًا.
  • تُستخدم تفاعلات الانشطار النووي لتوليد الكهرباء في محطات الطاقة النووية.
  • تولِّد الطاقة النووية الناتجة عن الانشطار النووي طاقة أكبر بكثير، وتَنتج عنها مخلَّفات أقل بكثير من حرق الوقود الأحفوري، ولكنها تُنتِج مخلَّفات تظل مشعَّة لفترات طويلة.
  • تُبطَّأ سرعة النيوترونات لزيادة عدد التصادمات الناجحة بين النيوترونات في معدل التفاعل المتسلسل في عملية تُسمَّى تهدئة النيوترونات.
  • تُمتص النيوترونات بواسطة قضبان تحكُّم لتقليل عدد التصادمات الناجحة في معدل التفاعل المتسلسل في عملية تُسمَّى امتصاص النيرترونات.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.