مدخل إلى مستقبل قطاع الطاقة النووية

م. إلكترونيات : خالد إدريس

مقدمة عن مستقبل قطاع الطاقة

الطاقة الفيزيائية مثلها مثل عناصر الطبيعة الأخرى، لا تُخلق من العدم ولا تفنى إلى العدم والاختفاء أو إلى لا شيء، فقط تُخلق أو تُولد لتبقى وتعيش في الوجود، مُتخذةً صوراً وأشكالاً مختلفة في خصائصها.

 

بدأ العالم منذ أن اسُتخدمت القنابل النووية في البحث عن كيفية الاستفادة من الطاقة النووية والاستفادة منها في الحياة العامة، وذلك من خلال العمليات التي تم الإشارة إليها بحروب القذف الذري؛ في هيروشيما (Hiroshima) وناجازاكي (Nagasaki) اليابانيتين في نهاية الحرب العالمية الثانية، وكانت في أغسطس من العام 1945م.

 

وقد استمرت الأبحاث عن كيفية الاستفادة من الطاقة النووية على مستوى كبير وشامل، رغم ما تبين حينها من صعوبات عديدة واجهت العالم؛ والتي كانت متمثلة في كيفية انتاجها بكميات اقتصادية كبيرة تفي بجدوى استخدامها والاستثمار فيها، وكيفية توفير واستيراد خاماتها الأولية الأحفورية النادرة، مقابل تكلفتها العالية، وكيفية الاستفادة من صناعات الانشطار النووي في حالات السلم، لتقليل إنبعاث ثاني أكسيد الكربون في البيئة الحياتية. 

 

وهكذا إلى أن اتجهت الدول الغربية من إنتاج الطاقة من مصادر جديدة، لا تعتمد على الفائض من مكونات الطبيعة، وعناصرها المحدودة أو النادرة، ومن هذه الطرق طاقة الرياح والطاقة الحرارية الصادرة من الشمس، ومنها ايضاً استخدام الطاقة النووية فيما يعرف حالياً بمحطات: مفاعل الماء الخفيف (Light Water Reactor). 

وقد ظهرت أولى الأبحاث العملية التي أدت إلى مفاعلات الماء الخفيف، بعد حرب أكتوبر (رمضان) 1973م. بين جمهورية مصر العربية ومعها الدول العربية ضد دولة الكيان الصهيوني إسرائيل، مغتصبة الأراضي العربية، وامتناع الدول العربية من تصدير النفط للعالم حينها، دعماً لمصر، في جهودها إلى استرداد أراضيها المحتلة واسترداد الأراضي الفلسطينية المغتصبة وباقي الأراضي العربية المحتلة في الجولان السورية.

 

أي أن حرب 1973 كانت لها تأثير كبير على مستقبل قطاع الطاقة عالمياً، لما تميزت بها من تداعيات اقتصادية مباشرة، تولدت نتائجها من جراء استخدام سلاح النفط في الحرب، والتهديدات الجريئة التي توحدت حولها الدول الإسلامية بقيادة المملكة العربية السعودية.

 

أدى ظهور هذه التحديات التي واجهت كافة دول العالم، إلى وجود شبه إجماع بين معظم علماء الدول المتقدمة، وخاصة الدول التي تفتقد لخام النفط على أراضيها، من الاستمرار في أبحاث الطاقة النووية، واتخاذها هدفاً وجودياً لشعوبهم، مع إيمانهم بأن تحسين مستويات الطاقة عالمياً، سيؤدي بلا شك إلى تحسين نوعية الحياة على الكرة الأرضية في أسوأ الاحتمالات.

 

لهذا استمرت الأبحاث والمحاولات بتضافر جهود العلماء وأهل السياسة والاقتصاد والمبتكرون نحو توسيع الآفاق لكل ما يتعلق بالاكتشافات العملية، والعلمية وتقديم الدعم بمزيد من الجهود الفاعلة تجاه الحصول على مصادر للطاقة غير الوقود الأحفوري (النفط) بكل أنواعه.

