استخدامات الانشطار النووي
إن أهم استخدامات الانشطار النووي؛ هو إنتاج الكهرباء عبر محطات الطاقة النووية، والانشطار النووي بطريقة مبسّطة هو انقسام النواة، ولكن لا يُعد كل انقسام لأنوية العناصر نوويًا، فيعتمد الأمر على العنصر الكيميائي نفسه، فتوجد عناصر معينة يؤدي انقسام أنويتها إلى إنتاج كَمّيَّة ضخمة من الطاقة، ويُسمى انقسامها هذا انشطارًا نوويًّا، وتُنتج الطاقة داخل معامل للسيطرة على الانشطارات النووية، واحتوائها داخل المفاعل، ومن ثم توجيه الطاقة الهائلة التي تخرج من هذا التفاعل على شكل حرارة عبر مسارات معينة، فتُمَرّر الحرارة إلى حاويات كبيرة تُخزّن بها سوائل خاصة تُسمى "سوائل عاملة"، ويقتصر دور السائل العامل على التبخر، أمّا بُخاره فيمر عبر التوربينات ليُدوّرها. وتُستخدم التوربينات الدوّارة لدفع مراوح السفن، أو من الممكن استخدامها لتدوير الأعمدة الخاصة بالمولدات وعلى هذا إنتاج الكهرباء.
إن أنوية الذرات تنقسم في عملية الانشطار النووي وقتما يصطدم نيوترون ذرة لعنصر ما بَذْرَة أكبر منه حجمًا لعنصرٍ آخر، إثر هذا الاصطدام تتولد طاقة كيميائية تدفع الذرة كبيرة الحجم "بالمقارنة مع النيوترون" إلى الانقسام، ولإحداث الانشطار بطريقة صناعيّة والسيطرة عليه لغايات إنتاج الكهرباء، تُطلق نيوترونات إضافية لبدء التفاعلات المتسلسلة، التي بدورها تُنتج كَمّيَّة هائلة من الطاقة، ومن العناصر المُستخدمة في التفاعلات اليورانيوم (Uranium) والبلوتونيوم (Plutonium)، اللذين يُنتجان طاقة تُسخّن السوائل وتنتج بُخارًا يُحرّك التوربينات، فتنتُج كهرباء خالية من الكربون.
الطاقة النووية
الطاقة النووية (Nuclear energy) هي الطاقة الكامنة في نواة الذرة، والذرة هي الوحدة الأساسية التي تتشكّل منها كل مواد الكون، والنواة نفسها تتكوّن من أجزاء أصغر منها بالحجم، ترتبط ببعضها البعض بواسطة مقدار معين من الطاقة؛ وبالتالي فإن زيادة عدد هذه الأجزاء يعني أن الطاقة اللازمة لربط هذه المكونات أكبر، لذلك فإن الذرة الكثيفة تمتاز بوجود كَمّيَّة هائلة من الطاقة داخل نواتها، هذه القوة التي تربط مكونات النواة معًا تسمى القوة المتينة (strong force)، وبالطبع من الممكن استخدام الطاقة النووية لتوليد الكهرباء، ولكن بعد تحريرها من الذرة عبر عمليات الانشطار النووي، وتحدث عمليات الانشطار النووي لتحرير الطاقة النووية داخل المفاعل النووي (nuclear reactor) أو محطات الطاقة، وهي مصانع مجهزة بآلات خاصة ومُصممة بطريقة تسمح لهما باحتواء التفاعلات والتحكم بالانشطار النووي لإنتاج الكهرباء.
الانشطار النووي من الضروري أن يُحدث على مراحل متتالية فيُشكل سلسلة من الانقسامات، أيّ لا ينقسم العنصر ويخمل؛ وإلّا فإن الطاقة المنتجة - وإن كانت هائلة - إلّا أنها لن تكون مجدية، ولهذا تستخدم المفاعلات النووية حبيبات من عنصر اليورانيوم كوقود للمفاعلات النووية، وتُجبر ذرات حبيبات اليورانيوم على التفكك، لتُطلق جزيئات صغيرة تسمى "نواتج الانشطار"، فتتسبب نواتج الانشطار في انقسام ذرات أخرى من حبيبات اليورانيوم؛ التي بدورها تُطلق نواتج انشطار بعد انقسامها فتتسبب في تفكك جزيئات أخرى وهكذا؛ ويستمر التفاعل المتسلسل في الحدوث والانقسام وإنتاج الطاقة، إلى أن تصدر كميات كبيرة من الحرارة التي تُسخّن السوائل وتنتج الكهرباء كما وُضّح سابقًا.
