توليد الكهرباء بالاعتماد على المحاطات النووية
السلام عليكم وحمة الله زوار ومتتبعوا مدونة جوابك مرحبا بكم في هذا المقال الجديد والذي سوف نناول فيه موضوع في غاية الاهمية.
شهد علم الكهرباء تقدمًا سريعًا أواخر القرن التاسع عشر، وتحولت الكهرباء إلى أداة رئيسية لا غنى عنها في الحياة العصرية وأصبحت القوة الدافعة للثورة الصناعية.
الاستعمالات المتعددة والمذهلة للكهرباء كمصدر من مصادر الطاقة أظهرت إمكانية استخدامها في عدد كبير من التطبيقات مثل المواصلات والتدفئة والإضاءة والاتصالات والحساب. فأساس المجتمع الصناعي الحديث يعتمد على الطاقة الكهربائية، ويمكن القول بأن الاعتماد على الطاقة الكهربائية سيستمر في المستقبل.
يتواجد ثلاث محطات رئيسية لانتاج الكهرباء، تم التطرق الى شرح مبدأ عمل جميع هذه المحطات في مقالات تفصيلية
المحطات الكهرمائية : اضغط هنا للتوجه الى المقال المخصص لشرح مبدأ عمل المحطات الكهرمائية.
المحطات الحرارية : للمزيد من المعلومات حول مبدأ عمل المحطات الحرارية اضغط هنا.
المحطات النووية : في هذا المقال سوف نتعرف على كيف تتم عملية انتاج الكهرباء من خلال المحطات النووية.
بعض المعلومات التاريخة
تم توليد الكهرباء من قبل المفاعل النووي للمرة الأولى في 3 سبتمبر 1948 في مفاعل جرافيت X-10 النووي في الولايات المتحدة حيث كانت أول محطة للطاقة النووية لتوليد لمبة ضوء. التجربة الثانية كانت في 20 ديسمبر 1951 في الولايات المتحدة ايضا.
في 27 يونيو 1954 تم إنشاء اول محطة للطاقة النووية في العالم لتوليد الكهرباء لتشغيل شبكة الكهرباء في الاتحاد السوفييتي وسميت ب أوبنينسك.
في 17 أكتوبر 1956 تم افتتاح ثاني محطة في إنجلترا.
بعض الاحصائيات المتعلقة بالمحطات النووية
حسب تقرير الوكالة الدولية للطاقة الذرية قدمت الطاقة النووية للعالم مصدرًا موثوقًا وفعّالًا للكهرباء، واليوم توجد أكثر من 449 محطة نووية في أكثر من 31 دولة حول العالم.
مثل المحطات الحرارية تتراوح كفاءة المحطات النووية مابين 30% و 40%.
تولّد هذه المحطات ما يصل إلى 10% من الكهرباء المُستهلكة حول العالم، دون انبعاث أي غازات ضارة.
تشير الدراسات إلى أنّ كمية الطاقة المنبعثة في تفاعل الانشطار النووي أكبر بعشرة ملايين مرة من الكمية المنبعثة عند حرق الوقود الأحفوري.
توفر المحطات النووية قدر من الطاقة يعادل 1000 كيلوغرام من الفحم، أي ما يعادل طنًا واحدًا، أو 14.4 لتر من النفط، أي ما يعادل 149 جالونًا، أو 128.32 لتر من الغاز الطبيعي، أي ما يعادل 17000 قدم مكعب، وذلك بفعل حبيبة واحدة من وقود اليورانيوم. مفاعل طاقة نووية واحد قادر على توليد ما يكفي من الكهرباء لتشغيل أكثر من 760 ألف منزل دون انبعاث أي غازات دفيئة.
الجدير بالذكر أن الطاقة النووية هي المصدر الوحيد الذي يمكنه توليد كميات مهمة من الكهرباء.
مفاهيم رئيسية
عملية الانشطار النووي
الانشطار النووي هو عملية انقسام نواة ذرة إلى قسمين.
في كل حُبيبة وقود نووي، توجد الملايين من نوى اليورانيوم. وحين تنقسم هذه النوى، تنطلق كمية كبيرة من الطاقة، بعضها من الإشعاع ولكن معظمها ينتج عن الطاقة الحركية. وهذه الطاقة المنبثقة هي الطاقة التي تُصدر الحرارة داخل المفاعل والتي تُستخدم لإنتاج البخار وبالتالي توليد الكهرباء.
إن الانشطار النووي يخلق النشاط الإشعاعي ويحيط بالمفاعل درع واقي حيث يقوم هذا الاحتواء بامتصاص الإشعاع ويمنع المواد المشعة من الانتشار في البيئة. بالإضافة إلى ذلك تم تجهيز العديد من المفاعلات بقبة من الخرسانة لحماية المفاعل ضد الحوادث الداخلية والآثار الخارجية.