 

وفي سبيل ذلك تم تحطيم الكثير من تلك المصاعب والحواجز في عالم الطاقة. منها التقدم الذي أُحُرز في مجال سلامة إنتاج الطاقة من الانشطار النووي منذ عقود سابقة، مما ساعد العلماء على استيعاب العديد من المبادئ الفيزيائية الأساسية التي يسير بها الكون الذي نعيش فيه، والاقتراب أكثر من توفير الطاقة التي يحتاج إليها العالم.

 

على الرغم من الجهود العالمية المشتركة، نجد أن العالم ما زال يواجه الكثير من المصاعب والطرق المسدودة أو المشاكل والمتاعب التي تجعل من توليدها عملية مكلفة إلى حد كبير.

 

ولكن تُعتبر دولة الإمارات العربية المتحدة من أوائل الدول التي إستشرفت المستقبل في مجال الطاقة النووية، حتى أصبحت تقود في هذا الطريق الشائك، أمام باقي دول العالم، وذلك عندما تبنت إنتاج الطاقة من خلال محطات الطاقة النووية التي أقامتها على أراضيها، كأحد أهم مصادرها للطاقة، واعتبار تلك المحطات، جزءً مهماً ومشرقاً لمستقبل أبنائها وللبشرية، إلى أن أصبحت بالفعل الوسيلة الأكثر كفاءة في إنتاج الكهرباء والأكثر استقراراً من ناحية السلامة الصناعية، حيث أن إنتاج الكهرباء في العالم  world Electricity Production، يتم بنفس آليات إنتاج الطاقة النووية في العالم العربي.

 

 مفاهيم ومصطلحات في مجال الكيمياء النووية

الاندماج أو الانصهار النووي (Nuclear Reaction)

(هو دمج ذرتين من ذرات العناصر الثقيلة) يحدث عندما يتم دمج نواتين ذريتين أو أكثر لتشكيل جُسيم واحد أو أكثر من النوى الذرية والجسيمات دون الذرية المختلفة (النيوترونات Neutrons، أو البروتونات Protons).

 

تٌعتبر الطاقة الناتجة في هذه الحالة، رد فعل لعملية الاندماج، ويتجلى الفرق في الطاقة المُتولدة، على خصائص الكتلة بين المواد المتفاعلة والمنتجة إلى إطلاق (أو تحرير) أو امتصاص كميات كبيرة من الطاقة. وهذا ما يحدث في القنبلة النووية، من خلال استخدام أخف ذرة في الطبيعة وهي ذرة الهيدروجين لإنتاج الهيليوم.

 

بينما

الانشطار النووي (الانقسام) (Nuclear Fission):

هو العملية العكسية للاندماج أو الانصهار النووي (Nuclear Reaction) المتقدم، حيث ينتج في الحالتين "القنبلة النووية Nuclear weapon". في حالة الانشطار، تكون عملية انقسام نواة ذرة ثقيلة (مستقرة) إلى قسمين أو أكثر (نواتين أكثر استقراراً)، وبهذه العملية يتحول عنصر معين إلى عنصر أخر بخصائص جديدة، أي ينتج عن هذه العملية، كمية هائلة من الطاقة، عبارة عن نيوترونات وفوتونات عالية الطاقة (خاصة أشعة غاما) وجسيمات نووية أخرى مثل جسيمات ألفا وأشعة بيتا، كما سنذكرها في الفقرة التالية.

الطول الموجي لبعض الأشعة والجسيمات الدقيقة

يؤدي انشطار العناصر الثقيلة عادة إلى تولد كمية كبيرة من الطاقة، تُصنف حسب طولها الموجي إلى: -

👈جُسيم ألفا أو أشعة ألفا (Alpha particle) على الرغم من تسميتها أشعة إلا أنها عبارة عن نواة ذرة الهليوم وتتكون من بروتونين (2) ونيوترونين (2) في نواتها، تتحد هذه الجُسيمات في داخل النواة بقوة نووية كبيرة، لهذا تعتبر نواة ذرة الهليوم أشد نوايا العناصر استقراراً وتماسكا. وأكبر فقد في الكتلة للجسيمات الأربعة.

