بالصور: كيف يعمل المفاعل النووي؟
١٤ مارس ٢٠١١
تنبعث أنواع عديدة من الإشعاعات نتيجة الانحلال النووي وتعتمد خطورة تأثيرها على التركيب البيولوجي للخلايا الحية على سرعتها والطاقة التي تمتلكها ونوع العضو الذي تخترقه وعمره أيضا. وابرز الجسيمات أو الأشعة المنطلقة من النواة خلال انحلالها هي ما يلي:
أشعة ألفا(α) أو الأصح جسيمات ألفا، هي عبارة عن نواة ذرة الهليوم. أي أنها تتكون من بروتونين ونيوترونيين. تنتج كثيرا من التفاعلات النووية وتعتبر مستقرة إلى حد كبير. وتمتلك شحنة كهربائية موجبة وتتميز بضعف القدرة على الاختراق. إلا أنها تتميز بقدرة كبيرة على تأيين المواد إذا ما اخترقتها، بمعنى أنها تغير خواصها الكهربائية.
أما جسيمات بيتا (β) ،فإنها يمكن أن تحمل شحنة سالبة أو موجبة اعتمادا على نوع التحلل، فهي عبارة عن إلكترون (سالب الشحنة) أو بوزيترون (موجب الشحنة) وتمتاز بقدرة ضعيفة على تأيين المواد التي تخترقها وعلى اختراق المواد. حيث يمكنها اختراق صفيحة ألومونيوم بسمك 3 ملم فقط.
أما الأشعة الأكثر خطورة فهي أشعة جاما(γ). وهي عبارة عن أشعة كهرومغناطيسية. وهي تشبه موجات الضوء، إلا أن لها طولا موجيا قصير، أي أن لها تردد أعلى، ما يعني طاقة أعلى وقدرة اكبر على اختراق الأجسام. ويمكن لها النفاذ إلى كل أنواع الأجسام تقريبا، ولا يمكن اعتراض طريقها إلا باستخدام ألواح سميكة من الرصاص. وهي تقتل كل ما تخترقه من خلايا حية، نتيجة الطاقة الكبيرة التي تحملها والتي تتحول إلى طاقة حرارية داخل الخلايا الحية، وتؤدي بدورها إلى تأيين هذه الخلايا، أي تغيير خواصها البيولوجية والكيميائية. وتنطلق الإشعاعات النووية إما بصورة طبيعية أو من خلال التفاعلات النووية.
هناك نوعان من التفاعلات النووية؛ تفاعل الاندماج النووي، حيث تندمج نويات الهيدروجين مكونة الهليوم. تتحرر نتيجة هذا الاندماج طاقة نووية هائلة ولكنها نظيفة أيضا، حيث أن الهليوم عنصر غير مشع ومتواجد بصورة حرة في الطبيعة. أبرز مثال على تفاعل الاندماج النووي هو الشمس.
....وتفاعل الانشطار النووي هو التفاعل الذي يتم من خلاله إنتاج طاقة حرارية وضوئية عاليه بالإضافة إلى جسيمات مثل بيتا (β) وألفا(α). ويتم تحرير الطاقة النووية من خلال قصف نواة اليورانيوم 235 بنيوترون، ينتج عن هذا التصادم جزيء جديد غير مستقر سرعان ما تنشطر إلى جزيئين وما معدله 2 إلى 3 نيوترونات، مصطدمة بالتالي بذرات يورانيوم أخرى وهكذا تستمر عملية تحرير الطاقة وإنتاج نيوترونات ضمن ما يعرف بالتفاعل المتسلسل. من انشطار نواة يورانيوم 235 تتحرر طاقة يتجاوز مقدارها 200 مليون إلكترون/ فولت. وبشكل أكثر وضوحا يمكن مقارنة مقدار الطاقة المحررة بالطاقة المحررة من الفحم: من كيلو غرام واحد من الفحم يمكن إنتاج 8 كيلو واط/ ساعة. أما من كيلو غرام واحد من اليورانيوم 235، فيمكن إنتاج ما يقارب 24 مليون كيلو واط/ ساعة. ويتم إنتاج هذه الطاقة داخل المفاعلات النووية.