اليورانيوم
يُستخدم اليورانيوم المُخصص وقودًا للمفاعلات النووية، وهو عنصرٌ طبيعي مشع متوفر بكثرة وموجود في أغلب الصخور. وحين يضمحل اليورانيوم أو يتحلل، تنتُج منه حرارة داخل القشرة الأرضية. وبطريقةٍ مشابهة تنتج الحرارة داخل المفاعل النووي.
يوجد اليورانيوم الطبيعي في نظيرين مختلفين:
- اليورانيوم 238 (U-238) وهو ما يمثل 99.3٪ .
- اليورانيوم 235 (U-235) وهو ما يمثل حوالي 0.7٪.
النظائر
النظائر هي ذرات من نفس العنصر مع عدد مختلف من النيوترونات على سبيل المثال اليورانيوم 238 لديه 146 من النيوترونات واليورانيوم 235 لديه 143 النيوترونات .
النظائر المختلفة لها سلوكيات مختلفة على سبيل المثال اليورانيوم 235 من السهل تقسيمه ويعطي الكثير من الطاقة مما يجعله مثالي للطاقة النووية. من ناحية أخرى اليورانيوم 238 ليس لديه هذه الميزة على الرغم من أنه نفس العنصر. وتتميز النظائر المختلفة بنصف عمر مختلف وللمعلومية نصف العمر هو مقدار الوقت الذي يستغرقه نصف عينة من عنصر إشعاعي إلى الاضمحلال على سبيل المثال اليورانيوم 238 لديه نصف عمر أطول من اليورانيوم 235 لذلك يستغرق وقتا أطول إلى الاضمحلال مع مرور الوقت. وهذا يعني أن اليورانيوم 238 أقل إشعاعية من اليورانيوم 235 .
تركيب انوية الذرات
تتكون نواة الذرة من بروتونات ونوترونات، تحوم حول النواة مجوعة من الالكترونات.
الطاقة المحررة عن طريق عملية الانشطار النووي
عندما تخضع نواة الذرة الى عملية الانشطار النووي تنقسم الى جزئين. الكتلة الكلية للذرتين المتكونتين مختلفة عن كتلة الذرة الاصلية. يتم احتساب الطاقة الضائعة بالاعتماد على علاقة اينشتاين
E=delta(m)*c²
بحيث delta(m) النقص الكتلي.
مبدأ عمل المحطات النووية
يشبه المبدأ الذي تنتج به المحطات النووية الكهرباء بمبدا عمل المحطات الحرارية لانتاج الطاقة الكهربائية. كما هو الحال في جميع محطات الطاقة الحرارية يتم استخدام الحرارة لتوليد البخار الذي يعمل على تدوير التوربينات البخارية المتصلة بمولد كهربائي الذي ينتج الكهرباء. ويكمن الاختلاف بين المحطات في نوع مصدر الحرارة. ففي محطات الوقود الأحفوري يكون مصدر الحرارة من حرق الفحم أو النفط أو الغاز الطبيعي. أما في محطات الطاقة النووية، يكون المصدر الأساسي للحرارة هو انقسام الذرات أو ما يطلق عليه عملية الانشطار النووي.
للمزيد من المعلومات حول المحطات الحرارية من هنا
تنتج المحطات النووية الطاقة الكهربائية انطلاقا من الحرارة المحررة من قبل عملية الانشطار النووي. تعمل الحرارة المنتجة على تسخين الماء وبالتالي يتحول الى بخار. يشغل ضغط البخار الكثيف المحصل عليه من خلال تسخين الماء التوربين. يكون التوربين متصل بالمولد الكهربائي والذي ينتج لنا طاقة كهربائية.
العناصر الرئيسية المكونة للمحطات النووية
المكثف هو عبارة عن مبادل حراري متصل بجانب ثانوي مثل نهر أو بحر أو برج تبريد بحيث يتم ضخ الماء مرة أخرى إلى مولد البخار وتبدأ الدورة مرة أخرى.
مفاعل نووي
المفاعل النووي هو قلب المحطة النووية حيث يتم توليد الحرارة من خلال عملية الانشطار النووي. الحرارة المولدة يتم نقلها باستخدام ناقل حراري هذا الناقل يمكن ان يكون الماء، الصوديوم السائل او باستعمال احد الغازات.
يوجد مجموعة من انواع المفاعلات اهمها
مفاعل الماء المضغوط
في مفاعلات الماء المضغوط، يكون الناقل الحراري هو الماء المضغوط، يقي الضغط العالي الماء من الغليان في حاوية المفاعل.
مفاعل الماء المغلي
في مفاعلات الماء المغلي، يكون الناقل الحراري هو الماء المغلي، البخار المحصل عليه يقوم بتدوير بشكل مباشر التوربينات البخارية.
