استخدام الوقود النووي لإنتاج الكهرباء

1. استخدام الوقود النووي لإنتاج الكهرباء للأستاذ الدكتور محمد ابراهيم الجار الله

2. استخدام الوقود النووي لإنتاج الكهرباء • البداية • اسس عمل المفاعلات النووية • الغرض من انشاء المفاعلات النووية • تصنيف المفاعلات النووية • التطور في صناعة المفاعلات النووية • المفاعلات النووية الطبيعية • مفاعلات التشظي • المفاعلات النووية الاندماجية • محاسن و مساوئ المفاعلات النووية • الطاقة النووية في البلدان العربية • الخاتمة

3. 1-البداية • يعود اكتشاف الانشطار النووي إلى العالمين الألمانيين " هان " و " سترا سمـا ن " اللـذين وجدا في عام 1939م عنصر الباريوم نتيجة قذف ا ليورانيوم بالنيوترونات، • فتوقـع العالمـان" فرج " و " متنر " أن ذلك ناتج عن انشطار نواة اليورانيوم • وفي عام 1939م اتصل مجموعة من العلماء بالرئيس الأمريكي حينئـذ " روزفلـت ” يوضحون له إمكانية صناعة قنبلة نووية من اليورانيوم فمول المشروع بمبلغ متواضع في البداية مقداره ستة آلاف دولار أمريكي. • وعندما دخلت أمريكا الحرب العالمية الثانية عام 1941م وسمعت بتوجه الألمان لصناعة القنبلة النووية تضاعفت الجهود في أمريكـا علـى المـستوى العسكري والجامعي لإجراء البحوث في هذا المجال. • فكانت البداية تشغيل المفاعـل النـووي الأول في جامعة شيكاغو وكان تحت إشراف العالم " فيرمي " ورفاقـه الأمريكـان في عـام 1942م .

4. شكل (1) الانشطار النووي لنوات ذرة اليورانيوم-235 بواسطة نيوترون .

5. شكل (2) رسم تخطيطي لمفاعل نووي لإنتاج الطاقة الكهربائية

6. شكل(3) صورة توضح قضبان الوقود في قلب المفاعل النووي

7. شكل(3) صورة توضح قضبان التحكم في المفاعل النووي

8. 2-اسس عمل المفاعلات النووية هناك عدة مكونات أساسية في معظم أنواع المفاعلات وهي: • الوقود: وهو عبارة عن كريات أو أقراص من اليورانيوم أو احد مركباته مثل ثاني أكسيد اليورانيوم مصفوفة داخل أنابيب لتكون قضبان الوقود ، وهذه القضبان مرتبة في مجاميع وقود داخل قلب المفاعل. • المهدئ: وهو المادة التي تبطئ النيترونات المنطلقة من الانشطار من أجل المزيد من الانشطار وقد يكون المهدئ ماء خفيفا أو ثقيلا أو غرافيت. • قضبان التحكم: وتتكون من عناصر ممتصة للنيترونات البطيئة مثل الكادميوم أو البورون وتغمر أو تسحب من قلب المفاعل من أجل التحكم في معدل الانشطار النووي أو وقفه ، و هذا هو الذي يحدد الطاقة المنتجة. • المبرد: وهو سائل أو غاز يدور خلال قلب المفاعل من أجل تبريده ونقل الحرارة منه. • وعاء الضغط: عبارة عن وعاء حديدي صلب يحتوي قلب المفاعل والمهدئ. • مولد البخار: وهو جزء من نظام التبريد حيث يتم استعمال الحرارة الخارجة من قلب المفاعل في توليد البخار اللازم لإدارة التربينات. • وعاء الاحتواء: وهو البناء الذي يحتوي مكونات المفاعل ويحميه من المؤثرات الخارجية ويحمي الذين خارجه من تأثيرات الإشعاع ومن أي حادث قد يطرأ، وهو في الغالب بسماكة متر واحد ومصنوع من الخرسانة والحديد الصلب.

9. شكل(4) يوضح عمل الوقود النووي و المهدئ و قضبان التحكم في المفاعل النووي

10. 3-الغرض من انشاء المفاعلات النووية هناك غرضان أساسيان من إنشاء المفاعلات النووية هما: • الاستفادة منها كمصدر للنيترونات لأغراض التشعيع والبحث وإنتاج النظائر المشعة وما لها من تطبيقات مختلفة. • أما الغرض الآخر فهو استخدامها كمصدر للحرارة التي تتولد في قلب المفاعل نتيجة للانشطار النووي ، حيث يستخدم المبرد بعد تسخينه وضغطه في توليد بخار في دائرة تبريد ثانوية من خلال مبادل حراري مشترك ، ليستخدم ذلك البخار في إدارة التربينات في محطات توليد الكهرباء أو لإنتاج بخار يجري تكثيفه فيما بعد ليعاد ضخه إلى دوائر التبريد أو استخدامه في عمليات إزالة ملوحة مياه البحر.

