تعريف الطاقة النووية
يُطلق على الطاقة النووية (بالإنجليزية: Nuclear Energy) اسم الطاقة الذريَّة، وذلك لارتباطها بعلاقة مباشرة بالنوى الذريَّة للعناصر، وإعادة تشكيلها للروابط بين الذرات، من خلال عمليتي الانشطار النووي والاندماج النووي، والذي يتم من خلالهما فك أو تكوين الروابط الذريَّة، مما ينتج عنه إطلاق كمية هائلة من الطاقة.
كما يحدث الانشطار النووي نتيجة تقسيم نواة الذرة أو الذرات إلى ذرات أصغر في أجهزة خاصة تُسمى بالمفاعلات النووية، والتي تستخدم بشكل أساسي في محطات توليد الكهرباء.
أمَّا الاندماج النووي فهي عملية دمج الذرات معًا لتكوين ذرَّة أكبر، وهي العملية الأساسية المسؤولة عن إمداد الشمس بالطاقة، إذ تبدأ العملية من البروتونات التي تتكون من نواة هيدروجين واحدة في داخل لب الشمس.
ومن خلال المرور بعدة مراحل تنتهي باندماج البروتونات معًا وتحويلها إلى هيليوم، ونتيجة لحدوث هذا التحول يُطلق طاقة هائلة تشع من اللب إلى باقي أجزاء الشمس.
استخدامات الطاقة النووية
دائمًا ما يرتبط مصطلح الطاقة النووية بالحروب والأسلحة وأنه مصدر للقوة والتدمير، إلا أنَّ هناك الكثير من الاستخدامات للطاقة النووية التي تعكس النفع والفائدة على البشرية، بالإضافة إلى دورها في تحسين وتطوير مجالات عدة، مثل: التكنولوجيا، والطب، والطاقة، واستكشاف الفضاء، ومن أبرز استخدامات الطاقة النووية ما يأتي:
توليد الكهرباء
يعد توليد الكهرباء المستمر من أولويات الحياة التي لا يمكن الاستغناء عنها في الوقت الحالي، مما أدى إلى ضرورة البحث عن مصادر طاقة مستدامة لإنتاج الكهرباء مثل؛ الطاقة النووية، إذ إنَّ استخدام الطاقة النووية في توليد الكهرباء يحدث نتيجة عملية الانشطار النووي لذرات اليورانيوم داخل المفاعلات النووية.
مما ينتج عنها حرارة عالية تعمل بدورها على تسخين المياه إلى درجة الغليان، وتصاعد بخار الماء وصولًا إلى التوربينات الموجودة في محطة الطاقة النووية، التي تشبه إلى حد كبير طواحين الهواء، ويقوم بخار الماء بتحريك التوربينات ودورانها مما يُولد الكهرباء.
وتقوم المحطات النووية بتبريد بخار المياه المتصاعد مرة أخرى في جزء منفصل موجود في المحطة النووية يُسمى ببرج التبريد، أو يمكن الاستغناء عنه في حال توفر محيط أو برك أو نهر، ليتم بعد ذلك إعادة استخدام المياه المبردة في دورة توليد الكهرباء مرة أخرى واستمرار التزود بها.
وبالرغم من أن الطاقة النووية طريقة غير مكلفة وموثوقة في الاستخدام إلا أن منتجاتها الثانوية قد أثارت الجدل في الكثير من القضايا التي تتعلق بتلوث البيئة والمياه.
تصنيع الأسلحة النووية
تعد الأسلحة النووية مثل القنابل الهيدروجينية أو الذرية هي أول ما يفكر فيه المرء عند ذكر الطاقة النووية، إذ تعمل هذه القنابل على مبدأ الاندماج والانشطار النووي، مما ينتج عنها طاقة هائلة تولد انفجارًا ضخمًا يغطي مساحات شاسعة من الأراضي، مما يسبب دمارًا وخسائر وخيمة للدول.
ومن الجدير بالذكر أن الانفجارات النووية يمكن أن تخلق مستويات سامة من الإشعاع تتسبب في إلحاق الضرر بالأشخاص الذين نجوا من الانفجار، مما أجبر العديد من الدول من منع استخدام الأسلحة النووية في الحروب ضمن معاهدة دولية عام 2017 م.
الطب النووي
يعد الطب النووي أحد فروع الطب الذي يعتمد بشكل أساسي على التقنيات النووية، ومن أبرز هذه التقنيات تقنية كوبالت 60 التي تستخدم أشعة جاما لتعقيم العديد من المنتجات والأدوات الطبية، مثل؛ القفازات، والمحاقن، والملابس، والأدوات، التي يؤدي التعقيم الحراري إلى إتلافها، فهي تعتبر من التقنيات الاقتصادية وذات الفاعلية الأفضل من تقنيات التعقيم الحراري باستخدام البخار.
