الطاقة النووية (3)
فى المقالة الأولى والثانية من سلسلة مقالات الطاقة النووية تحدثنا ببساطة عن:-
توصيات مؤتمر قمة المناخ والخاص بالإنبعاثات الصناعية المؤدية إلى ظاهرة الإحتباس الحرارى .
مميزات استخدام الطاقة النووية فى توليد الطاقة وكذلك بعض الإحتياطات الواجب مراعاتها.
نبذة مختصرة عن مشروعات محطات الطاقة النووية لتوليد الطاقة الكهربائية وتحلية المياه فى المنطقة العربية.
وسوف نبدأ فى هذا العدد بإذن الله بعرض مبسط عن أنواع مفاعلات الطاقة النووية.
أولاً : تنقسم مفاعلات الطاقة النووية على الشمول إلى نوعين رئيسيين وهما :
مفاعلات الماء الثقيل (H.W.R.) (Heavy water Reactors)
مفاعلات الماء الخفيف (L.W.R.) (Light water Reactors)
وقبل أن نبدأ بإستعراض المفاعلات بنوعيها لابد أن نوضح ماهية كل منهم :

الماء الثقيل (Heavy Water)

يعتبر الماء الثقيل من أهم ركائز الصناعات النووية، حيث يلعب دورا هاما في تبريد المفاعلات النووية وتنظيم سير التفاعلات الذرية فيها.
يعود اكتشاف الماء الثقيل إلى عام 1932 عندما لوحظ اختلاف طيف هذا الماء عن طيف الماء العادي، وقد بينت التجارب التي أجريت لاحقا وجود ثلاثة نظائر للهيدروجين وهي :
1- الهيدروجين الأحادي والذي تحتوي ذرته على إلكترون واحد وبروتون واحد ولا يوجد فيه نيوترونات وعدده الذري واحد ووزنه الذري واحد ويعرف أوكسيد هذا الهيدروجين بالماء الخفيف H2O .....
2- الهيدروجين الثنائي ( الديوتيريوم 2 ) والذي تحتوي ذرته على إلكترون واحد وبروتون واحد ونيوترون واحد وعدده الذري واحد ووزنه الذري اثنين ويعرف أكسيده بالماء الثقيل الثنائي D2O .
3- الهيدروجين الثلاثي(التريتيوم 3 ) والذي تحتوي ذرته على إلكترون واحد وبروتون واحد ونيوترونيين وعدده الذري واحد ووزنه الذري ثلاثة ويعرف أكسيده بالماء الثقيل الثلاثي T2O . وتحتوي البحار والمحيطات في العالم على نسب قليلة جدا من الديوتيريوم والتريتيوم، قد تبلغ 1 غم لكل 30 ألف غرام من ماء البحر، كما يوجد الماء الثقيل في الغاز الطبيعي وفي طبقات الجو العليا وبنسب قليلة أيضا.
إن أول استخدام للماء الثقيل يعود إلى العقد الرابع من القرن الماضي في مشروع مانهاتن الأمريكي الشهير والخاص لإنتاج القنبلة النووية وذلك أثناء الحرب العالمية الثانية، حيث تبين للباحثين ما يمتلكه الماء الثقيل من مميزات فيزيائية وكيميائية هامة جدا، فهو عامل تبريد ممتاز ومنظم للتفاعلات النووية ولا يمتص النيوترونات الموجودة في قلب المفاعل النووي لكون نواة الهيدروجين به تحتوي على نيوترون، وهذا يكسبه ميزة التحكم بالتفاعلات النووية المتسلسلة داخل قضبان الوقود النووي.
يتم إنتاج الماء الثقيل D2O بعدة طرق من أهمها:
أ- التقطير الجزئي للماء، والذي يعتمد على الفارق الضئيل في درجة الغليان لنظائر الهيدروجين، وقد استخدمت هذه الطريقة في مشروع مانهاتن الأمريكي.
ب- التحليل الكهربائي للماء، ويكون ذلك في خلايا خاصة للتحليل الكهربائي، ويصنع المهبط من الفولاذ ويفصل بحواجز خاصة عن المهبط لتفادي اختلاط الهيدروجين مع الأوكسجين.
ج- التبادل الأيوني بين الهيدروجين والماء، ويتم ذلك في أبراج امتصاص متعاكسة خاصة حيث يتم تمرير تيار من ماء البحر من أعلى البرج الى أسفله، وفي نفس الوقت يتم تمرير تيار معاكس من غاز الهيدروجين من أسفل البرج إلى أعلاه، ويعمل الهيدروجين الصاعد على امتصاص الديوتيريوم الموجود في مياه البحار.
د- تقطير الهيدروجين، ويكون ذلك في برج تقطير أولي وآخر ثانوي وعلى درجة حرارة تبلغ 250 درجة سيليسيوس تحت الصفر، يتم في هذه الطريقة فصل نظير الديوتيريوم 2 عن الهيدروجين العادي.
هـ- تقطير الأمونيا، ويتم على درجة تبلغ 175 درجة سيليسيوس تحت الصفر، حيث يتجمع مركب الأمونيا NH3 الخفيف في أعلى برج التقطير، بينما يتجمع المركب الثقيل ND3 في أسفل البرج، ويتم التعامل لاحقا مع المركب ND3 لزيادة تركيزه.
و- معالجة الغاز الطبيعي، حيث يتم في هذه الطريقة إعادة تركيب الغاز الطبيعي، ويكون ذلك عن طريق تمرير مخلوط من الغاز الطبيعي وبخار الماء في أبراج خاصة تحتوي على عوامل مساعدة، ويتكون نتيجة ذلك مخلوط من غاز الهيدروجين يحتوي على كل من ( H2 + HD + D2 ) يتم تقطير الناتج وأكسدته للحصول على الديوتيريوم.
إن امتلاك أي دولة لتكنولوجيا إنتاج الماء الثقيل يعتبر خطوة هامة نحو استغلال الطاقة النووية في المجال السلمي أو العسكري، كما يعتبر ذلك جواز سفر لتلك الدولة للدخول في عضوية نادي الدول النووية.

