الطاقة النووية هي الطاقة الموجودة في نواة أو نواة الذرة. الذرات عبارة عن وحدات صغيرة تشكل كل المادة في الكون والطاقة هي ما يربط مكونات النواة ببعضها البعض. يوجد الكثير من الطاقة في نواة الذرة الكثيفة. في الواقع القوة التي تربط المكونات الأساسية معًا تسمى رسميًا قوة قوية أو قوة نووية قوية.
يمكن استخدام الطاقة النووية لتوليد الكهرباء ولكن يجب أولاً إطلاق هذه الطاقة من الذرة. في عملية الانشطار النووي تنقسم الذرات لتحرير هذه الطاقة.
المفاعل النووي (nuclear reactor)
المفاعل النووي (nuclear reactor) أو محطة الطاقة (nuclear power plant) عبارة عن مجموعة من الآلات التي يمكنها التحكم في الانشطار النووي لتوليد الكهرباء. الوقود الذي تستخدمه المفاعلات النووية لإنتاج الانشطار النووي هو حبيبات اليورانيوم. في المفاعل النووي تُجبر ذرات اليورانيوم على التحلل. عندما تنقسم الذرات تطلق الذرات جزيئات صغيرة تسمى نواتج الانشطار. تتسبب نواتج الانشطار في انقسام ذرات اليورانيوم الأخرى وبدء تفاعل متسلسل. الطاقة المنبعثة من هذا التفاعل تخلق سلسلة حرارية.
تسخن الحرارة الناتجة عن انشطار قلب تبريد المفاعل. عادة ما يكون عامل التبريد هذا عبارة عن ماء لكن بعض المفاعلات النووية تستخدم معدنًا سائلًا أو ملحًا مصهورًا. ينتج عامل التبريد الذي يتم تسخينه عن طريق الانشطار النووي البخار. يتسبب هذا البخار في تدوير التوربينات أو العجلات بواسطة تدفق السائل. تولد التوربينات مولدات أو محركات تولد الكهرباء.
يمكن لقضبان من مادة تسمى “السم النووي” (nuclear poison) تنظيم توليد الطاقة. تحتوي الخراطيم النووية على مواد مثل الزينون التي تمتص بعض نواتج الانشطار. كلما زاد عدد قضبان المحاقن النووية أثناء التفاعل المتسلسل كان التفاعل أبطأ وأكثر تحكمًا. تؤدي إزالة القضبان إلى تفاعل تسلسلي أقوى وتوليد المزيد من الكهرباء.
منذ عام 2011 يتم توليد حوالي 15 في المائة من الكهرباء في العالم بواسطة محطات الطاقة النووية. تمتلك الولايات المتحدة أكثر من 100 مفاعل على الرغم من أن معظم الكهرباء تأتي من الوقود الأحفوري والطاقة الكهرومائية. تقوم دول مثل ليتوانيا وفرنسا وسلوفاكيا بتوليد كل طاقتها من الكهرباء تقريبًا من محطات الطاقة النووية.
اليورانيوم (uranium) الغذاء للطاقة النووية
اليورانيوم هو الوقود الذي ينتج معظم الطاقة النووية. يمكن العثور على سبب ذلك في حقيقة أن ذرات اليورانيوم يمكن فصلها بسهولة. اليورانيوم أيضًا عنصر شائع جدًا موجود في الصخور حول العالم. ومع ذلك فإن نوعًا خاصًا من اليورانيوم يستخدم لتوليد الطاقة النووية يسمى U-235 نادر الحدوث. في الواقع يشكل اليورانيوم 235 أقل من 1٪ من اليورانيوم في العالم.
على الرغم من أن بعض اليورانيوم الذي تستخدمه الولايات المتحدة يتم استخراجه في البلاد إلا أن معظمه يتم استيراده. تستورد الولايات المتحدة اليورانيوم من أستراليا وكندا وكازاخستان وروسيا وأوزبكستان. بعد استخراج اليورانيوم يجب فصله عن المعادن الأخرى ومعالجته قبل استخدامه.
لأن الوقود النووي يمكن أن يستخدم في صنع أسلحة نووية وكذلك مفاعلات نووية فقط الدول التي هي جزء من معاهدة عدم انتشار الأسلحة النووية (NPT) (Nuclear Non-Proliferation Treaty) أو معاهدة منع انتشار الأسلحة النووية يسمح لها باستيراد اليورانيوم أو البلوتونيوم (plutonium) وهو وقود نووي آخر. تعزز المعاهدة الاستخدام السلمي للوقود النووي وكذلك منع انتشار الأسلحة النووية.
يستخدم المفاعل النووي النموذجي حوالي 200 طن من اليورانيوم سنويًا. تؤدي العمليات المعقدة إلى إعادة تخصيب بعض اليورانيوم والبلوتونيوم أو إعادة تدويرهما. هذا يقلل من كمية الاستخراج والاستخراج والتكنولوجيا التي يجب القيام بها.
كيف يتم الحصول على الوقود النووي (nuclear fuel) من اليورانيوم (uranium)؟
اليورانيوم هو الوقود الرئيسي للمفاعلات النووية ويمكن العثور عليه في أجزاء كثيرة من العالم. لإنتاج الوقود يُستخرج اليورانيوم ويخضع للتكرير والتخصيب قبل تحميله في مفاعل نووي.