وخاصة في حالة العناصر الحساسة للحرارة، مثل؛ المراهم، والمحاليل، والمستحضرات البيولوجية، مثل؛ الأعصاب، والجلد، والعظام، التي تستخدم في زراعة الأنسجة، ففي هذه الحالة يُفضل استخدام الإشعاع النووي في تعقيمها بدلًا من التعقيم الحراري.
بالإضافة إلى ذلك، تستخدم الطاقة النووية في الطب النووي في مجال الأشعة، وذلك بتقدير كميات صغيرة ومناسبة من هذه المواد المشعة أو الأدوية الإشعاعية لإظهار الأعضاء وبنيتها وفحص وظيفتها، مما يساعد الأطباء بشكل كبير في تشخيص وعلاج التشوهات، قبل وصول المرض إلى مراحل متأخرة، مثل؛ أمراض الغدة الدرقية والأمراض السرطانية.
ومن الفحوصات التي تستخدم الأشعة النووية ما يأتي:
قياس وظائف القلب وتعيين العضلات التالفة نتيجة النوبات القلبية.
قياس وظائف الغدة الدرقية والتأكد من عدم وجود كتل أو أورام.
تشخيص إعاقة التدفق الكلوي وبيان التشوهات الكلوية.
تحديد أسباب آلام العظام أو تحديد وجود الأورام والالتهابات.
تشخيص الأمراض والأورام والالتهابات المعدية.
بيان التدفق الدموي في الدماغ وتشخيص المشاكل الدماغية.
لتشخيص أورام وسرطانات الثدي باستخدام الأشعة السينية.
تعقيم الآفات الزراعية
تستخدم الطاقة النووية بشكل فعّال في مجال الغذاء والزراعة، إذ تستخدم التكنولوجيا النووية في رفع مستوى الفعاليَّة والأمان في عملية تعقيم الآفات الزراعية بدلاً من استخدام المبيدات، فهي تعمل على القضاء بشكل نهائي على تكاثر الحشرات.
وليس ذلك فقط بل إنها تعمل على اختبار الأطعمة لضمان زوال المواد الضارة والملوثات عنها، وذلك لمنع انتقال ضررها إلى المواشي أو للإنسان، فهذه التقنية من التقنيات الجيدة لتحسين جودة المنتجات الزراعية وسلامة استهلاكها.
المفاعلات النووية
تعد المفاعلات النووية قلب محطات الطاقة النووية، وذلك لأنها المصدر الرئيسي الذي يتحكم ويحتوي على التفاعلات النووية المتسلسلة التي تُنتج الطاقة والحرارة من خلال عملية الانشطار النووي الفيزيائي لبدء دورة توليد الكهرباء، كما أنها أكثر المنشآت والمصادر الموثوقة لإنتاج الكهرباء في العالم، إذ إنها لا تؤدي إلى انبعاث الكربون، وذلك ضمن أنظمة وإجراءات آمنة.
تعتمد المفاعلات النووية على مجموعة من التفاعلات المتسلسلة لعنصر اليورانيوم 235، فعند ضرب النيترون بنواة ذرة اليورانيوم 235 تتجزأ إلى نواة الكريبتون، ونواة الباريوم وعدد من النيترونات التي يتراوح عددها من اثنين إلى ثلاث تقريبًا؛ إذ تقوم النيترونات الناتجة بضرب ذرات اليورانيوم 235 المحيطة الأخرى لتحدث عملية الانقسام مرة أخرى.
وفي كل انقسام ينتج طاقة حرارية وإشعاعية تعمل على تسخين عامل تبريد المفاعل؛ وهو الماء، ليتصاعد البخار ومن ثم توجيهه باتجاه التوربينات والعمل على تحريكها؛ لتنشيط مولد الكهرباء، ومن ثم توليد كهرباء منخفضة الكربون.
مكونات المفاعلات النووية
يتكون المفاعل النووي من عدة مكونات منها:
الوقود النووي المستخدم في المفاعل النووي يتكون من فلزات مشعة تحافظ على تفاعل نووي متسلسل من خلال عملية الانشطار النووي لإنتاج الطاقة، ومن أكثر أنواع الوقود النووي شيوعًا اليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239.
- السائل الذي يتحكم في سرعة المفاعل
تحتاج النيترونات المنبعثة من عملية الانشطار النووي في داخل قلب المفاعل إلى عامل يساعد في إبطاء سرعة انطلاقها، وذلك لضمان حدوث عمليات متسلسلة من الانشطار النووي لإنتاج الطاقة، وعادة ما يتم استخدام الماء كسائل يتحكم في سرعة المفاعل والذي يعمل أيضًا كواقي من الإشعاعات المنبعثة خلال عملية الانشطار النووي.
