استخدامات الانشطار النووي

يوجد للانشطار النووي عدة تطبيقات هامة، أبرزها إنتاج الكهرباء من خلال محطات الطاقة النووية. يُشير الانشطار النووي ببساطة إلى عملية انقسام نواة الذرة، وليس كل انقسام للنواة يعد انشطارًا نوويًا؛ فذلك يعتمد على العنصر الكيميائي ذاته. هناك عناصر معينة، عند انقسام أنويتها، تؤدي إلى إطلاق كميات هائلة من الطاقة، مما يُعرف بالانشطار النووي. ويتم توليد هذه الطاقة داخل معامل مخصصة للتحكم في الانشطارات النووية واحتوائها ضمن المفاعل النووي. يتم توجيه الطاقة الناتجة، والتي تتكون غالبًا في شكل حرارة، من خلال مسارات محددة، حيث تُمرر الحرارة إلى خزانات تحتوي على سوائل خاصة تُسمى “سوائل عاملة”، ويقتصر دور هذه السوائل على عملية التبخر. يُستخدم بخار هذه السوائل لدفع التوربينات، التي يمكن استخدامها لتدوير مراوح السفن أو لتوليد الكهرباء من خلال أعمدة المولدات.

تحدث عملية الانشطار النووي عندما يصطدم نيوترون بذرة عنصر معينة مع نواة أكبر حجمًا. تُحدث هذه الاصطدامات طاقة كيميائية تدفع النواة الكبيرة إلى الانقسام. لتحقيق الانشطار بشكل صناعي والسيطرة عليه لتوليد الكهرباء، يشار إلى إطلاق نيوترونات إضافية لبدء التفاعلات المتسلسلة، التي تُنتج كميات ضخمة من الطاقة. تُعتبر عناصر اليورانيوم (Uranium) والبلوتونيوم (Plutonium) من العناصر المستخدمة في هذه التفاعلات، حيث تُسخّن هذه العناصر السوائل لتوليد بخار يشغل التوربينات، وبالتالي إنتاج كهرباء خالية من الكربون.

الطاقة النووية

تعتبر الطاقة النووية (Nuclear energy) الطاقة المحتبسة داخل نواة الذرة، والتي تُعد الوحدة الأساسية لكل المواد في الكون. تتكون النواة من مكونات أصغر تُربط ببعضها بواسطة قوة معينة من الطاقة. وبالتالي، فزيادة عدد هذه المكونات تعني أن الطاقة اللازمة لربطها أكبر. ولذلك، تتميز الذرات الكثيفة بوجود كميات هائلة من الطاقة داخل نواتها. القوة التي تربط هذه المكونات تُسمى القوة المتينة (strong force). يمكن استخدام الطاقة النووية لتوليد الكهرباء، ولكن بعد تحريرها من الذرة عبر عمليات الانشطار النووي. تحدث هذه العمليات داخل المفاعل النووي (nuclear reactor) أو محطات الطاقة، وهي مرافق مصممة بشكل خاص للتحكم في التفاعلات والانشطار النووي بهدف إنتاج الكهرباء.

تتطلب عملية الانشطار النووي أن تحدث على شكل تسلسل متتابع، مما يُنتج سلسلة من الانقسامات حيث لا يتوقف العنصر بعد أول انقسام. إذا حدث ذلك، فإن الطاقة الناتجة، رغم عظمتها، لن تكون كافية. لذلك تستخدم المفاعلات النووية حبيبات اليورانيوم كوقود، حيث تُجبر ذرات هذه الحبيبات على الانقسام، مما ينتج عنه جزيئات صغيرة تُعرف بـ”نواتج الانشطار”. وتؤدي هذه النواتج إلى تفكيك ذرات أخرى من حبيبات اليورانيوم، مما يُسبب في استمرار سلسلة التفاعلات المتسلسلة، وبالتالي إنتاج كميات كبيرة من الطاقة، والتي تستخدم لتسخين السوائل وإنتاج الكهرباء.

استخدامات الطاقة النووية

تتعدد استخدامات الطاقة النووية لتتجاوز مجرد توليد الكهرباء، ومن أبرز تلك الاستخدامات:

• الزراعة والغذاء: تُستخدم الإشعاعات النووية للحد من انتشار الحشرات الضارة في المحاصيل، مما يضمن لمزارعين انخفاض أعداد الحشرات، وبالتالي تحسين جودة المحاصيل. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم نفس الإشعاعات لتقليل البكتيريا والكائنات الحية الدقيقة في المنتجات الغذائية، مما يساهم في تعقيم الأطعمة، دون التأثير على قيمتها الغذائية.

• المجال الطبي: تُستخدم التقنيات النووية لأغراض التصوير الطبي مما يساعد في تحسين دقة التشخيص. كما تُستخدم الإشعاعات النووية في علاجات الأمراض، حيث تمكنت الأبحاث مؤخرًا من تحديد كمية الإشعاع اللازمة لاستهداف الأورام السرطانية بدقة، دون التأثير على الخلايا السليمة. بالإضافة إلى ذلك، تُستعمل الإشعاعات النووية في تعقيم المستشفيات والمعدات الطبية بأمان وبتكلفة أقل.

• استكشاف الفضاء: تُستخدم حرارة البلوتونيوم كمصدر للطاقة، مما يسمح لمركبات الفضاء غير المأهولة بالعمل في الفضاء لفترات طويلة بدون الحاجة لمراقبة. وجود هذا المصدر من الطاقة يتيح إطلاق المستكشفات وتركها في الفضاء دون تعريض حياة المستكشفين للخطر، ودون القلق بشأن نفاذ الطاقة. على سبيل المثال، لا تزال مركبة “فوييجر 1” المرسلة في عام 1977 إلى الفضاء ترسل البيانات حتى اليوم.

• تحلية المياه: تتطلب عمليات تحلية المياه كميات كبيرة من الطاقة لفصل الملح عن الماء وجعله صالحًا للشرب، لذا تُستخدم الطاقة النووية لتشغيل محطات التحلية.

تعريف الانشطار النووي

الانشطار النووي (Nuclear Fission) هو عملية انقسام ذرة عنصر غير مستقر إلى جزيئات أصغر وأكثر استقرارًا. ينتج عن هذا الانشطار طاقة كبيرة جدًا ونيوترونات إضافية، التي تساهم بدورها في تقسيم ذرات أخرى مما يؤدي إلى تكوين جزيئات أصغر. تواصل النيوترونات والذرات الانقسام والتفاعل، مما ينتج عنه سلسلة من الانقسامات وتوليد كميات هائلة من الطاقة حتى ينتهي العنصر أو يتوقف التفاعل بفعل عوامل خارجية مثل إضافة مواد تُساعد على امتصاص النيوترونات.

توزع الطاقة الناتجة عن هذه التفاعلات بين 236 نواة، مما يتيح لها الاستمرار في الانقسام حتى تنتهي. في هذه العملية تتولد كميات كبيرة من الحرارة، مما يستوجب التبريد المستمر للمفاعلات لتفادي الكوارث، كما حدث في حادثة فوكوشيما عندما توقف التبريد بعد ساعة من بدء التفاعلات. بعد عام من بداية التفاعلات، يستمر إنتاج الطاقة بمعدل 10 كيلووات/طن، ثم تتناقص تدريجيًا حتى تصل إلى 1 كيلووات/طن بعد عشر سنوات.