بحث حول الطاقة النووية - 02 -

[هزيم الرعد]

اندماج نووي

الشمس، مركز تفاعلات اندماج نووية متعدّدة

تفاعل الإندماج النووي (يعرف أيضا بالـ تيرمونووي) هو،بالإضافة إلى الانشطار، أحد أهم أنواع التفاعلات النووية التطبيقية. لا يجب خلط الاندماج النووي باندماج القلب في مفاعل نووي و هو حادث نووي خطير جدا.

الاندماج النووي عملية تتجمع فيها نواتان ذريتان لتكوين نواة واحدة أثقل. اندماج الأنوية الخفيفة يطلق كميات هائلة من الطاقة المتأتية من التجاذب بين مكونات النواة بسبب التآثر القوي.

هذا التفاعل موجود في الشمس و في بعض النجوم الأخرى في الكون.

فائدة الاندماج النووي تكمن في إطلاقه كميات طاقة أكبر بكثير مما يطلقه الانشطار و بكتل مواد متساو. و بالاضافة إلى ذلك، فإن المحيطات تحتوي بشكل طبيعي على كميات كافية من الدويتريوم لتغذية الكوكب بالطاقة لمدة آلاف السنين، كما أن المواد المنبعثة عن الاندماج (خصوصا الهيليوم 4)، ليست موادا مشعّة.

و على الرغم من العدد الكبير من التجارب التي تم القيام بها في كل أنحاء العالم منذ خمسين سنة، فإنه لم يتم التوصل إلى أية نتيجة تطبيقية فعّالة للاندماج على صناعة الطاقة، خارج الميدان العسكري بابتكار القنبلة الهيدروجينية. لكن يوجد، في المقابل، استعمالات أخرى أقل صيتا، كمولدات النيوترونات المستعملة بالأساس في الكشف عن المتفجرات.

آلية الاندماج

يحدث تفاعل الاندماج النووي عندما تتداخل نواتان ذريتان. لكن، ليتم هذا التداخل، لا بد من أن تتخطى النواتان التنافر الحاصل جراء شحنتيهما الموجبتين (و تعرف

الظاهرة بالـحاجز الكولومبي). إذا ما طبقنا قواعد الميكانيكا الكلاسيكية وحدها، سيكون احتمال الحصول على اندماج الأنوية منخفضا للغاية، بسبب الطاقة الحركية

(الوافقة للهيجان الحراري) العالية جدا اللازمة لتخطي الحاجز المذكور. و في المقابل، تقترح ميكانيكا الكم، و هو ما تؤكده التجربة، أن الحاجز الكولومبي يمكن تخطيه

أيضا بظاهرة النفق، بطاقات أكثر انخفاضا.

و بالرغم من ذلك، فإن الطاقة اللازمة للاندماج تبقى مرتفعة جدا، و هو ما يقابله حرارة أكثر من عشرات أو ربما مئات الملايين من الدرجات المئوية حسب طبيعة

الأنوية. داخل الشمس، على سبيل المثال، يجري تفاعل اندماج الهيدروجين المؤدي، عبر مراحل، إلى إطلاق الهليوم، في ظل جرارة تقدر ب 15 مليون درجة

مئوية، و لكن ضمن تفاعلات مختلفة عن تلك التي تدرس على الأرض لإنتاج الطاقة عبر الاندماج. و في بعض النجوم الأكثر كتلة، تتم عمليات اندماج لأنوية أضخم،

تحت درجات حرارة أكبر.

عندما تندمج أنوية صغيرة، تنتج نواة غير مستقرة، و لكي تعود إلى حالة أكثر استقرارا ذات طاقة أقل، يتم إطلاق جسيم أو أكثر (فوتون، نوترون، بروتون، أو نواة

هيليوم، حسب التفاعل)، و تتفرّق الطاقة الزائدة بين النواة و الجسيمات المطلقة، في شكل طاقة حركيّة. و لكي يكون الاندماج ذا مردود جيد من الطاقة، من

الضروري أن تكون الطاقة الناتجة أكير من الطاقة المستهلكة لتواصل التفاعلات و في الحرارة الخارجة إلى المحيط الخارجي. كما يجب منع أي اتصال بين محيط

التفاعل و مواد المحيط في المفاعلات الاندماجية.

عندما لا يوجد أي وضع مستقر، تقريبا، قد يكون من المستحيل أن نقوم بإدماج نواتين (على سبيل المثال : 4He + 4He).

اندماج نووي.

إن التفاعلات الاندماجية التي تطلق أكبر قدر من الطاقة هي تلك التي تستخدم أكثر الأنوية خفّة. و بالتالي فإن أنوية الدويتيريوم (بروتون واحد و نوترون واحد) و التريتيوم (بروتون واحد و نوترونان)، مستخدمة في التفاعلات التالية :

• دويتيريوم + دويتيريوم -> هيليوم 3 + نوترون
• دويتيريوم + دويتيريوم -> تريتيوم + بروتون
• دويتيريوم + تريتيوم -> هيليوم 4 + نوترون
• دويتيريوم + هيليوم 3 -> هيليوم 4 + بروتون

و هذه التفاعلات هي أكثر التفاعلات دراسة في المخابر عند تجارب الاندماج المراقبة.

الاندماج المتحكم فيه

يمكن التفكير في عدة طرق تمكّننا من احتجاز محيط التفاعل للقيام بتفاعلات اندماج نووية، من ذلك الاندماج عبر الاحتجاز المغناطيسي و غيره. و لكن لا يوجد إلى حد الآن مادة يمكنها احتجاز الطاقة الهائلة للاندماج النووي، لاستعمالها في أغراض صناعة الطاقة الكهربائية.