تعدين اليورانيوم (Uranium mining)
يوجد اليورانيوم بكميات صغيرة في معظم الصخور وحتى في مياه البحر. تعمل مناجم اليورانيوم في العديد من البلدان ولكن يتم إنتاج أكثر من 85٪ من اليورانيوم في ستة بلدان: كازاخستان وكندا وأستراليا وناميبيا ونيجيريا وروسيا. تاريخياً كانت المناجم التقليدية (مثل المناجم المفتوحة أو المناجم تحت الأرض) هي المصدر الرئيسي لليورانيوم.
بعد الاستخراج يتم سحق الخام في مطحنة ويضاف الماء لإنتاج ملاط من الجسيمات الدقيقة والمواد الأخرى. يتم غسل الملاط بحمض الكبريتيك أو محلول قلوي لإذابة اليورانيوم ولا يذيب الصخور المتبقية والمعادن الأخرى.
ومع ذلك فإن أكثر من نصف مناجم اليورانيوم في العالم تستخدم الآن طريقة تسمى الغسيل في الموقع مما يعني أن الاستخراج يتم بدون شوائب. في هذه الطريقة يدور الماء الذي يحتوي على الأكسجين (أو محلول قلوي أو حمضي أو أي محلول مؤكسد آخر) في خام اليورانيوم ويستخرج اليورانيوم. ثم يُضخ محلول اليورانيوم إلى السطح.
يتم ترشيح وتجفيف محلول اليورانيوم المستخرج من المناجم لإنتاج مركز أكسيد اليورانيوم والذي يشار إليه غالبًا باسم الكعكة الصفراء.
الإثراء (Enrichment)
تستخدم معظم مفاعلات الطاقة النووية نظير اليورانيوم 235 كوقود. ومع ذلك فإن هذا النظير لا يشكل سوى 0.7٪ من اليورانيوم الطبيعي المستخرج لذلك يجب زيادة هذه الكمية من خلال عملية تسمى التخصيب.
تزيد هذه العملية من تركيز اليورانيوم -235 من 0.7٪ إلى 3٪ إلى 5٪ والذي يستخدم في معظم المفاعلات. يتم تشغيل القليل من المفاعلات وخاصة مفاعلات CANDU في كندا بواسطة اليورانيوم الطبيعي الذي لا يتطلب تخصيبًا.
تتطلب عملية التخصيب أن يكون اليورانيوم غازيًا. يتم تحقيق ذلك من خلال عملية تسمى التحويل حيث يتم تحويل أكسيد اليورانيوم إلى مركب مختلف (سادس فلوريد اليورانيوم) عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا للغاز.
يتم إرسال سادس فلوريد اليورانيوم إلى أجهزة الطرد المركزي (centrifuge) والتي تفصل نظير اليورانيوم 235 عن نظير اليورانيوم 238 الأثقل قليلاً مع آلاف الأنابيب التي تدور بسرعة. أجهزة الطرد المركزي تفصل اليورانيوم إلى تيارين أحدهما غني باليورانيوم -235 والآخر يسمى الذيل والذي يحتوي على تركيز أقل من اليورانيوم 235 ويعرف باسم اليورانيوم المستنفد (DU).
إنتاج الوقود النووي (Nuclear fuel)
يتم نقل اليورانيوم المخصب إلى محطة وقود حيث يتم تحويله إلى مسحوق ثاني أكسيد اليورانيوم. في الخطوة التالية يتم ضغط المسحوق لتشكيل كريات وقود صغيرة وتسخينه لإنتاج مادة خزفية صلبة.
يتم بعد ذلك وضع الكريات داخل أنابيب رفيعة تُعرف باسم قضبان الوقود والتي يتم تجميعها بعد ذلك معًا لتشكيل مجموعات الوقود. يختلف عدد قضبان الوقود المستخدمة لبناء كل مجموعة وقود من 90 إلى أكثر من 200 حسب نوع المفاعل. بمجرد التحميل يبقى الوقود عادةً في قلب المفاعل لعدة سنوات.
هناك حاجة إلى حوالي 27 طنًا من اليورانيوم أو حوالي 18 مليون حبيبة وقود في أكثر من 50000 من قضبان الوقود لمفاعل ماء بقوة 1000 ميغاواط كل عام. في المقابل تتطلب محطة الطاقة التي تعمل بالفحم ذات الحجم المعادل أكثر من مليوني ونصف طن من الفحم لتوليد الكهرباء.
الطاقة النووية والناس
تولد الطاقة النووية الكهرباء التي يمكن استخدامها لتزويد المنازل والمدارس والشركات والمستشفيات بالطاقة. يقع أول مفاعل نووي لتوليد الكهرباء بالقرب من أركو بولاية أيداهو. بدأ المصنع التجريبي إنتاجه في عام 1951 وتم إنشاء أول محطة للطاقة النووية مصممة لتشغيل مدينة في أوبنينسك روسيا في عام 1954.