👈جسيمات بيتا (Beta particle)، هي جسيمات ذات طاقة عالية وسرعة الإلكترون أو البوزترون المنبعث من بعض الأنوية المشعة مثل بوتاسيوم-40 عالية. يصدر عن اضمحلال جسيم بيتا اشعاع نووي تسمى أشعة بيتا ويرمز لها بالحرف الإغريقي  β، ولاضمحلال بيتا نوعين β- وβ+ ، حيث β- تزيد عدد الإلكترونات وβ+  تزيد البوزيترونات.

👈أشعة غاما (جاما)   (Gamma-ray) هي أشعةٌ كَهْرُومِغْنَاطِيسِيةٍ، تم اكتشافها سنة 1900 على يد العالم الفرنسي فيلارد. وهي ناتج التفاعلات النووية التي غالبا ما تحدث في الفضاء، كما تنتج أيضا من العناصر المشعة مثل اليورانيوم وباقي النظائر المشعة.

 

مقارنة بين قدرة أجسام ألفا وبيتا وأشعة غاما على الاختراق

👈جسيمات ألفا (أنوية الهيليوم) تعجز عن اختراق صفحة من الورق مثلاً،

👈أشعة بيتا يمكن وقفها باستخدام لوح من الألومنيوم،

👈أما أشعة غاما فلديها قدرة عالية على اختراق المواد، وهي تمتص تدريجياً خلال اختراقها لمادة ذات كتلة كثيفة.

المواد المستخدمة في إنتاج الطاقة الكهربائية

تستخدم عمليات الانشطار النووي في إنتاج الطاقة الكهربائية في المفاعلات النووية، وفي إنتاج الأسلحة النووية. ومن أكثر العناصر النووية الانشطارية والهامة التي تستخدم كثيراً في المفاعلات الذرية مادتي: -

1.     اليورانيوم-235 (أو اليورانيوم -238) .

 

2.     والبلوتونيوم-239، وهي العناصر المستقرة في الطبيعة والتي تتميز  في  العدد  الكتلي لذراتها  بأكثر من 200،

·       (Stable Uranium Nucleus - ²³⁵U) + Neutron = ²³⁶U+ Energy  (Huge  هائلة)

·       (Stable Uranium Nucleus - ²³⁸U) + Neutron = ^237U+ Energy  (High  كبيرة)

  التفاعل التسلسلي Chain reaction

هذا التفاعل يسمى التفاعل التسلسلي (Chain reaction) والذي هو عماد الوقودالنووي، حيث يتم التفاعل المتسلسل عندما يصطدم نيوتروناً مع نواة ذرة اليورانيوم-235 ، فينقسم إلى قسمين؛ ويصاحب هذا الانقسام انطلاق عدد من النيوترونات يقدر عادة من 2-3 نيوترونات وفي المتوسط 2.5 نيوترون. ويمكن لتلك النيوترونات الناتجة أن تصطدم بأنوية أخرى من اليورانيوم-235 وتتفاعل معها وتعمل على انشطارها. بذلك يزيد معدل التفاعل زيادة تسلسلية قد يؤدي إلى الانفجار إذا لم ننجح في ترويضه والتحكم فيه.

