ما هي كيمياء الوقود النووي

2 إجابتان

يُسمى الوقود الذي يُستخدم للحفاظ على تسلسل التّفاعل النوّوي ضمن المفاعلات بالوقود النوّوي، ولهذا الوقود خاصيّةٌ هامةٌ فهو قابلٌ للإنشطار ومن أكثر أنواعه الشّائعة هي المعادن المشعة مثل: ( اليورانيوم 235 و البلوتونيوم 239 )، وتمثل دورة الوقود النووي كافة العمليّات التي تتم من خلالها الحصول على الوقود وتنقيحه واستخدامه، حيث تقوم محطات صناعة الوقود بتصنيع الوقود النوّوي ويتم ذلك عن طريق تحويل اليورانيوم المخصب إلى وقودٍ للمفاعلات النوّوية بعدة طرقٍ وأشكال:

  • كما في مفاعلات الماء الخفيف يتم استبدال اليورانيوم على شكلٍ صلبٍ من مصنع التخصيب حيث يُحَولُ إلى غاز كمرحلةٍ أولى ومن ثمّ يُحول كيميائيًّا إلى مسحوق ثاني أكسيد اليورانيوم وبعد ذلك يُضغط المسحوق على شكل حبيباتٍ ويُعبأ في مجموعات الوقود.
  • أيضًا تتم صناعة الوقود من خلال تعبئة مسحوق اليورانيوم مع أكسيد البلوتونيوم ويشكل ذلك أكسيدًا مختلطًا.

وتتمثل دورة تصنيع الوقود النووي بعدة خطوات وهي:

في البداية يُستخرج اليورانيوم من خلال طرقٍ تقليديّةٍ أو عن طريق عملية التعدين في مواقع تواجده فيتم ضخ المياه الغازية لتصل إلى تحت الأرض وتحمل الرواسب الموجودة معها وتوصلها إلى السطح، وعادةً ما يُستخرج من كازاخستان وكندا وأستراليا وأيضًا من الولايات المتحدة.

بعد عملية استخراج اليورانيوم وقبل إدخاله للمفاعلات يخضع لخطوات معالجة رئيسيّة لتحويله من العنصر الخام إلى الوقود النووي الذي يحتاجه المفاعل وتتمثل تلك الخطوات بـ: (التعدين – الطحن – التحويل – التخصيب – تصنيع الوقود).

ويتمّ تحويل اليورانيوم الطبيعي إلى أكثر من شكلٍ لكي يُخصب، حيث تعمل منشآت تخصيب اليورانيوم على إجراء هذه العملية وإعداده ليتمّ استخدامه في المفاعلات النووية وتتواجد أغلب هذه المنشآت بشكلٍ رئيسيٍّ في الولايات المتحدة وفرنسا وألمانيا وروسيا وهولندا.

وبعد تلك الخطوات يُحول اليورانيوم المخصب إلى مسحوق والذي بدوره يُضغط على شكل حبيبات الوقود ويُحمل ضمن مجموعاتٍ من الأنابيب المعدنيّة المستخدمة في التفاعلات والتي تدعى بتجمعات الوقود.

يُنتج الوقود النووي المستخدم في التفاعلات النوّوية بعدة أشكال مختلفة فإمّا أن يكون معدناً أو سبيكةً أو نوعاً من أنواع الأكاسيد ولكن أغلب المفاعلات تستخدم نوع ثاني أكسيد اليورانيوم والذي يُجمع ويُدخل ضمن المفاعل النووي ويمكنه البقاء لعدة أشهرٍ وفي بعض الحالات لعدة سنوات، وفي حال استعماله فإنّ الوقود تطرأ عليه عملية الإنشطار النووي وإطلاق الطاقة والتي تستخدم في توليد الكهرباء، حيث تبقى الطاقة مستمرةً نتيجة قيام النيوترونات المنبعثة من عملية الإنشطار بتفاعل سلسلة انشطار، ويتمّ التخلص من الوقود النووي وإزالته من المفاعلات بعد خضوعه لعملية الإنشطار سواءً كان الوقود هو اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم 239، ويكون الوقود المستخرج ساخنًا جدًا لذلك يُبرد لعدة سنواتٍ بوضعه ضمن بركة ماءٍ عميقةٍ والتي تلعب دور المبرد فيقوم لإزالة حرارة الإضمحلال وتوفير الحماية من النشاط الإشعاعي ويسمى هذا الوقود بالمُشع أو المستهلَك، وبعد عملية التبريد يصبح من الممكن إعادة استخدامه أو إرساله إلى التخزين وذلك بحسب وضعه، حيث يُخزن في حاوياتٍ كبيرةٍ مُصنعةٍ من الخرسانة المسلحة بالفولاذ.

وللوقود النووي مزايا عدة منها:

  • يملك قدراتٍ إنتاجيّةٍ كبيرة في توليد الطاقة.
  • لدى اليورانيوم 235 قابليّة لإعادة الإستخدام بعد المعالجة فهو لايحترق بشكلٍ كامل.
  • تقليل انبعاث غاز ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي.