يتطلب بناء المفاعلات النووية مستوى عالٍ من التكنولوجيا ولا يمكن إلا للدول التي وقعت على معاهدة حظر انتشار الأسلحة النووية أن تحصل على اليورانيوم أو البلوتونيوم المطلوب. لهذه الأسباب تقع معظم محطات الطاقة النووية في البلدان المتقدمة.
محطات الطاقة النووية تنتج طاقة نظيفة ومتجددة. لا تلوث الهواء ولا تنبعث منها غازات الدفيئة. يمكن بناء محطات الطاقة هذه في المناطق الحضرية أو الريفية ولا تغير البيئة تمامًا.
يتم في النهاية إعادة تدوير البخار الموجود في التوربينات والمولدات وتبريده في هيكل منفصل يسمى برج التبريد. في هذه العملية يتم تحويل البخار مرة أخرى إلى ماء ويمكن استخدامه لتوليد المزيد من الكهرباء. يمكن إعادة تدوير البخار الزائد بسهولة في الغلاف الجوي ولأن بخار الماء النظيف لا يضر الطبيعة كثيرًا.
النفايات المشعة هي ما تبقى من عملية مفاعل نووي. انها في الغالب ملابس واقية يرتديها العمال أو الأدوات وأي مادة أخرى كانت على اتصال بالغبار المشع. هي مستقرة للغاية ويمكن أن تظل المواد مثل الملابس والأدوات مشعة لآلاف السنين. تنظم الحكومات التخلص من هذه المواد حتى لا تتلوث المواد الأخرى.
ومع ذلك فإن المنتج الثانوي للطاقة النووية هو مادة مشعة. المواد المشعة عبارة عن مجموعة من النوى الذرية غير المستقرة. تفقد هذه النوى طاقتها ويمكن أن تؤثر على العديد من المواد من حولها بما في ذلك الأعضاء والبيئة. يمكن أن تكون المواد المشعة شديدة السمية مما يسبب حروقًا ويزيد من خطر الإصابة بالسرطان وأمراض الدم وفقدان العظام.
النفايات المشعة (radioactive waste)
الوقود المستخدم وقضبان الخراطيم النووية شديدة الإشعاع أيضًا. يجب تخزين حبيبات اليورانيوم المستعملة في حاويات خاصة تشبه أحواض السباحة الكبيرة. يبرد الماء الوقود ويعزل المساحة الخارجية عن ملامسة النشاط الإشعاعي. تقوم بعض محطات الطاقة النووية بتخزين الوقود المستهلك في صهاريج التخزين الجاف على الأرض.
أصبحت مواقع التخلص من النفايات المشعة مثيرة للجدل إلى حد كبير في الولايات المتحدة. لسنوات على سبيل المثال خططت الحكومة لبناء منشأة ضخمة للنفايات النووية بالقرب من جبل يوكا نيفادا. واحتجت الجماعات البيئية والمواطنون المحليون على الخطة. كانوا قلقين بشأن تسرب النفايات المشعة إلى مصدر المياه وبيئة جبل يوكا على بعد حوالي 40 ميلاً [130 كم] من منطقة لاس فيجاس الكبرى في نيفادا. على الرغم من أن الحكومة بدأت تحقيقًا في الأمر في عام 1978 إلا أنها توقفت عن التخطيط لإنشاء منشأة نفايات نووية على جبل يوكا في عام 2009.
حادث تشيرنوبيل (Chernobyl accident)
ينتقد منتقدو الطاقة النووية من احتمال تسرب مخزون النفايات المشعة أو تصدعها أو تدميرها. في هذه الحالة يمكن أن تلوث المواد المشعة التربة والمياه الجوفية بالقرب من المنشأة. هذا يمكن أن يؤدي إلى مشاكل صحية خطيرة للناس وأعضاء المنطقة ويجب إخلاء المدينة بأكملها.
هذا ما حدث في تشيرنوبيل بأوكرانيا عام 1986. في هذا الحادث تسبب انفجار بخاري في أحد المفاعلات النووية الأربعة لمحطة الطاقة في نشوب حريق يسمى عمود. وامتد تسرب الحريق إلى منشأة تشيرنوبيل وكذلك المناطق المحيطة بها وتشتت بفعل الرياح مما تسبب في دخول الجسيمات إلى دورة المياه على شكل أمطار. أمطر النشاط الإشعاعي المكتشف في تشيرنوبيل على اسكتلندا وأيرلندا خلال موسم الأمطار وحدث أكبر تأثير لهذه المادة المشعة في بيلاروسيا.
اندلعت الآثار البيئية لكارثة تشيرنوبيل بسرعة كبيرة. جفت غابات الصنوبر واختفت لأميال حول المنشأة. أدى اللون الأحمر لأشجار الصنوبر الميتة في هذه المنطقة إلى تسمية الغابة بالغابة الحمراء. كانت الأسماك في نهر بريبيات بالقرب من المصنع مشعة جدًا لدرجة أن الناس لم يعد بإمكانهم أكلها ونفقت ماشية وخيول المنطقة.
وفر أكثر من 100 ألف شخص من المنطقة بعد الكارثة لكن من الصعب تحديد عدد ضحايا تشيرنوبيل. تظهر آثار التسمم الإشعاعي بعد سنوات فقط كما أنه من الصعب للغاية الكشف عن جميع أنواع السرطانات والأمراض الأخرى المتعلقة بهذا الإشعاع.