و من التطبيقات الأخرى للاندماج، إنتاج النوترونات، و ذلك بالأساس لاكتشاف المتفجّرات، و هو ما تم استخدماه منذ زمن بعيد في النطاق الصناعي.

الاندماج بالاحتجاز المغناطيسي

• التوكاماك، حيث يحتجز خليط من مماثلات الهيدروجين بواسطة حقل مغناطيسي.
• الستيلاتور، حيث تؤمن الحواث (inductors) الاحتجاز بالكامل.

بلازما الإندماج

عندما تصل الحرارة الدرجة التي يحصل فيها الإندماج، تكون المادة في حالة بلازما. إنها حالة خاصة للمادة الأولية، تكوّن فيها الذرات أو الجزيئات غازا أيونيا.

لقد تم إقتلاع إلكترون أو أكثر من السحابة الإلكترونية المحيطة بكل نواة، مما ينتج عنه أيونات موجبة و إلكترونة طليقة، و يكون الكل محايدا كهربيا.

ينتج عن التحرك الكبير للأيونات و الإلكترونات داخل بلازما حرارية، عدة اصطدامات بين الجسيمات. و لكي تكون هذه الإصطدامات قوية بما فيه الكفاية لإنشاء تفاعل اندماجي، تتدخل ثلاث عوامل :

1. الحرارة T ;
2. الكثافة N ;
3. زمن الإحتجاز τ.

حسب لوسون فإن العامل Nτ يجب أن يصل حدا فاصلا للحصول على الـ breakeven حيث تكون الطاقة الناتجة عن الاندماج مساوية للطاقة المستخدمة. يحدث الإيقاد، إثر ذلك، في مرحلة أكثر إنتاجا للطاقة (من غير الممكن إيجادها اليوم في المفاعلات الحالية). إنه الحد الذي يكون التفاعل إثره قادرا على المواصلة من تلقاء ذاته. لتفاعل ديتوريوم + تريسيوم، يقدّر هذا الحد بـ 1014 ث/سم³.

محطات الطاقة النووية

تعتبر محطات التوليد النووية نوعا من محطات التوليد الحرارية البخارية، حبث تقوم بتوليد البخار بالحرارة التي تتولد في فرن المفاعل. الفرق في محطات الطاقة النووية أنه بدل الفرن الذي يحترق فيه الوقود يوجد الفرن الذري الذي يحتاج إلى جدار عازل وواق من الإشعاع الذري وهو يتكون من طبقة من الآجر الناري وطبقة من المياه وطبقة من الحديد الصلب ثم طبقة من الأسمنت تصل إلى سمك مترين وذلك لحماية العاملين في المحطة والبيئة المحيطة من التلوث بالإشعاعات الذرية .

والمفاعل الذري تتولد فيه الحرارة نتيجة انشطار ذرات اليورانيوم بضربات الإلكترونات المتحركة في الطبقة الخارجية للذرة وتستغل هذه الطاقة الحرارية الهائلة في غليان المياه في المراجل وتحويلها إلى بخار ذات ضغط عال ودرجة مرتفعة جدا، باستعمال الطاقة الحرارية في تسخين المياه في مراجل BOILERS) ) وتحويلها إلى بخار في درجة حرارة وضغط معين .ثم يسلط هذا البخار على زعنفات أو توربينات بخارية صممت ليقوم البخار السريع بتدوير محور التوربينات وبذلك تتحول الطاقة البخارية إلى طاقة ميكانيكية على محور هذه التوربينات . ويربط محور المولد الكهربائي مع محور التوربينات البخارية فيدور محور المولد الكهربائي (ALTERNATOR)بنفس السرعة لتتولد على طرفي الجزء الثابت من المولد الطاقة الكهربائية اللازمة . وكانت أول محطة توليد حرارية نووية في العالم نفذت في عام 1954 وكانت في الاتحاد السوفيتي بطاقة 5 ميجاواط . عندما توصل العلماء إلى تحرير الطاقة النووية من بعض العناصر كاليورانيوم والبلوتونيوم. فوقود المفاعلات النووية اليورانيوم المخصب بكمية تكفي لحدوث تسلسل تفاعلي انشطاري يستمر من تلقاء ذاته. و الوقود يوضع في شكل حزم من قضبان طويلة داخل قلب المفاعل الذي عبارة عن حجرة مضغوطة شديدة العزل. ويتم الانشطار النووي بها لتوليد حرارة، لتسخين المياه وتكوين البخار الذي يدير زعانف التوربينات التي تتصل بمولدات كهربائية . و يتم تغطيس الحزم في الماء للإبقاء عليها باردة . أو استخدام ثاني أكسيد الكربون أو معدن مصهور لتبريد قلب المفاعل. ويتم إدخال قضبان تحكم في غرفة المفاعل، من مادة، الكادميوم، لتمتص النيوترونات المتولدة من انشطار أنوية الذرات داخل المفاعل. فكلما تم تقليل النيوترونات كلما تم تحجيم التفاعلات المتسلسلة بما يبطئ من عملية انشطار ذرات اليورانيوم.وكان أول مفاعل نووي قد أقيم عام 1944في هانفورد بأمريكا لآنتاج مواد الأسلحة النووية وكان وقوده اليورانيوم الطبيعي ةكان ينتج البلوتونيوم ولم تكن الطافة المتولدة تستغل . ثم بنيت أنواع مختلفة من المفاعلات في كل أنحاء العالم لتوليدالطاقة الكهربائية. وتختلف في نوع الوقود والمبردات و الوسيط . وفي أمريكا يستعمل الوقود النووي في شكا أكسيد اليورانيوم المخصب حتي 3% باليورانيوم 235 والوسيط والمبرد من الماء النقي وعذع الأنواع من المفاعلات يطلق عليها مفاعلات الماء الخفيف.

[هزيم الرعد]

أين ردودكم؟