أكمل القراءة

يُعرف الوقود النووي على أنّه الوقود الذي يُستخدم في المفاعلات النووية للمحفاظة على التفاعل النووي متسلسلًا. هذه الأنواع من الوقود قابلة للانشطار، وأكثر أنواع الوقود النووي شيوعًا هي الفلزات المشعة مثل اليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239، في حين تشكل جميع العمليات بدءًا من الحصول على الوقود إلى تكريره واستخدامه دورة تعرف باسم دورة الوقود النووي.

يعتبر اليورانيوم النوع الأكثر استخدامًا في للمفاعلات النووية، إذ تتم عملية استخراجه وتكريره وتخصيبه قبل تحميله في المفاعل، ويمكن العثور عليه في العديد من الأماكن حول العالم، ولكن ينتج أكثر من 85٪ من اليورانيوم في ست بلدان هم كازاخستان وكندا وأستراليا وناميبيا والنيجر وروسيا.

في قديم الزمان، كانت المناجم التقليدية هي المصدر الرئيسي لليورانيوم، أي فتح حفرة في الأرض أو تحتها، لكن بعد التعدين أصبحت العملية أكثر تعقيدًا إذ يسحق اليورانيوم الخام في مطحنة ثمّ يُضاف له الماء لإنتاج ملاط ​​من جزيئات الخام الدقيقة والمواد الأخرى، ومن ثمّ يرشح الملاط بحمض الكبريتيك أو محلول قلوي لإذابة اليورانيوم تاركًا الصخور المتبقية والمعادن الأخرى دون حل. لكن أكثر من نصف مناجم اليورانيوم في العالم تستخدم الآن طريقة تسمى الترشيح في الموقع، حيث يتم التعدين دون أي اضطراب أرضي كبير، إذ يحقن الماء بالأوكسجين أو بالمواد القلوية أو الحمض أو أي محلول مؤكسد آخر ليخلط مع اليورانيوم الخام، ثمّ يُضخ محلول اليورانيوم بعد ذلك إلى السطح، ثم يفصل محلول اليورانيوم من المناجم ويصفى ويجفف لإنتاج مركز أكسيد اليورانيوم المعروف باسم “الكعكة الصفراء”، وهي أولى الخطوات في إنتاج الطاقة النووية.

تستخدم الغالبية العظمى من مفاعلات الطاقة النووية نظير اليورانيوم 235 كوقود الذي لا تتعدَ تركيزاته 0.7٪ من اليورانيوم الطبيعي المستخرج، وبالتالي يجب زيادة هذه التراكيز من خلال عملية تسمى التخصيب. تؤدي هذه العملية إلى زيادة تركيز اليورانيوم 235 من 0.7٪ إلى ما بين 3٪ و 5٪ وهو المستوى المستخدم في معظم المفاعلات، حيث تزود قلة من المفاعلات باليورانيوم الطبيعي الذي لا يحتاج إلى تخصيب، مثل مفاعل CANDU الموجود من كندا.

تتطلب عملية التخصيب أن يكون اليورانيوم على شكل غاز، لذا يحقق ذلك من خلال عملية تسمى التحويل، حيث يحول أكسيد اليورانيوم إلى سداسي فلوريد اليورانيوم وهو غاز عند درجات الحرارة المنخفضة نسبيًا، وينقل اليورانيوم المخصب إلى مصنع لتصنيع الوقود حيث يحول إلى مسحوق ثاني أكسيد اليورانيوم، ثمّ يضغط هذا المسحوق لتشكيل حبيبات وقود صغيرة ومن ثمّ يسخن للحصول على مادة خزفية صلبة، وتدخل الحبيبات لاحقًا في أنابيب رفيعة تُعرف باسم قضبان الوقود، والتي تجمع بعد ذلك معًا لتشكيل مجموعات الوقود. ويتراوح عدد قضبان الوقود المستخدمة في صنع كل مجموعة وقود من حوالي 90 إلى أكثر من 200، اعتمادًا على نوع المفاعل، بمجرد تحميل الوقود ضمن المفاعل يبقى هناك لعدة سنوات.

كيمياء الوقود النووي

أثناء وجود الوقود في المفاعل يخضع للانشطار النووي ليطلق الطاقة التي تستخدم لتوليد الكهرباء، إذ تسمح النيوترونات المنبعثة أثناء عملية الانشطار بحدوث تفاعل تسلسلي انشطاري، مما يسمح بتوليد الطاقة بشكل مستمر.

يتم إزالة الوقود من المفاعل بعد أن تخضع كميات كبيرة من الوقود للانشطار، ويُعرف الوقود النووي المستعمل بالوقود المستهلك أو المشع الذي يحتاج لتبريد لبضع سنوات لأنه ساخن للغاية، لذا يجمع في برك كبيرة وعميقة من المياه تعمل كمبرد ودرع وافي من الإشعاع، بعد التبريد يمكن إعادة استخدام الوقود مجددًا.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هي كيمياء الوقود النووي"؟