المفاعل النووى

المفاعلات النووية عبارة عن منشآت ضخمة يتم فيها السيطرة على عملية الانشطار النووي حيث يتم الاحتفاظ بالأجواء المناسبة لاستمرار عملية الانشطار النووي دون وقوع انفجارات أثناء الأنشطارات المتسلسلة. تستخدم المفاعلات النووية لأغراض خلق الطاقة الكهربائية و تصنيع الأسلحة النووية و إزالة الأملاح والمعادن الأخرى من الماء للحصول على الماء النقي و تحويل عناصر كيميائية معينة إلى عناصر أخرى و خلق نظائر عناصر كيميائية ذات فعالية إشعاعية وأغراض أخرى.
يتكون أي مفاعل نووي من الأجزاء التالية:

1. مركز المفاعل وهو الجزء الذي يتم فيه سلسلة عمليات الانشطار النووي.

2. السائل المتحكم في حرارة المركز ويستعمل الماء عادة للتحكم في سرعة عمليات الانشطار النووي وكواقي من الإشعاع المنبعث من العملية.

3. حاويات تحيط بمركز المفاعل و السائل المتحكم في حرارة المركز لمنع تسرب الإشعاعات الناتجة من الانشطار النووي.

4. محولات حرارية للتحكم في حرارة السائل المتحكم في حرارة المركز.

5. مولدة كهربائية عملاقة.

لغرض تحفيز سلسلة عمليات الانشطار النووي في مركز المفاعل النووي يستعمل ما يسمى بالوقود النووي والتي هي في الغالب اليورانيوم-235 او البلوتونيوم-239 والفكرة تكمن في تحفيز انشطار في أنوية ذرات اليورانيوم-235 او البلوتونيوم-239 لإيصالهما إلى مرحلة ما يسمى الكتلة الحرجة.
لتوضيح مفهوم الكتلة الحرجة تصور أن هناك كرة بحجم قبضة اليد مصنوع من مادة اليورانيوم-235 ، بعد تحفيز أولي لعملية الانشطار النووي بواسطة تسليط حزمة من النيوترون على الكرة سيتولد 2.5 نيترون جراء هذا الانشطار الأول لنواة ذرة اليورانيوم-235 وهذا يكون كافيا لبدأ انشطار ثاني في كل الأجزاء المتكونة من الانشطار الأول و أثناء هذه السلسلة المتعاقبة من الانشطارات في نواة الذرات يفقد الكثير من النيوترونات المتكونة إلى سطح الشكل الكروي ولكن كمية النيوترونات المتكونة في الداخل كافية لإدامة عمليات الانشطار وهنا يأتي دور الكتلة الحرجة التي يمكن تعريفها بالحد الأدنى من كتلة مادة معينة كافية لتحمل سلاسل متعاقبة من الانشطارات.

تعتبر أستراليا ، كازاخستان ، كندا ، جنوب أفريقيا ، البرازيل ، ناميبيا من أكبر الدول المصدرة لليورانيوم وتباع عادة بسعر يتراوح من 80 - 100 دولار للكيلوغرام الواحد وبعد الحصول عليه يتم طحنه وتحويله إلى ما يسمي بالكعكة الصفراء التي يتم تحويلها فيما بعد إلى هيكسافلوريد اليورانيوم uranium hexafluoride ويتم بعد ذلك عملية إخصاب اليورانيوم.


تخصيب اليورانيوم:
عملية التخصيب عبارة عن عزل نظائر عناصر كيميائية محددة Isotope separation من عنصر ما لغرض زيادة تركيز نظائر أخرى للحصول على مادة تعتبر مشبعة بالنظير المطلوب على سبيل المثال عزل نظائر معينة من اليورانيوم الطبيعي للحصول على اليورانيوم المخصب و اليورانيوم المنضب. وتتم عملية التخصيب على مراحل حيث يتم في كل مرحلة عزل كميات أكبر من النظائر الغير مرغوبة حيث يزداد العنصر تخصيبا بعد كل مرحلة لحد الوصول إلى نسبة النقاء المطلوبة.
على سبيل المثال اليورانيوم المخصب عبارة عن يورانيوم تمت زيادة نسبة نظائر اليورانيوم-235 فيه وإزالة النظائر الأخرى. وعملية التخصيب هذه صعبة و مكلفة وتكمن الصعوبة أن النظائر الذي يراد إزالتها من اليورانيوم شبيهة جدا من ناحية الوزن للنظائر الذي يرغب بالإبقاء عليها و تخصيبها ويتم عملية التخصيب باستخدام الحرارة عبر سائل أو غاز لتساهم في عملية عزل النظائر الغير المرغوبة وهناك طرق أخرى أكثر تعقيدا كاستعمال الليزر أو الأشعة الكهرومغناطيسية.

وتبلغ نسبة اليورانيوم-235 الذي يراد تخصيبه من إجمالي ذرة اليورانيوم الطبيعي نسبة 0.7% فقط ولكن هذا الجزء هو المرغوب فيه لكونه اخف من ناحية الكتلة من الأجزاء الأخرى من اليورانيوم الطبيعي . الجزء المتبقي من اليورانيوم الطبيعي بعد استخلاص جزء اليورانيوم-235 يسمى اليورانيوم-238 . تم تخصيب اليورانيوم لأول مرة في الولايات المتحدة بعد الحرب العالمية الثانية حيث تم بناء 3 من المفاعلات النووية في ولايات تينيسي و أوهايو و كنتاكي وكانت الطريقة المستعملة عبارة عن ضخ كميات كبيرة من اليورانيوم على شكل غاز يورانيوم هيكسافلوريد uranium hexafluoride إلى حواجز ضخمة تحوي على ملايين الثقوب الصغيرة جدا وبهذه الطريقة يتم انتشار اليورانيوم-235 (وهو الجزء المطلوب) بسرعة أكبر نسبة إلى اليورانيوم-238 (وهو الجزء الغير مرغوب فيه لكونه أثقل) وتم استغلال الفرق في سرعة الانتشار وجمع كميات هائلة من اليورانيوم-235 وتمتلك الولايات المتحدة يورانيوم مخصب من النوع العالي الخصوبة بنسبة 90%.
الانشطار النووي Nuclear fission هي عملية انشطار نواة ذرة ما إلى قسمين أو أكثر ويتحول بهذه العملية مادة معينة إلى مادة أخرى وينتج عن عملية الانشطار هذه نيوترونات و فوتونات حرة( بالأخص أشعة جاما) ودقائق نووية مثل دقائق ألفا alpha particles ودقائق بيتا beta particles. يؤدي انشطار العناصر الثقيلة إلى تكوين كميات ضخمة من الطاقة المتحركة.
تستعمل عملية الانشطار النووي لتزويد الوقود لمولدات الطاقة النووية وتحفيز انفجار الأسلحة النووية وإذا أمكن إخضاع عنصر ثقيل إلى سلسلة من الأنشطارات النووية فان ذلك سيؤدي إلى تكوين ما يسمى بالوقود النووي ويتم تحفيز هذه السلسلة المتعاقبة من الانشطارات النووية في المفاعلات النووية ويعتبر اليورانيوم-235 و البلوتونيوم - 239 من أكثر أنواع الوقود النووي استعمالا. تبلغ كمية الطاقة الناتجة من كمية معينة من الوقود النووي ملايين أضعاف الطاقة الناتجة من نفس الكمية من البنزين.