أسلحة نووية (nuclear weapons)
القنابل الذرية والقنابل النووية أسلحة قوية تستخدم التفاعلات النووية كمصدر للطاقة المتفجرة. طور العلماء لأول مرة تكنولوجيا الأسلحة النووية في الحرب العالمية الثانية. استخدمت القنابل الذرية مرتين فقط في الحرب في المرتين من قبل الولايات المتحدة ضد اليابان في نهاية الحرب العالمية الثانية في هيروشيما وناغازاكي.
أعقبت الحرب فترة انتشار نووي تنافست خلالها الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي على التفوق في سباق تسلح نووي عالمي.
مشروع مانهاتن (Manhattan Project)
كان مشروع مانهاتن هو الاسم الرمزي لجهود الحكومة الأمريكية لبناء قنبلة ذرية فعالة خلال الحرب العالمية الثانية. تم إطلاق مشروع مانهاتن في الواقع استجابةً للمخاوف من أن العلماء الألمان كانوا يعملون على أسلحة باستخدام التكنولوجيا النووية منذ الثلاثينيات.
في 28 ديسمبر 1942 أجاز الرئيس فرانكلين روزفلت مشروع مانهاتن للجمع بين مختلف العلماء والمسؤولين العسكريين العاملين في مجال البحوث النووية.
من أول من اخترع القنبلة النووية؟
تم تنفيذ معظم العمل في مشروع مانهاتن في لوس ألاموس نيو مكسيكو تحت إشراف الفيزيائي النظري جي.روبرت أوبنهايمر والد القنبلة الذرية. في 16 يوليو 1945 تم تفجير أول قنبلة ذرية بنجاح في موقع صحراوي بعيد بالقرب من ألاموغوردو نيو مكسيكو ويعرف هذا الانفجار باسم تجربة الثالوث. تسبب الانفجار في انفجار سحابة تشبه عيش الغراب يبلغ ارتفاعها حوالي 12 كيلومترًا وبدأ العصر الذري.
معاهدة عدم انتشار الأسلحة النووية (NPT)
أخذت الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي زمام المبادرة في التفاوض على اتفاقية دولية في عام 1968 لوقف المزيد من الانتشار النووي.
تم تنفيذ معاهدة عدم انتشار الأسلحة النووية (NPT) في عام 1970. قسمت الاتفاقية العالم إلى دول مسلحة نوويا وغير حائزة لأسلحة نووية.
كانت الدول التي كانت تمتلك أسلحة نووية في ذلك الوقت هي الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي وبريطانيا وفرنسا والصين.
وبموجب المعاهدة وافقت الدول الحائزة للأسلحة النووية على عدم استخدام الأسلحة النووية أو مساعدة الدول الأخرى في الحصول على أسلحة نووية. كما اتفقا على تقليص مخزوناتهما من الأسلحة النووية تدريجياً لتحقيق الهدف النهائي المتمثل في نزع السلاح الكامل. كما وافقت الدول غير الحائزة للأسلحة النووية على عدم امتلاك أو إنتاج أسلحة نووية.
عندما انهار الاتحاد السوفيتي في أوائل التسعينيات كانت آلاف الأسلحة النووية لا تزال مبعثرة في جميع أنحاء أوروبا الشرقية وآسيا الوسطى. كان العديد من هذه الأسلحة في بيلاروسيا وكازاخستان وأوكرانيا ولكن تم إلغاء مفعولها تدريجياً وإعادتها إلى روسيا.
الدول التي تمتلك أسلحة نووية غير قانونية
أرادت بعض الدول خيار تطوير ترسانتها النووية ولم توقع على معاهدة عدم انتشار الأسلحة النووية. كانت الهند أول دولة خارج معاهدة حظر الانتشار النووي تختبر أسلحة نووية في عام 1974.
ومن الدول الأخرى التي لم توقع على معاهدة حظر انتشار الأسلحة النووية باكستان ونظام الاحتلال في القدس وجنوب السودان. وبالتالي لدى باكستان برنامج أسلحة نووية معروف. كما يُعتقد على نطاق واسع أن نظام الاحتلال في القدس يمتلك أيضًا أسلحة نووية على الرغم من أن حكومته لم تؤكد أو تنكر رسميًا وجود برنامج أسلحة نووية. في حالة جنوب السودان من غير الواضح ما إذا كانت تمتلك أسلحة نووية.
كوريا الشمالية (north korean)
وقعت كوريا الشمالية في البداية على معاهدة حظر انتشار الأسلحة النووية لكنها أعلنت في عام 2003 انسحابها من الاتفاقية. منذ عام 2006 أجرت كوريا الشمالية اختبارات علنية لأسلحتها النووية وفرضت عليها عقوبات من قبل دول ومؤسسات دولية مختلفة.
في عام 2017 اختبرت كوريا الشمالية صاروخين باليستيين طويلي المدى عابرين للقارات يقال إن أحدهما قادر على الوصول إلى البر الرئيسي للولايات المتحدة. في سبتمبر 2017 زعمت كوريا الشمالية أنها اختبرت قنبلة هيدروجينية يمكن أن تهبط فوق صاروخ باليستي قاري.