الماء الخفيف (Light water) :

الماء الخفيف هو الماء العادى سواء كان فى البحار أو الأنهار ويستخدم كوسيط وكمبرد وأحد الوسائل للتخلص من حرارة التفاعل المتسلسل وتحويلها إلى بخار يدير زعانف التروبينات لتوليد الكهرباء.
ثانياً :أنواع المفاعلات النووية
يطلق علي مفاعلات الإنشطار النووي (The nuclear fission reactors) في الولايات المتحدة الأمريكية مفاعلات الماء الخفيف(light water reactors)
1) تستخدم مفاعلات الماء الخفيف الماء العادى كمبرد وكذلك تستخدم اليورانيوم المخصب كوقود .
2) النوعين على الشمول اللذان يستخدمان الماء الخفيف:-

3) أ‌) مفاعلات الماء المضغوط (Pressurized water reactor (P.W.R. مفاعلات الماء المغلى (Boiling water reactor (B.W.R..
ب‌) ملحوظة:
يختلف مفاعل الماء المضغوط ( (P.W.R.عن مفاعل الماء المغلى ((B.W.R من حيث أن مفاعل الماء المغلى ((B.W.R له دائرة واحدة للماء والبخار من خزان الضغط للمفاعل إلى التروبينات بينما يتم ذلك فى مفاعل الماء المضغوط ( (P.W.R.فى دائرتين:

-الدائرة الأولية:

هى دائرة المفاعل وهى عالية الشوائب المشعة حيث يلامس ماء التبريد وحدات الوقود النووى مباشرة .

-الدائرة الثانوية:

وتلتقي الدائرة الأولية خارج خزان المفاعل مع الدائرة الثانوية عند طريق مبادلات حرارية فيكون البخار الذي يدير التروبينات تقريبا خاليا من الشوائب المشعة ويدير بخار الماء ذو الضغط العالي التروبينات ويتصل على محورها المحول الكهربائي الضخم الذي ينتج التيار الكهربائي.
وفي معظم أنحاء العالم تغلب مفاعلات الماء المضغوط (P.W.R.)لإنتاج القدرة الكهربائية وفى المتوقع استخدام هذا النوع فى المحطة النووية الأولى فى مصر لإنتاج القدرة الكهربية.
ثالثا: مفاعلات الماء الثقيل
يعمل الماء الثقيل كوسيط ويقوم الديوتيريوم (Deuterium)، بالماء الثقيل بتقليل سرعة النيترونات في التفاعل الإنشطاري المتسلسل وهذا النوع من المفاعلات لايتطلب وقود يورانيوم مخصب بل يورانيوم طبيعي ويطلق علي هذه المفاعلات الكندية مفاعلات كاندو CANDU.
م.تيمور السعيد خليل