استخدامات الطاقة النووية في مجالات مختلفة

استخدامات الانشطار النووي

تعتبر استخدامات الانشطار النووي من أبرز الوسائل لإنتاج الطاقة الكهربائية في محطات الطاقة النووية. بشكل مبسط، يتضمن الانشطار النووي عملية انقسام نواة الذرة، وليس كل انقسام يحدث في أنوية العناصر يُعتبر انشطاراً نووياً؛ بل يعتمد ذلك على خصائص العنصر الكيميائي نفسه. هناك عناصر معينة، عند انقسام أنويتها، تنتج كميات هائلة من الطاقة، ويطلق على هذا الانقسام “الانشطار النووي”. يتم توليد الطاقة داخل معامل مصممة للتحكم في الانشطارات النووية وتوجيه الطاقة الناتجة بشكل حراري عبر مسارات محددة. تُمرر هذه الحرارة إلى حاويات ضخمة تحتوي على سوائل تُعرف بـ “السوائل العاملة”، وتكون مهمتها الأساسية هي التبخر. بخار السائل العامل يتحرك عبر التوربينات لتدويرها، ويمكن أن تُستخدم التوربينات بعد ذلك لدفع مراوح السفن أو لتدوير الأعمدة الخاصة بالمولدات، وبهذا يتم إنتاج الكهرباء.

تنقسم أنوية الذرات في عملية الانشطار النووي عندما يصطدم نيوترون بذرة من عنصر ما مع ذرة أكبر منه حجماً من عنصر آخر. نتيجة لهذا الاصطدام، تتولد طاقة تدفع الذرة الأكبر حجماً إلى الانقسام. ومن أجل تحقيق الانشطار بشكل صناعي والسيطرة عليه لأغراض إنتاج الكهرباء، تُطلق نيوترونات إضافية لبدء تفاعلات تسلسلية تُنتج بدورها كميات هائلة من الطاقة. من العناصر المستخدمة في هذه التفاعلات، يُعتبر اليورانيوم (Uranium) والبلوتونيوم (Plutonium) الأكثر شيوعاً، حيث ينتج كل منهما طاقة تُسخّن السوائل وتنتج بخارًا يدفع التوربينات، مُنتجًا كهرباء نظيفة خالية من الكربون.

الطاقة النووية

تشير الطاقة النووية (Nuclear energy) إلى الطاقة المخزونة في نواة الذرة، حيث تُعتبر الذرة الوحدة الأساسية للمادة في الكون. تتكون النواة من مكونات أصغر مرتبطة ببعضها البعض بواسطة قوة محددة من الطاقة. وبالتالي، فكلما زاد عدد هذه المكونات، زادت الطاقة المطلوبة لربطها. تمثل القوة المتينة (strong force) الأساس الذي يجمع مكونات النواة. يمكن استخدام الطاقة النووية لتوليد الكهرباء، ولكنها تحتاج إلى أن تُحرر من الذرة عبر عمليات الانشطار النووي، وتحدث هذه العمليات في مفاعلات نووية أو محطات الطاقة، وهي منشآت مصممة بشكل خاص للتحكم في التفاعلات والانشطار النووي لإنتاج الكهرباء.

تحدث عملية الانشطار النووي على مراحل متتالية، حيث تشكل سلسلة من الانقسامات. فعدم حدوث مزيد من الانقسامات بعد الانقسام الأول يجعل الطاقة الناتجة غير فعالة حتى وإن كانت هائلة. لذا، تعتمد المفاعلات النووية على حبيبات من اليورانيوم كوقود، مما يجبر ذرات اليورانيوم على التفكك وإطلاق جزيئات صغيرة تُعرف باسم “نواتج الانشطار”. تعمل هذه النواتج على انقسام المزيد من ذرات اليورانيوم، والتي تستمر في إطلاق نواتج انشطار جديدة حتى تنتج حرارة كبيرة تُستخدم لتحويل السوائل إلى بخار، مما يُنتج الكهرباء.

استخدامات الطاقة النووية

تتجاوز استخدامات الطاقة النووية مجرد توليد الكهرباء، حيث تبرز العديد من التطبيقات الهامة الأخرى:

• الزراعة والغذاء: تُستخدم الإشعاعات النووية لوقف تكاثر الحشرات الضارة في المحاصيل، مما يُساعد المزارعين على تقليل أعداد الحشرات وبالتالي تحسين جودة المحاصيل. كما تُستخدم الإشعاعات في عملية تعقيم الأغذية، حيث تقتل البكتيريا والكائنات الحية الضارة دون أن تؤثر على القيمة الغذائية للمنتجات.

• المجال الطبي: تُطبق التقنيات النووية في التصوير الطبي لتحسين دقة التشخيص. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم الإشعاعات لعلاج بعض الأمراض، حيث تمكنت الأبحاث من تحديد الجرعات المثلى للقضاء على الأورام السرطانية دون المساس بالخلايا السليمة. تُستخدم أيضاً الإشعاعات في تعقيم المستشفيات والمعدات الطبية باستخدام أشعة جاما بطريقة آمنة وفعالة من حيث التكلفة.

• استكشاف الفضاء: تُستخدم حرارة البلوتونيوم لتوليد الكهرباء في المركبات الفضائية غير المأهولة، مما يسمح لها بالعمل لفترات طويلة في الفضاء دون الحاجة إلى صيانة. على سبيل المثال، لا تزال مركبة “فوييجر 1” التي أُطلقت عام 1977 تُرسل البيانات من الفضاء حتى اليوم.

• تحلية المياه: تتطلب عملية تحلية المياه كميات كبيرة من الطاقة لفصل الملح، لذا تُستخدم الطاقة النووية لتشغيل محطات التحلية.

تعريف الانشطار النووي

الانشطار النووي (Nuclear Fission) هو عملية انقسام ذرة واحدة من العناصر غير المستقرة إلى جزيئين أو أكثر. الأجزاء الناتجة عن هذا الانشطار هي أصغر حجماً وأكثر استقراراً، ومن خلال هذه العملية، تُنتج الذرات المنقسمة طاقة كبيرة جداً، بالإضافة إلى نيوترونات إضافية تُسهم في تقسيم ذرات أخرى. تستمر هذه العملية من الانقسام والتصادم لإنتاج طاقة كبيرة، حتى ينفد العنصر أو يتوقف التفاعل بفعل تأثير خارجي مثل إضافة مواد تمتص النيوترونات.

يتم توزيع الطاقة خلال تفاعلات الانشطار النووي على 236 نواة، مما يوفر الطاقة اللازمة لاستمرار الانقسام. خلال هذه العمليات، يتم إنتاج كميات كبيرة من الطاقة على شكل حرارة، مما يتطلب أن يتم تبريد المفاعلات باستمرار تجنباً للكوارث، كما حصل في حادث فوكوشيما عندما توقف التبريد بعد ساعة من بدء التفاعلات. بعد عام من التفاعل، يستمر إنتاج الطاقة بمقدار 10 كيلوواط / طن، ومن ثم تتناقص تدريجياً لتصل إلى 1 كيلوواط / طن بعد عشر سنوات.