الفرق بين القنبلة النووية (nuclear bomb) والقنبلة الهيدروجينية (hydrogen bomb)
أتاح اكتشاف علماء الفيزياء النووية في مختبر في برلين بألمانيا عام 1938 بناء أول قنبلة ذرية. في الواقع جاء هذا الاحتمال بعد اكتشاف الانشطار النووي من قبل علماء الفيزياء الثلاثة في ذلك الوقت ، أوتو هان وليز مايتنر وفريتز ستراسمان.
في هذه العملية عندما تنقسم الذرة من مادة مشعة إلى ذرات أخف يتم إنتاج كمية كبيرة من الطاقة وإطلاقها فجأة. تمكن اكتشاف الانشطار النووي من التقنيات النووية بما في ذلك الأسلحة النووية.
القنابل الذرية هي أسلحة تستمد طاقتها من تفاعلات الانشطار. من ناحية أخرى تعتمد الأسلحة النووية أو القنابل الهيدروجينية على مزيج من الانشطار النووي والاندماج النووي. الاندماج النووي هو نوع آخر من التفاعل الذي تتحد فيه ذرتان ضوئيتان لتحرير كمية كبيرة من الطاقة.
مستقبل الطاقة النووية
في المفاعلات النووية يتم استخدام انشطار أو انقسام الذرات لتوليد الطاقة. يمكن أيضًا توليد الطاقة النووية عن طريق اندماج أو ربط الذرات معًا. على سبيل المثال تندمج الشمس باستمرار بسبب اندماج ذرات الهيدروجين وتكوين الهيليوم. نظرًا لأن الحياة على كوكبنا تعتمد على الشمس يمكن القول أن الاندماج النووي يجعل الحياة على الأرض ممكنة.
لا تملك محطات الطاقة النووية القدرة على توليد الطاقة بأمان من الاندماج النووي وليس من الواضح ما إذا كانت هذه العملية ستكون خيارًا لتوليد الطاقة. يبحث المهندسون النوويون حاليًا عن الاندماج النووي لأن العملية من المرجح أن تكون أكثر أمانًا وفعالية من حيث التكلفة.
فوائد الطاقة النووية
هناك العديد من إيجابيات وسلبيات الطاقة النووية ومن المهم فهم كلا الجانبين لفهم ما يجب أن يقدمه مصدر الطاقة هذا. ستساعدك معرفة إيجابيات وسلبيات الطاقة النووية على أن تقرر بنفسك ما إذا كان مصدر الطاقة هذا قرارًا جيدًا لتلبية احتياجات الطاقة المستقبلية لنا ولكوكبنا. فيما يلي بعض الجوانب الإيجابية لهذه الطاقة.
تكلفة منخفضة
بعد التكلفة الأولية للبناء تتمتع الطاقة النووية بميزة كونها واحدة من أكثر الطاقات المتاحة فعالية من حيث التكلفة. تكلفة توليد الكهرباء من الطاقة النووية أقل بكثير من تكلفة توليد الطاقة من الغاز أو الفحم أو النفط ما لم تكن هذه المصادر موجودة بالقرب من محطة لتوليد الطاقة بالوقود الأحفوري. ميزة أخرى للطاقة النووية هي أن لديها مخاطر أقل لارتفاع الأسعار في مواجهة التضخم على عكس الوقود الأحفوري الذي يتقلب مع تقلبات الأسعار والتضخم.
مصدر موثوق للطاقة
في حين أن بعض مصادر الطاقة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح تعتمد على الظروف المناخية فإن الطاقة النووية ليس لها مثل هذا الحد. لا يهم إذا كانت الرياح تهب أو يكون الطقس غائما. محطات الطاقة النووية لا تتأثر إلى حد كبير بالعوامل المناخية الخارجية وتنتج إنتاج طاقة يمكن التنبؤ به ومستدام. يمكن لمحطة الطاقة النووية العاملة بكامل طاقتها أن تولد الطاقة لمدة عام دون انقطاع مما يسمح بعائد جيد على الاستثمار لأنه لا يوجد تأخير في إنتاج الطاقة.
محطات الطاقة النووية يمكن الاعتماد عليها أيضًا من حيث الموارد لأن لدينا ما يكفي من اليورانيوم على الكوكب يمكنه إنتاج الطاقة لمدة 70 إلى 80 عامًا القادمة. على الرغم من أن هذا قد لا يبدو وقتًا كافيًا إلا أن هذه الفترة أطول من العمر المتبقي للعديد من أنواع الوقود الأحفوري ويتم حاليًا استكشاف مصادر الطاقة النووية الأخرى لتزويد محطات الطاقة النووية بالوقود.
قيمة الطاقة الأساسية الثابتة
عن 20٪ تأتي كل الكهرباء المولدة في الولايات المتحدة من الطاقة النووية. يتم تشغيله بواسطة 98 مفاعلًا للطاقة النووية تم توليدها في حوالي 30 ولاية مختلفة في الولايات المتحدة. يعني الإنتاج المستدام للطاقة المولدة من محطات الطاقة النووية أنه يمكن استخدامها بشكل مثالي بالاقتران مع أشكال أخرى من الطاقة المتجددة.