استخدامات الطاقة النووية
تُستخدم الطاقة النووية في العديد من التطبيقات الأخرى بجانب استخدامها في توليد الكهرباء، وفيما يلي أبرز استخداماتها:
- الزراعة والغذاء: تُستخدم إشعاعات الطاقة النووية لمنع تكاثر الحشرات الضارة في النباتات، وبمنع تكاثرها يضمن المزارعون أنهم سيواجهون أعدادًا أقل من الحشرات، وبالتالي فإن المحصول بالطبع سيكون أفضل، أمّا في الغذاء، فإن الإشعاعات نفسها تقتل البكتيريا والكائنات الحية الضارة الأخرى، وعلى هذا فإنها تُستخدم كمرحلة من مراحل تعقيد الأغذية، وبالطبع لا تحوّل هذه التقنية المنتوجات الغذائية لتصبح مشعة، ولا تؤثر على قيمتها الغذائية، على العكس تمامًا، فيُعد التعقيم بالإشعاع الطريقة الوحيدة الممكنة لقتل البكتيريا الموجودة في الأطعمة النيئة والمجمدة.
- المجال الطبي: تستخدم التقنيات النووية لأخذ صورًا طبية لجسم الإنسان مما يُحسّن من دقة التشخيص، إضافةً إلى ذلك، تُستخدم إشعاعات الطاقة النووية في علاج بعض الأمراض، ومؤخرًا مَكَّنت الأبحاث النووية الأطباء من التنبؤ بدقة بكمية الإشعاع المطلوبة لقتل الأورام السرطانية دون الإضرار بالخلايا السليمة في جسم المصاب، ومن ناحية أخرى تُستخدم الإشعاعات النووية في تعقيم المستشفيات والمعدات الطبية فيها بأشعة جاما بأمان وبتكلفة قليلة.
- استكشاف الفضاء: تستخدم حرارة البلوتونيوم لتوليد الكهرباء، فتعمل من مركبات فضائية غير المأهولة وتبقى في الفضاء لسنوات طويلة دون مراقبة. وجود هذا المصدر من الكهرباء دون أي جهد يُذكر، يسمح بإطلاق المستكشفات وتركها دون المخاطرة بحياة أحد من المستكشفين، ودون القلق بشأن نفاد طاقة المركبة نفسها. فمثلًا مركبة "فوييجر 1"، المُرسلة للفضاء عام 1977 لدراسة النظام الشمسي الخارجي، ما تزال تنقل البيانات من الفضاء حتى يومنا هذا.
- تحلية المياه: تتطلب تحلية المياه الكثير من الطاقة، لفصل الملح عن المياه، وجعلها صالحة للشرب؛ لذلك تُستخدم الطاقة النووية لتشغيل محطات التحلية.
تعريف الانشطار النووي
الانشطار النووي (Nuclear Fission) هو انقسام ذرة واحد من العناصر غير المستقرّة، وتفككّها لجزيئين أو أكثر، فتكون الأجزاء الناتجة عن الانشطار أصغر حجمًا وأكثر استقرارًا، وخلال هذا الانشطار تُنتج الذرات المُنقسمة طاقة كبيرة جدًا، كما تنتج أيَّضًا نيوترونات إضافية، التي تعمل بدورها على تقسيم ذرات أخرى لتصبح أصغر حجمًا وأكثر استقرارًا، وتستمر الذرات والنيوترونات بالانقسام والتصادم والتأثير على الذرات الأخرى لتفكيكها وإنتاج نيوترونات لتصطدم بغيرها وهكذا من التفاعلات المتسلسلة التي تنتج طاقة كبيرة إلى أن يفنى العنصر نفسه؛ أو إلى أن ينتهي التفاعل بفعل قوة خارجية عن طريق إضافة مواد وظيفتها امتصاص النيوترونات، فتتوقف التصادمات ويموت التفاعل.
تُوزع الطاقة الإجمالية بين 236 نواة خلال تفاعلات الانشطار النووي، مما يمّد النواة بالطاقة اللازمة للاستمرار في الانقسام إلى أن تضمحل تمامًا، خلال هذه المرحلة يُنتج وقود بكميات كبيرة على شكل درجات حرارة مرتفعة؛ وعلى هذا تحتاج المفاعلات للتبريد باستمرار لتجنّب الكوارث، كما حصل في حادث فوكوشيما عندما توقف المفاعل عن التبريد بعد ساعة من بَدْء التفاعلات وكان الوقود داخله لا يزال ينتج حوالي 1.5% من الطاقة الحرارية الكاملة، فبعد عام من بَدْء التفاعلات، يستمر إنتاج الطاقة بمقدار 10 كيلوواط / طن، وتتناقص تدريجيًا إلى أن تصل لـ 1 كيلو واط / طن بعد عشر سنوات.