انشطار نواة اليورانيوم

عنصر الهيدروجين Hydrogen 

يُعتبر عنصر الهيدروجين سلاح تدمير فتاك يستخدم في عمليات  التفاعل النووي (التفاعل النووي هو تفاعل يحدث في الفيزياء النووية، عندما تصطدم نواتي ذرتين ببعضهما أو عندما يصطدم جسيم أولي مثل البروتون أو النيوترون بنواة ذرة أخرى، وينشأ عن هذا الاصطدام مكونات جديدة تختلف عن المكونات الداخلة في التفاعل)

 

يعود الفضل في اكتشاف غاز الهيدروجين إلى العالم هنري كافيندش  (Henry Cavendish) وذلك عام 1766 حيث عرف الهيدروجين لأول مرة كمادة متميزة عن غيرها من الغازات القابلة للاشتعال.

 

بينما قام العالم أنطوان لافوازييه (Antoine Lavoisier) في عام 1783، بمنح العنصر المكتشف اسم الهيدروجين.

 

عنصر الهيدروجين من عناصر المجموعة الأولى في الجدول الدوري ، رمزه الكيميائي (H)  وله العدد الذرّي (1) . في الظروف القياسية (اسقرار الضغط والحرارة)  وهو عبارة عن غاز عديم اللون والرائحة، وغير سام، ولكنه  سريع الاشتعال له الصيغة الجزيئيّة ₂.H 

 

يُعد الهيدروجين ثنائي الذرّة،  أحادي التكافؤ وأخفّ العناصر الكيميائيّة وأكثرها وفرةً في الكون، حيث يشكّل عنصر الهيدروجين لوحده  75% من حجم الكون.

أغلب الهيدروجين الموجود على الأرض يكون على شكل جزيئي وذلك لوجوده في مركبات أخرى، أو دخوله فيها على شكل رابطة تساهمية، كما  في جزئ الماء وأغلب المركبات العضويّة.

العالم هنري كافيندش Henry Cavendish

العالم الفرنسي انطوان لافوازييه Antoine Lavoisier

  

نظائر الهيدروجين الأكثر وفرة في الطبيعة

هناك ثلاثة نظائر متوفرة في الطبيعة لعنصر الهيدروجين وهي 1H و 2H و 3H:

• البروتيوم (Protium)
  
• الديوتيريوم (deuterium)
• التريتيوم (tritium).
  

 

داخل كل نواة من ذرات عنصر الهيدروجين بروتون واحد، ولكن يختلف عدد النيوترونات الخاصة بكل منها. لا تحتوي ذرة البروتيم على نيوترون، بينما تحتوي ذرة الديوتيريوم على نيوترون واحد، ولذرة التريتيوم نيوترونان. وهناك بالإضافة لهذه الثلاثة النظائر المشعة الأخرى 4H و 5Hو 6H و 7H

نظائر الهيدروجين  Protium, deuterium, tritium

1) البروتيوم (Protium-¹H) : يتألّف من بروتون واحد فقط دون وجود نيوترونات في النواة ، لهذا يعد  أكثر نظائر الهيدروجين شيوعاً وله وفرة تفوق 99.98%. كما يعتبر البروتيوم نظير مستقر ثابت.

2) الديوتيريوم (Deuterium- ²H ) :   وهو النظير الثاني المستقر للهيدروجين تتألف نواته من بروتون واحد ونيوترون واحد

3) التريتيوم (Tritium-³H) :  تتألف نواته من بروتون واحد ونيوترونان اثنان. توجد في الطبيعة كميات قليلة بسبب تأثير الأشعة الكونية مع غازات الغلاف الجوي أثناء اختبارات الأسلحة النووية، وهو مشع ويضمحل إلى الهيليوم  من خلال اضمحلال بيتا.  

يستخدم “إضاءة التريتيوم” حالياً في جيوكيمياء النظائر وفي الاندماج النووي كمتفاعل أساسي مع النظير الثاني (الدويتيريوم)، من خلال تحرير الطاقة عن طريق ضياع الكتلة عندما تصطدم النواتان. وتندمجان عند درجات الحرارة المرتفعة.