تولد توربينات الرياح على سبيل المثال كمية كبيرة من الطاقة عندما تهب الرياح. بهذه الطريقة عندما تهب الرياح يمكن لمحطات الطاقة النووية تنظيم كمية الطاقة المنتجة بدرجة أقل. على العكس من ذلك عندما لا تهب الرياح وهناك حاجة إلى مزيد من الطاقة يمكن تعديل الطاقة النووية لتعويض نقص الطاقة التي تنتجها الرياح (أو الشمس).
الطاقة النووية تسبب تلوثًا منخفضًا
عندما يتعلق الأمر بالتلوث فمن الواضح أن هناك إيجابيات وسلبيات للطاقة النووية وسننظر في النفايات النووية لاحقًا. ومع ذلك فإن الناتج الإجمالي للتلوث من محطة الطاقة النووية منخفض جدًا مقارنة بإنتاج الطاقة من الوقود الأحفوري. يقلل استهلاك الطاقة النووية حاليًا من الانبعاثات بأكثر من 555 مليون طن سنويًا. يعد الحد من غازات الاحتباس الحراري مؤشرًا جيدًا على كيفية تغير التلوث في استخدام الطاقة النووية مما قد يساعد في تقليل تأثيرنا على تغير المناخ العالمي على المدى الطويل.
توافر الوقود الكافي
مثل الوقود الأحفوري (fossil fuels) فإن اليورانيوم المستخدم لتشغيل محطات الطاقة النووية محدود. ومع ذلك تشير التقديرات إلى أن احتياطياتنا من اليورانيوم تكفي لمدة 80 عامًا أخرى. ظلت احتياطيات الوقود الأحفوري قيد الاستخدام المستمر منذ الثورة الصناعية. في الواقع إذا واصلنا استهلاك الوقود الأحفوري بنفس الطريقة وأخذنا في الاعتبار الزيادة في عدد سكان العالم فمن المقدر أنه بحلول عام 2052 وبحلول عام 2060 وبحلول عام 2088 سينفد الفحم.
بالطبع هناك المزيد من الاكتشافات حول الوقود الأحفوري التي لم نتمكن من العثور عليها بعد لكنها أقل وأبعد من أي وقت مضى وستنتهي في النهاية. يمكن أن يمنحنا استخدام اليورانيوم وقتًا إضافيًا للعثور على مصادر طاقة متجددة أفضل وأنظف. بالإضافة إلى ذلك تحاول بعض الدول مثل الهند والصين وروسيا استخدام كميات كبيرة من الثوريوم القابل لإعادة التدوير لتشغيل المفاعلات النووية. لدينا أكثر من 80 عامًا من الوقود المتاح باستخدام الثوريوم. ومع ذلك إذا تمكن العلماء من جعل الاندماج النووي حقيقة واقعة من الناحية النظرية فلن تنفد الكهرباء لدينا أبدًا. يتطلب تحويل الطاقة النووية إلى طاقة مستدامة استخدام مفاعلات توليد واندماج نووي لإبقائنا في المستقبل المنظور.
كثافة طاقة عالية (High energy density) في الطاقة النووية
في قائمة إيجابيات وسلبيات الطاقة النووية هذه الميزة غريبة للغاية. يطلق الانشطار النووي (العملية المستخدمة في إنتاج الطاقة النووية) طاقة أكثر من حرق الوقود الأحفوري مثل الغاز أو النفط أو الفحم. السؤال هو ما مدى كفاءة هذه الطاقة؟ يعد الانشطار النووي أكثر كفاءة بنحو 8000 مرة في توليد الطاقة من الوقود الأحفوري التقليدي. هذا المبلغ مهم جدا. نظرًا لأن الطاقة النووية أكثر كفاءة فهي تتطلب وقودًا أقل لتشغيل المحطة وبالتالي تولد نفايات أقل.
مساوئ الطاقة النووية (Disadvantages of nuclear energy)
في قائمة فوائد الطاقة النووية ذكرنا الحالة التي تجعل الطاقة النووية خيارًا مناسبًا لتلبية الاحتياجات المستقبلية من الكهرباء. ومع ذلك عند فحص ما إذا كان مصدر الطاقة هذا هو أفضل شكل من أشكال الطاقة الصديقة للبيئة لمستقبلنا أشرنا إلى عيوبه. فيما يلي بعض العيوب الرئيسية للطاقة النووية.
تكلفة البناء
على الرغم من التكلفة المنخفضة لتشغيل محطات الطاقة النووية إلا أن بنائها مكلف للغاية والتكلفة مستمرة في الارتفاع. من عام 2002 إلى عام 2008 زادت التكلفة التقديرية لبناء محطة للطاقة النووية من 2 مليار دولار إلى 9 مليار دولار إلى 9 مليار دولار وغالبًا ما تتجاوز محطات الطاقة التكاليف المقدرة أثناء البناء. بالإضافة إلى تكلفة بناء محطة للطاقة يجب على محطات الطاقة النووية تخصيص الأموال لحماية النفايات المتولدة وتخزينها في هياكل مبردة بالطرق الأمنية. كل هذه التكاليف تجعل الطاقة النووية باهظة الثمن.