تتكون ذراع التحكم من قضبان مصنوعة من مواد لها القدرة على امتصاص النيترونات مثل؛ الهافنيوم أو الكادميوم أو البورون، لغاية إيقاف التفاعل أو التحكم في معدل حدوثه من خلال إخراجها أو إدخالها إلى قلب المفاعل.
يتم تصميم هياكل خرسانية فولاذية تحيط بالمولدات البخارية والمفاعل النووي لمنع تسرب الإشعاعات الناتجة من الانشطار النووي في حال حدوث أي عطل بالداخل، بالإضافة إلى حماية المحطة من أي نوع من الاقتحامات الخارجية.
المحول الحراري هو جزء من نظام تبريد المفاعل للماء المضغوط، حيث يعمل على فصل الدائرة الأولية للماء المتواجدة حول الوقود النووي عن الدائرة الثانوية للماء المضغوط، الذي بدوره يعمل على نقل الحرارة وتسخين الماء في الدائرة الثانوية لتكوين بخار عالي الحرارة والضغط ونقله من خلال أنابيب عالية التحمل باتجاه التوربين لإتمام عملية توليد الكهرباء.
يرتبط المولد الكهربائي بأحد الأجهزة الميكانيكية وهي التوربينات البخارية التي يتسبب البخار في دورانها، فعند دوران التوربينات يتسبب ذلك في دوران مغناطيس الدوار في المولد الكهربائي الذي يقع داخل ملف من الأسلاك ثابتة الموقع، مما يؤدي إلى تدفق الإلكترونات في الأسلاك وتوليد الكهرباء.
يلعب دور نظام التبريد دورًا أساسيًا في عملية إنتاج الطاقة، حيث يدخل سائل التبريد إلى داخل اللب بدرجة حرارة منخفضة، ليخرج بعد ذلك بدرجة حرارة مرتفعة نتيجة تجميعه للطاقة الناتجة عن عملية الانشطار النووي، ومن ثم يتم توجيهه إلى المحركات الديناميكية المسؤولة عن تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة الكهربائية.
أنواع المفاعلات النووية
تتضمن المفاعلات النووية ستة أنواع مختلفة تُستخدم في مختلف أنحاء العالم، إذ يُصنف كل نوع اعتمادًا على نسبة تركيز اليورانيوم في الوقود النووي ونوع المبردات التي تنقل الحرارة والسائل المتحكم في سرعة عملية الانشطار النووي، وهذه الأنواع هي:
- مفاعل الماء المضغوط (بالإنجليزية: Pressurised water reactor).
- مفاعلات الماء المغلي ( بالإنجليزية: Boiling water reactor).
- مفاعلات الماء الثقيل المضغوط ( بالإنجليزية: Pressurised heavy water reactor).
- مفاعلات تبريد الغاز المتقدمة (بالإنجليزية: Advanced gas-cooled reactor).
- مفاعلات جرافيت الماء الخفيف ( بالإنجليزية: Light water graphite-moderated reactor).
- مولدات النيوترون السريع (بالإنجليزية: Fast neutron reactor).
إيجابيات وسلبيات الطاقة النووية
إن الطاقة النووية سلاح ذو حدين، لديها جوانب إيجابية وجوانب سلبية، والتي تم ذكر أهمها في الجدول الآتي:
| | إيجابيات الطاقة النووية | سلبيات الطاقة النووية |
| 1- | التكلفة التشغيلية لإنتاج الكهرباء منخفضة مقارنة بتكلفة إنتاج الطاقة من الوقود الأحفوري. | التكلفة الإنشائية الأولية لمحطات الطاقة النووية مرتفعة جدًا. |
| 2- | مصدر ثابت للطاقة لا تتأثر بأي عوامل خارجية مثل المناخ. | احتمالية حدوث الحوادث والانفجارات النووية، وتأثيرها يكون طويل المدى في حال حدوثها. |
| 3- | الإنتاج المستقر والدائم للطاقة وإمكانية دمجها مع مصادر الطاقة المتجددة مثل؛ الرياح والطاقة الشمسية. | خطورة النفايات المشعة الناتجة من إنتاج الطاقة النووية في حال عدم تخزينها بشكل آمن؛ مما يؤدي إلى تلوث البيئة. |
| 4- | صديقة للبيئة، إذ لا تنتج أي انبعاثات كربونية أثناء تشغيلها. | التأثير على البيئة بشكل سلبي من خلال عملية تخصيب اليورانيوم في حال بقاء كمية من الجزيئات المشعة وراءه؛ مما يؤدي إلى تسريبها للمصادر المائية القريبة وتلوثها. |
| 5- | توفر الوقود بكميات وفيرة وكافية. | محدودية إمدادات الوقود النووي لمخزون اليورانيوم والثوريوم والذي لا بد أن ينفذ بالنهاية؛ بسبب اعتمادهم على عملية الانشطار النووي لتوليد الطاقة، وعدم إيجاد طريقة لحد الآن لإنشاء مفاعل نووي من الاندماج النووي. |
| 6- | تحقق كثافة عالية من الطاقة مقارنة بكثافة الطاقة التي ُتنتج من الوقود الأحفوري مثل الغاز والنفط بما يعادل 8000 مرة. | الحاجة إلى الكثير من الماء مما يجعل استخدامها عائقًا في الدول التي تعاني من ندرة المياه والأمطار. |
الطاقة النووية وتغير المناخ
تعد محطات الطاقة النووية من المصادر المنخفضة في إنتاج ثاني أكسيد الكربون في أثناء تشغيلها؛ لذلك بينَّ الخبراء أن استخدام الطاقة النووية بدلًا من محطات الوقود الأحفوري يقلل بشكل ملحوظ من إنتاج الكربون في الجو، مما يحافظ على مستوى ارتفاع درجات الحرارة أقل من 1.5 درجة مئوية عالميًا.