  الشمس  The Sun

الشمس (Sun)   

هي النجم المركزي للمجموعة الشمسية، وهي تقريباً كروية وتتحوي على  بلازما حارة متشابكة مع الحقل المغناطيسي ،  يبلغ قطرها حوالي 1,392,684 كيلومتر، وهو ما يعادل 109 أضعاف قطر الأرض. وكتلتها 2×1030 كيلوغرام     هو ما يعادل 330,000 ضعف كتلة الأرض مما يشكل نسبة 99.86 % من كتلة المجموعة الشمسية.

 

الشمس هي إحدى نجوم مجرتنا - مجرة درب التبانة - وتحتوي على نحو 200 مليار نجم تقريباً، ومجرتنا نفسها تتبع مجموعة مجرات أخرى تسمى المجموعة المحلية، ويبلغ الفضاء الكوني الذي تشغله تلك المجموعة كرة نصف قطرها نحو 10 ملايين سنة ضوئية (هذا بالمقارنة بسرعة الضوء الذي يصلنا من الشمس مستغرقا نحو 8 دقائق في  الطريق.)

 

من الناحية الكيميائية يشكل الهيدروجين ثلاث أرباع مكونات الكتلة الشمسية، أما البقية فهي في معظمها هيليوم مع وجود نسبة 1.69% (تقريباً تعادل 5,628، من كتلة الأرض) 

من العناصر الأثقل متضمنة الأكسجين والكربون والنيون والحديد وعناصر أخرى.

البلازما   Plasma

((شعلة بلازمية تعكس إحدى أكثر ظواهر البلازما تعقيدا، والتي من ضمنها تأتي "الفتيلة"، وهي عبارة عن الألوان التي نشاهدها بالعين المجردة، نتاج من تراخ الإلكترونات من حالة الاستثارة والهيجان إلى حالة تكون فيها أقل طاقة بعد إعادة توحدها مع الأيونات، هذه العمليات المتتابعة تؤدي إلى إصدار ضوء على شكل طيف مميز من الغاز المثار أو المتأين)).

البلازما   Plasma

العناصر (المواد) في الطبيعة

توجد في ثلاث حالات؛ صلبة وسائلة وغازية

·       البلازما  (Plasma): وهي الحالة الرابعة التي يمكن أن توجد عليها المادة وهي حالة متميزة من حالات المادة الثلاثة المعروفة أعلاه، أو  يمكن وصفها بأنها "غاز متأين" أي تكون فيه الإلكترونات حرة وغير مرتبطة بالذرة أو بالجزيء.

·   للبلازما الخصائص الخاصة بها وذلك خلافاً لخصائص الغازات الطبيعية، فعند تسليطها للحرارة أو إخضاعها لمجال كهرومغناطيسي عال مثل الليزر أو موجات شديدة القصر في أطوالها الموجية (مايكرويفية = تردداتها عالية جداً) يقذف الإلكترون بعيداً عن نواة الذرة، فينتج عنها شحنات موجبة أو سالبة حرة  تسمى عندئذ "أيونات".

 

·    تتشكل "الأيونات" نتيجة لتفكك الروابط الجزيئية إذا وجُدت، ورغم ذلك ليس للبلازما شكل أو حجم محدد، فهي تأخذ شكل غاز محايد (معتدل) شبيه بالغيوم. وقد تتأثر بالمجال المغناطيسي فتكون لها بنية هيكلية مجسمة، أي تكون في صورة خيوط أو حزم أو طبقات مزدوجة، وقد تحتوي على غبار وحبيبات وفي هذه الحالة تسمى بالبلازما المغبرة، عند دمج ذرتين في ذرة أثقل أما المسماة بـ الانشطار  فهو العملية المعاكسة  للاندماج الذي يحدث في حالة القنبلة النووية

لمزيد من المعلومات حول هذا الموضوع، تابعوني على صفحات هذه المدونة 

تقبلوا فائق تحياتي

المستشار الهندسي/ خالد موسى إدريس

+971507363958

Kmidris59@gmail.com