11. 4-تصنيف المفاعلات النووية يمكن تصنيف المفاعلات النووية إلى أنواع مختلفة وفقا لمجموعة منالاعتباراتأو الأسس التي أنشئت من أجلها. ومن هذه التصنيفات: ا- التصنيف وفقا لاستخداماتها. ب- التصنيف وفقا لنوع المادة المهدئة والمبردة.

12. 4-تصنيف المفاعلات النووية ا- تصنيف المفاعلات النووية وفقا لاستخداماتها: • يمكن تصنيف المفاعلات النووية وفقاً لاستخداماتها المدنية والعسكرية المستندة إلى تطلعات • وطموحات بعض النظم السياسية التي تبرر إنشاء هذا المفاعلات بالمصلحة العامة والخاصة لمجتمعاتها . • 1 –المفاعلات النووية المدنية: وهي المفاعلات النووية التي تستخدم في توليد الطاقة الكهربائية لسد احتياجات بعض الدول فضلا عن إنتاج البخار في بعض الأحيان لأغراض تغذية منظومات التدفئة وكذلك لتسيير السفن الضخمة . • 2 –المفاعلات النووية العسكرية: وهي المفاعلات النووية المنتجة للمواد الانشطارية مثل البلوتونيوم (Pu-239) ونظير اليورانيوم (U-233) والتي تدخل في صناعة الأسلحة النووية تحديدا، فضلاً عن استخدامها في دعم بعض البرامج الفضائية وتسيير القطع البحرية العسكرية مثل الغواصات الذرية وحاملات الطائرات. • 3 - مفاعلات البحوث: وهي المفاعلات النووية التي تعمل بقدرات منخفضة وتستخدم لأغراض التدريب في عدد من الجامعات ومراكز البحوث النووية، فضلاً عن إجراء تجارب الفيزياء النووية وإنتاج النظائر المشعة والمواد الصيدلانية والمستخدمة للعلاج الطبي وكذلك في اختبار بعض المواد ، وعدد هذه المفاعلات كثير جدا.

13. 4-تصنيف المفاعلات النووية ب- التصنيف وفقا لنوع المادة المهدئة والمبردة: بالنظر إلى اختلاف خواص المواد المهدئة والمواد المبردة وكذلك كفاءة هذه المواد في عملية تبطئ النيترونات السريعة فضلاً عن تكلفتها الاقتصادية العالية وعامل توفرها، كل ذلك جعل من الصعوبة اختيار المادة المعينة، ولهذا كان هذا التصنيف وفقاً لتلك المواد.

14. 4-تصنيف المفاعلات النووية • مفاعلات الماء الخفيف (LWR) • مفاعلات الماء المضغوط (PWR) • مفاعلات الماء المغلي (BWR) • مفاعلات الماء الثقيل (HWR) • المفاعلات المهدأة بالغرافيت • المفاعلات المبردة بالغاز • المفاعلات المبردة بالماء • المفاعلات المولدة السريعة

15. شكل (5) يوضح كيفية انتاج الطاقة الكهربائية في مفاعلات الماء المغلي.

16. جدول (1) : أنواع المفاعلات النووية لتوليد الطاقة الكهربائية العاملة في العالم

17. جدول((2 مشاركة المفاعلات النووية الحالية في إنتاج الطاقة الكهربائية ومقدار ما تستنفذه من وقود نووي في دول منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية

18. شكل ( 6)مشاركة مصادر الطاقة المختلفة في توليد الكهرباء في العالم .

19. جدول (3): مصادر اليورانيوم في العالم.

20. 5-التطور في صناعة المفاعلات • الجيل الاول • الجيل الثاني • الحيل الثالث • الجيل اللرابع

21. 6-المفاعلات النووية الطبيعية • عندما قام العالم (فيرمي) ورفاقه بتشغيل المفاعل النووي الانشطاري بشيكاغو في الولايات المتحدة الأمريكية سنة 1942م. كان الاعتقاد السائد هو أنه أول مفاعل نووي يعمل على سطح الكرة الأرضية. ولكن ظهر ما يناقض ذلك فيما بعد، إذ تم اكتشاف بقايا آثار لمفاعلات نووية انشطارية طبيعية في مناجم لليورانيوم في جنوب شرقي جمهورية الغابون قرب خط الاستواء على ساحل غرب إفريقيا. ففي غابر الأزمان وفي عروق غنية جداً بخام اليورانيوم نشطت المفاعلات النووية الطبيعية.