وذلك يُسهل عملية مقاومة التغير في المناخ، فعند استخدام محطات الطاقة النووية بدلًا من محطات الوقود الأحفوري سوف تقل الانبعاثات الكربونية بما يعادل إزالة ثلث عدد السيارات الكلي في العالم.
مستقبل الطاقة النووية
ستساهم الطاقة النووية في المستقبل بشكل كبير في تحقيق التنمية المستدامة مع ازدياد عدد سكان العالم وزيادة الطلب والحاجة إلى الطاقة، ويتحقق ذلك بالحصول على إنتاج نوع من الطاقة تتميز بأنها صديقة للبيئة واقتصادية في تكلفتها وتُوفر كمية كافية من الطاقة لتغطية حاجات الابتكارات والصناعات المستقبلية، وتساهم في مقاومة تغير المناخ.
عند النظر إلى نسب الانبعاثات من ثاني أكسيد الكربون خلال سنوات توليد الكهرباء السابقة بواسطة الوقود الأحفوري يلاحظ أن استخدام الطاقة النووية مع وسائل الطاقة المتجددة مثل الرياح والماء والطاقة الشمسية يمنع ويقلل من الانبعاثات الكربونية، بالإضافة إلى استدامة وإنتاجية أكبر أثناء إنتاج الكهرباء.
يعمل التطور الآن على إيجاد تصاميم مبتكرة أكثر لإنشاء وصنع مفاعلات نووية تتميز بوسائل أمان وكفاءة وإنتاجية أعلى وبناتج نفايات وأضرار بيئية أقل، مما يجعل الطاقة النووية الخيار الأفضل لتحقيق الاستدامة في إنتاج الطاقة.
بالإضافة إلى ذلك يتم في الوقت الحالي المساهمة في الخطط الابتكارية المستقبلية في تخصيص تمويل بين القطاع الخاص والحكومات لزيادة وتيرة التطورات التكنولوجية والتعامل بشكل احترافي أكثر مع التكلفة الاستثمارية المرتفعة المخصصة لبناء محطات الطاقة النووية والبنية التحتية.
ما مدى أمان الطاقة النووية على البيئة؟
إن الطاقة النووية هي ثاني مصدر للطاقة منخفضة الكربون لإنتاج الكهرباء بعد الطاقة الكهرومائية، إذ إن أغلب المشاكل البيئية هي من الانبعاثات الكربونية الناتجة عن الصناعات التي تعتمد على الوقود الأحفوري في تشغيلها، والتي تؤثر بشكل سلبي على المناخ؛ كحدوث ارتفاع في درجات الحرارة وظهور الضباب الدخاني والأمطار الحمضية، بالإضافة إلى تأثيرها على نقاء الهواء، مما أدى إلى زيادة ظهور الأمراض التنفسية والسرطانات وأمراض الأوعية والقلب.
انتشرت الطاقة النووية في الكثير من الدول، وذلك لإمكانية دمجها مع الطاقات المتجددة مثل الرياح وإنتاجها كمية كبيرة من الطاقة وتحقيقها مبدأ الطاقة المستدامة الصديقة للبيئة، وليس ذلك فقط وإنما إشغالها لمساحات أقل بكثير من المنشآت الأخرى المنتجة للطاقة مثل مزارع الرياح ومحطات تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية ، إذ تزيد مساحة محطات الطاقة الشمسية ب 75 مرة عن المساحة التي تحتاجها المحطات النووية.
كما تحتاج محطات الطاقة الشمسية إلى ما يعادل 3 ملايين لوح شمسي لإنتاج طاقة تعادل قيمة الطاقة التي تنتجها المحطات النووية، ففي هذه الحالة تعد محطات الطاقة النووية استثمارًا لا يُقارن مع مصادر الطاقة الأخرى.
