فهم تشغيل مفاعلات الذرة

في صميم إنتاج الطاقة الحديثة، يقوم مفاعل الذرة أو المفاعل النووي بتسخير قوة الانشطار النووي. في هذا المقال سنشرح ما هو مفاعل الذرة، وكيف يعمل، ولماذا يُعد عنصرًا حيويًا في توليد الكهرباء والتطبيقات الأساسية الأخرى.

النقاط الرئيسية

• مفاعل الذرة، المعروف أيضًا بالمفاعل النووي، يطلق ويتحكم في تفاعل انشطار نووي متسلسل لتوليد الكهرباء وإنتاج النظائر لاستخدامات متنوعة.

• بدأ تطوير المفاعلات النووية في ثلاثينيات القرن الماضي، وبلغ ذروته بإنشاء أول مفاعل ناجح “شيكاغو بايل-1” عام 1942 الذي حقق أول تفاعل نووي متحكم به.

• تحتوي المفاعلات النووية الحديثة على أنظمة أمان متعددة مثل هياكل الاحتواء وآليات التغذية الراجعة التفاعلية لضمان التشغيل الآمن وتقليل مخاطر الحوادث.

ما هو مفاعل الذرة؟

المفاعل النووي مصمم لبدء والتحكم في سلسلة من التفاعلات النووية عبر عملية الانشطار. في هذه العملية، تُقسم نوى العناصر الثقيلة مثل اليورانيوم أو البلوتونيوم إلى أجزاء أصغر، مطلقة كميات هائلة من الطاقة. تُستخدم هذه الطاقة لتسخين المياه وتحويلها إلى بخار يدير التوربينات لتوليد الكهرباء.

تُستخدم المفاعلات النووية أيضًا لأغراض أخرى غير توليد الطاقة مثل البحث العلمي وإنتاج النظائر المشعة التي تُستخدم في الطب والصناعة. فهي تلعب دورًا أساسيًا في تقدم العلوم وتحسين الرعاية الصحية.

التطور التاريخي لمفاعلات الذرة

بدأت فكرة المفاعل النووي في ثلاثينيات القرن العشرين من خلال مشروع “مانهاتن” الأمريكي السري الذي سعى لاستغلال الانشطار الذري كمصدر للطاقة.

شارك في هذا المشروع علماء بارزون مثل إنريكو فيرمي وليو زيلارد ويوجين ويجنر وآرثر كومبتون.

في 2 ديسمبر 1942، حقق مفاعل شيكاغو بايل-1 أول تفاعل انشطار نووي متحكم به في التاريخ، مما شكّل نقطة تحول كبرى في مجال الطاقة الذرية.

بعد الحرب العالمية الثانية، تحول الاهتمام إلى الاستخدامات السلمية للطاقة النووية، وأُسس مختبر أرغون الوطني عام 1954 لتطوير تطبيقات غير عسكرية للطاقة الذرية. ومنذ ذلك الوقت، أصبحت المفاعلات النووية تُسهم بنحو 10% من إنتاج الكهرباء في العالم.

كيف يعمل مفاعل الذرة؟

في قلب المفاعل النووي تحدث عملية الانشطار النووي، حيث تنقسم نواة الذرة إلى أجزاء أصغر مطلقة طاقة حرارية كبيرة. تُستخدم قضبان الوقود التي تحتوي على كريات اليورانيوم داخل قلب المفاعل للحفاظ على سلسلة التفاعلات المتتابعة.

يتم التحكم في هذه التفاعلات بواسطة قضبان التحكم التي تمتص النيوترونات لتثبيت معدل الانشطار ومنع الارتفاع المفاجئ في الطاقة.

تُستخدم الحرارة الناتجة لتسخين المياه وتحويلها إلى بخار يُدير التوربينات، محولًا الطاقة النووية إلى كهرباء.

المكونات الرئيسية لمفاعل الذرة

قلب المفاعل

هو الجزء الذي تتم فيه عملية الانشطار النووي. يحتوي على قضبان وقود من أكسيد اليورانيوم تُرتب داخل هياكل معدنية. يُستخدم الماء أو الجرافيت كمهدئ لتقليل سرعة النيوترونات وزيادة كفاءة التفاعل.

أنظمة التبريد

تعمل أنظمة التبريد على امتصاص الحرارة من قلب المفاعل لمنع ارتفاع درجة الحرارة. في مفاعلات الماء المضغوط (PWR)، يُستخدم الماء لتبريد المفاعل ونقل الحرارة إلى مولد البخار لإنتاج بخار يدير التوربينات.