النوعان الرئيسيان من المفاعلات النووية، هما مفاعلات الماء الخفيف ومفاعلات الماء الثقيل. مفاعلات الماء الخفيف، يمكن أن تستخدم الماء العادي كمهدئ ومبرد، وأيضا ناقل للحرارة. أما مفاعلات الماء الثقيل، فهي تستخدم الديوتريوم (الهيدروجين الثقيل) كوسيط يقوم مثلما هي مهمة الماء الخفيف في مفاعلات الماء الخفيف.
الشكل التوضيحي يوضح عمل المفاعل النووي:
الصورة على اليسار، توضح تركيب المفاعل النووي من الداخل: اللون الوردي يشير إلى أعمدة الوقود النووي، وتحتوي على نسبة تخصيب 3 إلى 5 في المائة من اليورانيوم 235 على شكل أوكسيد اليورانيوم، أو خليطه مع اوكسيد البلوتونيوم. اللون الأزرق يشير إلى المهدئ: الماء الخفيف أو الثقيل. الأعمدة الغامقة اللون تشير إلى ألواح التحكم. اللون الأخضر والأصفر يشيران إلى الغطاء الحديدي المحيط بقلب المفاعل والجدار الخارجي من الخرسانة ومواد عزل الإشعاعات النووية.
على اليمين: الصورة تبين عمل المهدئ، الذي يقوم بتقليل سرعة النيوترونات لغرض الوصول إلى السرعة المطلوبة لحدوث التفاعل المتسلسل. فالنيوترونان السريعة جدا لا يمكن لها أن تشطر نواة اليورانيوم 235.
الفكرة تكمن في أن الطاقة الحرارية الهائلة المتحررة من انشطار النواة يتم استغلالها في توليد بخار ماء مضغوط. مثلما يشير الرسم التوضيحي إلى دخول وخروج الماء كناقل للحرارة الناتجة عن التفاعل النووي. يمكن أن تكون هناك دورة واحدة للماء أو دورتين ؛واحدة للماء المضغوط بدرجات حرارة مرتفعة جدا. ويكون في تماس مباشر مع قلب المفاعل ويقوم بدوره بنقل الطاقة الحرارية الناتجة إلى الدورة الثانية من الماء والتي لا تكون في تماس مباشر مع قبل المفاعل، و تقوم بدورها بتحريك زعانف مولدات الطاقة الكهربائية.
حدوث خلل فني في نظامي التهدئة والتبريد يمكن أن يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة إلى1200 درجة مئوية، ويمكن عندها أن تنفصل جزيئات الهيدرروجين عن الماء. وإذا ما تم إطلاق البخار المحمل بالهيدروجين من المفاعل فانه يتفاعل مع الأوكسجين في الهواء ويؤدي إلى حدوث انفجار، مثلما حدث مؤخرا في مفاعل فوكوشيما الياباني.
أما ارتفاع درجة الحرارة في قلب المفاعل إلى 2200 درجة مئوية فسيؤدي إلى انصهار أعمدة الوقود النووي. مثلما كان عليه الحال في مفاعل تشرنوبل.
أسوأ سيناريو سيكون إذا لم ينجح الفنيون اليابانيون في تخفيض درجة حرارة قلب المفاعل، ما يعني انصهار أعمدة الوقود، وإذا ما لامست المادة المنصهرة قاع المفاعل فإنها ستنتقل إلى البيئة المحيطة وتؤدي إلى تلوث المياه الجوفية بالإشعاعات أيضا. أما ملامسة المادة المنصهرة إلى الماء المتبقي داخل المفاعل فسيؤدي إلى حدوث انفجار مشابه لانفجار مفاعل تشرنوبل.
عباس الخشالي
مراجعة: هبة الله إسماعيل