22. شكل(7) توضيحي لموقع المفاعلات النووية الطبيعية في اوكلو(الجابون)

23. شكل(8) صورة لموقع المفاعلات النووية الطبيعية في الجابون التي عملت في غابر الازمان.

24. شكل(9) صورة لموقع احد مناجم اليورانيوم التي شكلت مفاعلا نوويا طبيعيا في الجابون في غابر الازمان.

25. 7-مفاعلات التشظي • يمكن استخدام النيوترونات المتولدة من اصطدام البروتونات الفائقة الطاقة بأحد العناصر الثقيلة مثل الرصاص في توليد الطاقة الكهربائية وفي تحويل المخلفات المشعة المتولدة في المفاعلات النووية الحالية إلى أخرى أقل خطراً، في مفاعلات نووية غير حرجة تدعى بمفاعلات التشظي . تستخدم في هذه المفاعلات مسارعات لتعجيل البروتونات إلى بلايين إلكترون فولت وتيار يتراوح بين 5 و 100 ملي أمبير ، وجعلها تصطدم مع هدف مبرد يحوي عنصر الرصاص أو عنصر ثقيل آخر لتوليد نيوترونات سريعة نتيجة تهشم نوى الذرات الثقيلة في تفاعلها مع البروتونات الفائقة الطاقة وهذا التفاعل يدعى بالتشظي . وقد اكتشفت هذه الظاهرة في أواخر عام 1946م, و نتيجة للتطور المستمر في تكنولوجيا المعجلات أصبح ممكنا الآن الحصول على فيض مرتفع لنيوترونات التشظي . ويمكن تهدئة النيوترونات المتحررة و استخدامها كما في المفاعلات النووية الحالية .

26. شكل(10) لجزء مسارع نووي يمكن استخدامه في تسريع البروتونات الفائقة الطاقة لغرض مفاعلات التشظي

27. 8-المفاعلات النووية الاندماجية • إن البديل لعملية الانشطار النووي في استغلال الطاقة المحجوزة في نوى ذرات بعض عناصر الأرض الطبيعية هو الاندماج النووي الذي يتم تحت ضغط عال وحرارة هي غاية في الشدة، ومنها تندمج نويتي ذرتين معاً مكونة بذلك نواة ذرة واحدة أكبر، كما هو الحال عند اندماج نويتي ذرتين خفيفتين مثل الهيدروجين مع بعضها البعض لتكوين ذرة واحدة كبيرة، ويصحب هذه العملية خسارة في الكتلة مما يؤدي إلى إطلاق كمية هائلة من الطاقة. • إن الاندماج النووي له نموذج يمكننا أن نراه كلنا يعمل ، فالشمس التي كان يعتقد أنها كرة من الغاز المحترق هي - في الحقيقية – كتلة من نوى الذرات المندمجة مع بعضها البعض تحت حرارة عالية ، وهو كذلك أساس القنبلة الهيدروجينية التي تطلق كمية مذهلة من الطاقة.

28. شكل(11) يوضح عملية الاندماج النووي.

29. شكل(12) تصميم لمفاعل نووي اندماجي مقترح

30. شكل(13) يوضح كيفية ادخال الوقود النووي الاندماجي في المفاعل.

31. جدول ( 24) مقارنة أنواع الوقود المتطلب لمحطة طاقة تعمل باستمرار لتوليد 1000 مليون وات في السنة

32. 9-محاسن و مساوئ المفاعلات النووية • المحاسن • المساوئ: • الإطلاق الرتيب لكمية من المواد المشعة. • (2) تخزين المخلفات الإشعاعية. • (3) الكوارث المميتة.

33. 10-الطاقة النووية في البلدان العربية

34. 11-الخاتمة • إن الحاجة المستقبلية للطاقة الكهربائية في العالم في ازدياد مطرد ، والزيادة في عدد سكان العالم في ازدياد وخاصة في الدول النامية ، ويمكن أن يكون للطاقة النووية دور هام في ديمومة التطور ، ومنع ظاهرة تغير الطقس ، والإسهام في سد الحاجة إلى الطاقة في العالم ، ويمكن زيادة مخزون الوقود النووي كثيراً باستخدام المفاعلات المنتجة للوقود النووي ، أما إذا استطاع الإنسان التغلب على المشاكل التقنية التي تواجه تشغيل مفاعلات الطاقة الاندماجية فيمكن الحصول على مصدر غير ناضب للطاقة ، وينبغي في نفس الوقت تطوير مصادر الطاقة الأخرى المتوفرة مثل الطاقة الشمسية لتسد بعض الحاجة للطاقة . • Faculty.kfupm.edu.sa/phys/mibrahim