هياكل الاحتواء

تُبنى هياكل احتواء قوية من الفولاذ والخرسانة حول المفاعل لمنع تسرب المواد المشعة في حال وقوع حادث طارئ. وهي عنصر أساسي في نظام الأمان النووي.

أنواع مفاعلات الذرة

مفاعلات الماء المضغوط (PWR)

هي أكثر أنواع المفاعلات النووية استخدامًا في العالم. تستخدم الماء كمهدئ ومبرد في الوقت نفسه، ويتم الحفاظ على ضغط مرتفع يمنع غليان الماء داخل قلب المفاعل، مما يزيد من كفاءة نقل الحرارة.

مفاعلات الماء المغلي (BWR)

في هذا النوع، يُغلى الماء داخل وعاء المفاعل نفسه لتكوين البخار الذي يدير التوربينات مباشرة. يعمل بضغط أقل مقارنة بـ PWR ويتميز ببنية أبسط.

المفاعلات الصغيرة المعيارية (SMR)

تُعد المفاعلات الصغيرة المعيارية أحدث تطور في التكنولوجيا النووية. تمتاز بحجمها الصغير وكفاءتها العالية وسهولة تركيبها وصيانتها، كما يمكن استخدامها لتزويد المناطق النائية بالطاقة.

تطبيقات مفاعلات الذرة

تُستخدم المفاعلات النووية في العديد من المجالات:

• توليد الكهرباء عن طريق الانشطار النووي.
• إنتاج النظائر المشعة لاستخدامها في الطب، مثل علاج السرطان والتشخيص الطبي.
• تشغيل السفن والغواصات النووية لتوفير طاقة دائمة.
• إجراء الأبحاث العلمية وإنتاج النظائر الصناعية.
• تحلية المياه في المناطق التي تعاني من نقص الموارد المائية.

إجراءات السلامة في مفاعلات الذرة

تُعتبر السلامة أولوية قصوى في تشغيل المفاعلات النووية. تُستخدم أنظمة أمان متعددة مثل هياكل الاحتواء وأجهزة التحكم الأوتوماتيكية التي تقلل الطاقة عند أي خلل في التبريد.

تساهم أجهزة مثل Milerd HiStand في مراقبة مستويات الإشعاع باستمرار وتنبيه المستخدم عند تجاوز الحدود الآمنة، مما يحمي الأفراد والبيئة من الأخطار الإشعاعية.

مستقبل مفاعلات الذرة

يبدو مستقبل المفاعلات النووية واعدًا، حيث يُتوقع أن يرتفع إنتاج الطاقة النووية عالميًا بشكل كبير بحلول عام 2050 لتحقيق الحياد الكربوني. تعمل أكثر من ثلاثين دولة حاليًا على تشغيل محطات نووية تمثل حوالي 10% من إجمالي إنتاج الكهرباء في العالم.

تلعب المفاعلات الصغيرة المعيارية (SMR) دورًا محوريًا في هذا النمو، نظرًا لميزاتها في الكفاءة والتكلفة والأمان.

Milerd HiStand: ضمان السلامة الشخصية بالقرب من المفاعلات

يُعد Milerd HiStand جهازًا حديثًا لقياس الإشعاع مصممًا لضمان سلامة الأفراد في محيط المفاعلات النووية. يتميز بمتانته ومقاومته للماء والصدمات، ويحتوي على لوح شمسي للشحن الذاتي مما يجعله صديقًا للبيئة وطويل الأمد.

يُراقب الجهاز مستويات الإشعاع باستمرار ويُخزن البيانات اليومية لمدة شهر كامل، مما يُتيح تتبع التعرض الإشعاعي بدقة عالية.

الخلاصة

تمثل المفاعلات النووية أدوات قوية غيّرت مشهد إنتاج الطاقة والبحث العلمي والتطبيقات الطبية. ومنذ نشأتها في مشروع مانهاتن إلى استخدامها الحالي في توليد الكهرباء، أثبتت أنها من أكثر التقنيات تأثيرًا في تاريخ البشرية. ومع التطور المستمر في تصميم المفاعلات وتعزيز معايير الأمان، ستظل الطاقة الذرية ركيزة أساسية في مستقبل الطاقة المستدامة على كوكبنا.