الحوادث
من أول الأشياء التي يفكر فيها معظم الناس عند سماعهم عن محطة للطاقة النووية هي كارثة تشيرنوبيل. على الرغم من أننا لا نعرف بالضبط عدد الأشخاص الذين لقوا حتفهم في حادث تشيرنوبيل ، فمن المقدر أن 10000 حالة وفاة نجمت عن الآثار طويلة المدى للإشعاع في المنطقة. أظهرت أزمة محطة فوكوشيما للطاقة في عام 2011 أنه بغض النظر عن مدى أمان تصميم محطات الطاقة النووية يمكن أن تحدث الحوادث وتتسبب في حدوث كارثة.
النفايات المشعة (Radioactive waste)
على الرغم من أن توليد الطاقة النووية لا ينبعث منه أي إشعاع إلا أنه يولد نفايات مشعة يجب تخزينها بأمان حتى لا تلوث البيئة. على الرغم من أن هذا الإشعاع قد يبدو مخيفًا إلا أننا نتعرض باستمرار لكمية صغيرة من الأشعة الكونية أو الرادون في الهواء الذي نتنفسه. إنه ليس ضارًا بكميات صغيرة من الإشعاع لكن النفايات المشعة الناتجة عن توليد الطاقة النووية خطيرة جدًا.
يمثل التخلص من النفايات المشعة تحديًا كبيرًا يواجه محطات الطاقة النووية. نظرًا لعدم وجود طريقة للتخلص من النفايات النووية فإن الحل الحالي هو إغلاقها بشكل آمن في حاويات وتخزينها في أعماق الأرض حيث لا يمكن أن تلوث البيئة. مع تقدم التكنولوجيا نأمل في إيجاد طرق أفضل لتخزين النفايات المشعة في المستقبل.
تأثير على البيئة
محطات الطاقة النووية لها تأثير أكبر على البيئة من تأثير النفايات التي تنتجها. تعدين اليورانيوم وتخصيبه ليسا من العمليات الصديقة للبيئة. يعد تعدين اليورانيوم اليومي آمنًا لعمال المناجم لكنه يترك وراءه جزيئات مشعة تسبب التآكل بل وتلوث مصادر المياه القريبة. يعد التعدين في الطابق السفلي آمنًا أيضًا ويعرض عمال المناجم لمستويات عالية من الإشعاع أثناء استخراج النفايات المشعة ومعالجتها.
تهديد أمني
يمكن أن تكون الطاقة النووية تهديدًا وطنيًا وأمنيًا للدول التي لديها محطات طاقة نووية. لأنه في هذه الحالة قد يستهدف الإرهابيون محطات الطاقة النووية بقصد إحداث كارثة ويمكن أن يصبح اليورانيوم المستخدم لتوليد الطاقة سلاحًا نوويًا إذا وقع في الأيدي الخطأ. هذا هو سبب أهمية الأمن حول المواد النووية ومحطات الطاقة النووية.
إمدادات وقود محدودة
قد تكون هناك إيجابيات وسلبيات مهمة للطاقة النووية ولكن أحد أهم الاعتبارات التي يجب وضعها في الاعتبار هو أن الطاقة النووية تعتمد على اليورانيوم والثوريوم لإنتاج الطاقة. لن نكون قادرين على توليد الطاقة بمحطات الطاقة النووية التي بنيناها للمستقبل حتى نتمكن من إيجاد طريقة لبناء الاندماج النووي أو بناء مفاعلات الاندماج النووي قبل نفاد مواردنا. أخيرًا الطاقة النووية ليست سوى حل مؤقت وبسعر مرتفع للغاية.
ما هي تطبیقات الطاقة النووية؟
بدأت أول محطة للطاقة العمل في الخمسينيات من القرن الماضي باستخدام الحرارة الناتجة عن انقسام ذرات اليورانيوم. يدرك معظم الناس اليوم الدور المهم الذي تلعبه الطاقة النووية في توفير جزء كبير من الكهرباء منخفضة الكربون في العالم.
تطبيقات الطاقة النووية بخلاف توليد الطاقة في محطات الطاقة أقل شهرة. تستخدم النظائر المشعة والمفاعلات النووية الحرارية ومفاعلات محطات الطاقة غير الثابتة في العديد من القطاعات بما في ذلك المنتجات الاستهلاكية والأغذية والزراعة والصناعة والطب والبحث العلمي والنقل والمياه والموارد البيئية.
النظائر المشعة (Radioisotopes)
النظائر هي أنواع معينة من العناصر الكيميائية التي تحتوي على نوى بنفس عدد البروتونات ولكن بأعداد مختلفة من النيوترونات. تسمى بعض النظائر مستقرة لأنها لا تتغير بمرور الوقت. البعض الآخر غير مستقر أو مشع لأن نواتها تتغير بمرور الوقت مع فقدان جسيمات ألفا وبيتا.
تمنح خصائص الذرات المتحللة بشكل طبيعي ، والمعروفة باسم النظائر المشعة هذه الذرات العديد من الاستخدامات المختلفة في العديد من جوانب الحياة الحديثة. تم تحديد أول تطبيق عملي للنظائر المشعة في عام 1911 من قبل مجري يدعى جورج دي هويس.