مفاعل الغاز
في مفاعلات الغازات، يكون الناقل الحراري هو اخد الغازات الخاملة، على سبيل المثال الهيليوم.
توربينات البخار
الغرض من التوربينات البخارية هو تحويل الحرارة الموجودة في البخار إلى طاقة ميكانيكية. وعادة ما يكون بيت المحرك المزود بالتوربينات البخارية مفصول هيكليا عن مبنى المفاعل الرئيسي.
نظام التبريد ومولد الكهرباء
يعتبر نظام التبريد أهم عملية حيث يتم إزالة الحرارة من قلب المفاعل ونقلها إلى منطقة أخرى من المحطة لتسخير الطاقة الحرارية لإنتاج الكهرباء أو للقيام بعمل لغرض آخر.
المولد وهو الذي يقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية الموردة من التوربين إلى طاقة كهربائية.
صورة توضح مختلف عناصر المحطات النووية
ايجابيات وسلبيات توليد الطاقة الكهربائية بالاعتماد على المحطات النووية
ايجابيات المحطات النووية
- تعد أحد أكثر مصادر الطاقة نظافة بسبب انعدام نسبة طرح الكربون فيها، إذ لا تنتج مفاعلات الطاقة النووية أي انبعاثات كربونية. هي إحدى مصادر الطاقة الموثوقة والفعالة، فهي تعمل 24 ساعة في اليوم دون توقف، ولا تتأثر بالتقلبات الجوية مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
- انخفاض تكلفتها الإنتاجية والتشغيلية، إذا يعتبر إنتاج الطاقة منها رخيص نسبيًا إذا ما قُورنت بمصادر الطاقة التقليدية مثل الفحم والغاز الطبيعي.
- تُنتج الطاقة النووية طاقة كبيرة جدًا أثناء عملية الانشطار النووي مقارنة بالطاقة المنتجة عند حرق الوقود الاحفوري.
- أكثر كفاءة من طاقة الوقود الأحفوري
- الطاقة النووية لا ينتج عنها أي غازات دفيئة في الغلاف الجوي أثناء عملية توليد الطاقة. الطاقة الناتجة عن عملية الانشطار النووي نظيفة وخالية من الغازات الضارة بالغلاف الجوي مثل ثاني أكسيد الكربون؛ و ثاني أكسيد الكبريت؛ والمعادن السامة؛ والزرنيخ، والكادميوم؛ والزئبق التي تنتج عن عملية توليد الطاقة من الوقود الأحفوري.
- كمية الطاقة المحررة بالاعتماد على عملية الانشطار بالظبظ انشطار نواة اليورانيوم هائلة بحيث انشطار 1 جرام من كتلة اليورانيوم يحرر لنا طاقة تعادل 9*10^13 جول وهذا مايعادل 3000 طن من الفحم.
سلبيات المحطات النووية
لا يزال الجدل يلاحق الطاقة النووية خاصةً عند الحديث عن سلبياتها، فعلى الرغم من الإيجابيات المهمة التي تقدمها الطاقة النووية للإنسان والبيئة، إلا أنها لا تخلو من بعض السلبيات التي تقف عائقًا في وجهها، سنتناولها فيما يلي:
- التأثير السلبي على البيئة يكمن التأثير السلبي للطاقة النووية على البيئة في الجوانب التالية: خاصةً فيما يتعلق بعملية تصريف المياه، وتعدين اليورانيوم، إذ ينبعث عن عملية التعدين الزرنيخ والراودن اللذان لهما تأثير سلبي على صحة من يعيشون في محيط محطات الطاقة النووية.
- احتياج الطاقة النووية إلى الكثير من الماء: ما يشكل عائقًا أمامها، خاصة مع ندرة وجود المياه وقلة الأمطار.
- استخدام محطات الطاقة النووية مياه المسطحات المائية لتبريد قلب المفاعل: وهذه العملية ينتج عنها ماء مرتفع الحرارة، وعند التخلص منه في المسطحات المائية، يسبب مشكلة بيئية يطلق عليها اسم التلوث الحراري، فهذه المياه الساخنة التي يُعاد طرحها إلى المسطحات المائية ترفع من درجة حرارتها بحوالي 37.78 درجة مئوية، وهو ما يؤثّر سلبيًّا على الأحياء البحرية التي يضرها ارتفاع درجة حرارة الماء التي تعيش فيها.
- احتمالية وقوع حوادث نووية: يمكن ان تؤدي إلى وقوع كوارث بشرية وبيئية، مثل مخاطر تسرب الإشعاعات النووية.
- الخوف من النفايات المشعة: التي تنتج من عملية الانشطار النووي، خاصةً في حال نفاذ المساحة المخصصة للنفايات المشعة في محطات التوليد.
