الطاقة النووية هي واحدة من أقوى مصادر الطاقة في العالم. بشكل عام، يتم استخدامه في محطات الطاقة النووية الكبيرة لتوليد الكهرباء على نطاق واسع. ومع ذلك، قليلون هم الذين يعرفون العمليات التي تسمح بتحويل نواة الذرات إلى طاقة عملية للحياة اليومية. بشكل عام، يتم توليد هذه الطاقة من عمليتين مختلفتين: الانشطار النووي y الاندماج النووي.
في هذه المقالة سوف نتعمق في عملية الانشطار النوويموضحًا كيفية توليد هذا النوع من الطاقة، وما هي آليته، وكيف يختلف عن الاندماج النووي، من بين موضوعات رئيسية أخرى.
ما هو الانشطار النووي؟
الانشطار النووي هو نوع من التفاعل النووي الذي تنقسم فيه نواة الذرة الثقيلة إلى نوى أخف، مما يؤدي إلى إطلاق كمية كبيرة من الطاقة في هذه العملية. وهذه الطاقة هي ما يتم تحويله لاحقاً بشكل رئيسي إلى كهرباء في حالة المحطات النووية.
وفي هذه العملية، يصطدم النيوترون بنواة ذرة غير مستقرة، مثل اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم 239. من خلال التقاط النيوترون المذكور، فإن الأساسية تصبح أكثر غير مستقرة وتنقسم، وتطلق نيوترونات إضافية وطاقة على شكل حرارة وإشعاع.
يمكن لهذه النيوترونات الإضافية بدورها أن تؤدي إلى المزيد من التفاعلات الانشطارية عن طريق الاصطدام مع نوى أخرى غير مستقرة، مما يحافظ على تفاعل تسلسلي والتي، إذا لم يتم التحكم فيها بشكل صحيح، يمكن أن تؤدي إلى إطلاق كميات كبيرة من الطاقة بطريقة مدمرة. وهذا هو المبدأ الأساسي الذي يسمح بتشغيل المفاعل النووي.
نواة واحدة منقسمة يمكن أن يولد طاقة أكثر بملايين المرات من التفاعل الكيميائي النموذجي، مثل حرق الفحم أو الغاز. وهذا الأداء المذهل للطاقة هو السبب وراء كون الطاقة النووية خيارًا جذابًا لإنتاج الكهرباء.
تفاعل تسلسلي
عندما يحدث الانشطار النووي، يتم إطلاق العديد من النيوترونات (عادة ما بين اثنين وثلاثة). يمكن لهذه النيوترونات أن تستمر في التفاعل مع النوى الانشطارية الأخرى القريبة، مما يسبب المزيد من الانشطارات وبالتالي إطلاق المزيد من النيوترونات والطاقة. وهذا ما يسمى تفاعل تسلسلي.
لكي يكون التفاعل المتسلسل مستدامًا، من الضروري أن يتسبب واحد على الأقل من النيوترونات المنطلقة من الانشطار الأولي في انشطار جديد. إذا تم استيفاء هذا الشرط، يمكن أن يستمر التفاعل بطريقة خاضعة للرقابة. هذا هو مبدأ العمل المفاعلات النووية.
أحد التحديات الكبيرة التي تواجه محطات الطاقة النووية هو القدرة على التحكم في هذه العملية. يمكن أن يؤدي عدد كبير جدًا من الانشطارات المتتالية إلى إطلاق مفاجئ للطاقة، في حين أن عدد قليل جدًا من الانشطارات يجعل من المستحيل توليد طاقة كافية. تم تصميم المفاعلات النووية للحفاظ على هذا التوازن باستخدام المشرفين وأشرطة التحكم أنها تمتص النيوترونات عند الضرورة.
الاختلافات بين الانشطار النووي والاندماج
يقوم كل من الانشطار والاندماج بإطلاق الطاقة الموجودة في نواة الذرة، لكن الآلية وراء كل منهما مختلفة تمامًا.
في الانشطار النوويل انقسام النواة الثقيلة في نوى أصغر، كما ذكرنا من قبل، بينما في الاندماج النووي، العملية عكسية: نوى خفيفة، عادة الهيدروجينتندمج معًا لتشكل جسمًا أثقل، مما يؤدي إلى إطلاق كمية هائلة من الطاقة.
مثال الانشطار:
عندما يضرب النيوترون ذرة اليورانيوم 235، تنقسم الذرة إلى نواتين أخف وزنا، الباريوم 144 والكريبتون 89وإطلاق ثلاثة نيوترونات جديدة وكمية كبيرة من الطاقة. إنها عملية يتم التحكم فيها بشكل كبير في المحطات النووية.
مثال الانصهار:
في الشمس، تندمج نوى الهيدروجين باستمرار لتشكل نوى الهيليوم، وتطلق كميات هائلة من الطاقة على شكل ضوء وحرارة. ومع ذلك، فإن الظروف اللازمة لتفاعل الاندماج على الأرض صعبة للغاية لتحقيقها بسبب الحاجة إلى درجات حرارة تصل إلى ملايين الدرجات وضغوط عالية. وعلى الرغم من عقود من البحث، ولم يتم بعد تحقيق الاندماج النووي الخاضع للرقابة بطريقة مجدية تجاريا.
الكتلة الحرجة
La الكتلة الحرجة وهو الحد الأدنى من المواد الانشطارية اللازمة ليكون التفاعل المتسلسل المستمر ممكنًا. إذا كانت الكتلة المستخدمة أقل من الكتلة الحرجة، فسيتم فقدان النيوترونات المنطلقة في كل انشطار قبل التسبب في انشطارات جديدة وسيتوقف التفاعل.
تعتمد الكتلة الحرجة على عوامل مختلفة مثل نقاء الموادوهندستها وما إذا كانت محاطة بمواد عاكسة للنيوترونات مما يقلل من الخسائر.
مثال على ذلك أن المفاعلات النووية عادة ما تكون مصممة بشكل كروي أو أسطواني للحفاظ على عدد النيوترونات داخل النظام لأطول فترة ممكنة وضمان استمرار الانشطار بشكل مستدام.
الانشطار النووي العفوي
الانشطار النووي التلقائي إنها ظاهرة أقل شيوعًا ولكنها مهمة حيث تنقسم النواة دون تدخل النيوترون الساقط. ويحدث هذا في النظائر غير المستقرة للغاية مثل البلوتونيوم 239.
وعلى الرغم من أن احتمال حدوثها تلقائيًا منخفض، إلا أن لهذه الظاهرة آثارًا على إدارة المواد النووية وسلامة المفاعلات.
يمكن أن يؤدي هذا النوع من الانشطار إلى انبعاث إشعاع ويمثل خطرًا محتملاً إذا لم تتم إدارته بشكل صحيح، حيث يمكن أن يؤدي إلى تفاعلات غير مرغوب فيها إذا تم الوصول إلى الظروف الصحيحة.
هذا هو السبب أمن في المحطات النووية أمر أساسي لتجنب الحوادث والكوارث مثل تلك التي وقعت في تشيرنوبيل أو فوكوشيما.
لا يزال الانشطار النووي أحد التقنيات الرائدة لإنتاج الطاقة في العالم، خاصة بسبب قدرته على توليد كميات كبيرة من الكهرباء مع بصمة كربونية محدودة.