أحد النظائر الأكثر شيوعًا في التشخيص الطبي لنظير التكنيشيوم (Tc-99m) هو نظير الموليبدينوم 99 (Mo-99). يتم إنتاج Mo-99 بشكل عام عن طريق الانشطار U-235 في مفاعل أبحاث نووي.
النظائر المشعة Tc-99m كحد أقصى 80٪ تستخدم الحالات للتطبيقات التشخيصية في الجسم الحي. في الواقع ، يُستخدم هذا النظير في أكثر من 30 مليون اختبار سنويًا في جميع أنحاء العالم. يستخدم هذا النظير المشع بشكل أساسي لفحص وظائف الغدة الدرقية وكذلك لتشخيص أمراض أعضاء أخرى من الجسم مثل الرئتين والقلب والكبد والمثانة والعظام.
استخدامات الطاقة النووية في الصيدلة
يدرك الكثير من الناس الانتشار الواسع للعلاج الإشعاعي والنظائر المشعة في الصيدلة وخاصة لتشخيص وعلاج الأمراض المختلفة. في البلدان المتقدمة يستخدم واحد من كل 50 شخصًا الطب النووي التشخيصي كل عام ويبلغ معدل تكرار العلاج بالنظائر المشعة حوالي عُشر ذلك.
تطبيق الطاقة النووية في الزراعة
تقدر منظمة الأغذية والزراعة (الفاو) التابعة للأمم المتحدة (صندوق الأمم المتحدة للسكان) أن ما يقرب من 795 مليون شخص (واحد من كل تسعة) سيعانون من سوء التغذية المزمن بين عامي 2014 و 2016. تساعد النظائر المشعة والإشعاعات المستخدمة في الأغذية والزراعة في تقليل هذه الأرقام.
استخدامات الطاقة النووية في المنتجات الاستهلاكية
يعتمد أداء العديد من المنتجات الشائعة الاستخدام على استخدام كميات صغيرة من المواد المشعة. تستخدم أجهزة كشف دخان السجائر وساعات اليد وساعات الحائط وما إلى ذلك السمات الطبيعية للنظائر المشعة في تصميمها.
تطبيق الطاقة النووية في الغذاء
عن 25-30٪ يتم إتلاف الطعام المحصود نتيجة تلف الطعام قبل تناوله. هذه المشكلة منتشرة بشكل خاص في البلدان الحارة والرطبة. تشعيع الطعام هو عملية تعريض الطعام لأشعة جاما لقتل البكتيريا التي يمكن أن تسبب الأمراض المنقولة بالغذاء، بالإضافة إلى زيادة العمر الافتراضي للطعام.
التطبيقات الصناعية للطاقة النووية
يستخدم الحرفيون النظائر المشعة كمتتبعين للتحكم في تدفق وترشيح السوائل واكتشاف التسرب وتآكل المحرك وتآكل معدات العملية. بإضافة كمية صغيرة من المواد المشعة إلى المواد المستخدمة في عمليات مختلفة يمكن دراسة معدل الخلط ومعدل التدفق لمجموعة واسعة من المواد بما في ذلك السوائل والمساحيق والغازات ويمكن تحديد التسرب.
استخدامات الطاقة النووية في النقل
الطاقة النووية مناسبة للسفن التي يجب أن تبقى في البحر لفترة طويلة دون التزود بالوقود أو لدفع الغواصات بقوة. تُستخدم مولدات الحرارة بالنظائر المشعة (RTG) أيضًا في بعثات الفضاء.
يتم استخدام الحرارة الناتجة عن اضمحلال مصدر مشع غالبًا بلوتونيوم 238 لتوليد الكهرباء.
في المستقبل يمكن استخدام الطاقة النووية لإنتاج الكهرباء أو الحرارة من محطات الطاقة النووية لإنتاج الهيدروجين. يمكن استخدام الهيدروجين في خلايا الوقود لتشغيل السيارات أو يمكن حرقه لتوليد الحرارة بدلاً من الغاز دون إنتاج غازات الاحتباس الحراري التي تغير المناخ.
تطبيق الطاقة النووية في مصادر المياه والبيئة
تلعب النظائر المشعة دورًا مهمًا في تحديد الملوثات وتحليلها. تم استخدام التقنيات النووية لمجموعة واسعة من مشاكل التلوث بما في ذلك تكوين الدخان وتلوث ثاني أكسيد الكبريت في الغلاف الجوي وتشتت مياه المحيطات السائلة وتسرب الوقود. تسمح التقنيات الهيدرولوجية النظيرية بالتتبع الدقيق وقياس موارد المياه الجوفية. توفر هذه التقنيات أدوات تحليلية مهمة في إدارة وحماية الموارد المائية الحالية وتحديد الموارد الجديدة.
استنتاج
في هذا المقال تحدثنا عن الطاقة النووية. تحقيقا لهذه الغاية تحدثنا أولا عن اليورانيوم وهو وقود محطات الطاقة النووية وهو في الواقع المصدر الرئيسي للطاقة النووية ثم شرحنا كيفية إنتاج الوقود النووي من اليورانيوم. ذهبنا للحديث عن الأسلحة النووية ومعاهدة منع انتشار الأسلحة النووية وأخيراً ناقشنا إيجابيات وسلبيات الطاقة النووية.