- اعتماد الطاقة النووية على عنصر اليورانيوم: هذا يعني أنه في حال نفاذ اليورانيوم لن نتمكن من الحصول على الطاقة النووية.
- التأثير السلبي على البشر على الرغم من الاختلافات القائمة بين العلماء حول تأثير الطاقة النووية على الإنسان، إلا أنه لا يمكن لأحد إنكار ما أظهرته الدراسات العلمية حول هذا الموضوع التي أفادت إلى ما يلي: ارتفاع معدل الإصابة بأنواع مختلفة من السرطانات بين الأشخاص الذين يعيشون بالقرب من محطات الطاقة النووية مثل سرطان الكبد؛ أو العظام؛ أو الرئة.
- كما بينت الدراسات أن تعرض البشر إلى الإشعاع لفترة طويلة الأمد يمكن أن يضر بالحمض النووي للإنسان.
- يمكن للإشعاعات المنبعثة من الطاقة النووية أن تتسبب بأمراض الدم؛ وتسوس العظام بين الأشخاص الذين يتعرضون لها.
- حوادث الإشعاع النووي تكمن خطورة المفاعل النووي في الحوادث التي قد تحدث، التي من الممكن أن تقع نتيجة الحرارة العالية التي توجد في قلب المفاعل النووي، الذي يحتوي بدوره على آلاف القضبان المعدنية التي يوجد بداخلها وقود اليورانيوم، ومع استمرار عملية الانشطار النووي يطلق الوقود حرارة عالية جدًا تتسبب في غليان المياه المحيطة بالقضبان المعدنية وهذا بدوره سيؤدي إلى إنتاج بخار كثيف يعمل على تدوير التوربين الذي ينتج الكهرباء، ما يؤدي إلى وقوع حوادث لا تحمد عقباها، إذ تُطلق حوادث الإشعاع النووي إشعاعات خطيرة جدًا تضر بالصحة والبيئة يظل تأثيرها لفترة طويلة من الزمن.
- التكاليف المالية المرتفعة تقف التكلفة المادية العالية للطاقة النووية في وجه أغلب الدول، وتعد عائق لعدم حصول عدد كبير منها على الطاقة النووية وذلك للأسباب التالية: تعتبر الطاقة النووية تقنية كثيفة رأس المال، ولا تستطيع جميع البلدان تحمل تكاليف استخدامها. تحتاج الطاقة النووية إلى تكاليف رأس المال التي تشمل إعداد الموقع المناسب لإقامة المفاعل، والهندسة؛ والتصنيع؛ والتشييد؛ والتكليف؛ والتمويل. تحتاج كذلك إلى تكاليف تشغيل عالية الثمن، فهي بحاجة إلى دفع تكاليف الوقود المستخدم لتعدين اليورانيوم؛ إلى تصنيع الوقود؛ والصيانة؛ وإيقاف التشغيل؛ والتخلص من النفايات.
- يجب على محطات الطاقة النووية الخضوع إلى متطلبات ترخيص وتصاميم للمنشآت صارمة جدًا، ما يؤدي إلى تفاقم تكاليف التمويل، وبالتالي عدم قدرة الدول على استخدامها.
- لا تعد مصدر طاقة متجددة على الرغم من أنّ الطاقة النووية بحد ذاتها تعتبر مصدر للطاقة المتجددة، إلا أن المواد الخام التي تعتمد عليها لا تعد مصدر طاقة متجدد وذلك بسبب: يعتبر عنصر اليورانيوم المستخدم في محطات الطاقة النووية مورد محدود وسوف ينفذ في يوم من الأيام. تستخدم محطات الطاقة النووية نوع نادر وغير متجدد من عنصر اليورانيوم U-235.
الطاقة النووية طاقة متجددة صديقة للبيئة، إلاّ أنّ المواد الخام التي تعتمد عليها مثل اليورانيوم غير متجدد، فإذا نفذ اليورانيوم يصبح لا وجود للطاقة النووية، وعلى الرغم من أنّ كمية الغازات الضارة بالبيئة التي تنتج عن محطات توليد الطاقة النووية لا تكاد تُذكر مقارنةً بالوقود الأحفوري، إلاّ أنّها ما زالت تنطوي على مخاطر كثيرة تتعلق بصحة الإنسان، والبيئة تتلخص بالإشعاعات النووية في حال حدث تسريب، وكذلك النفايات النووية تشكل تهديد على البيئة والكائنات الحية عمومًا.
وهناك العديد من الدول الي تستكشف حاليًا خيار تطوير برامج نووية سلمية لديها، خصوصًا مع تزايد الطلب على الكهرباء وارتفاع نسبة القلق بشأن قضية تغيّر المناخ.
تعليقات
إرسال تعليق