الطاقة النووية هي نوع من الطاقة يتم توليدها من نوى الذرات، وهي طاقة كامنة داخل النواة التي تجمع البروتونات والنيوترونات معاً بقوى نووية قوية. تعتبر هذه الطاقة من أكثر أنواع الطاقة كثافة وقوة، حيث يمكن إطلاق كميات هائلة منها من خلال تحولات نووية محددة مثل الانشطار أو الاندماج النووي. تُستخدم الطاقة النووية في عدة مجالات تشمل توليد الكهرباء، الطب، الصناعة، والبحث العلمي، وتمثل أحد المصادر الحيوية للطاقة في العديد من دول العالم.
تعريف الطاقة النووية
الطاقة النووية هي الطاقة التي تتحرر نتيجة التفاعلات داخل نواة الذرة، وليس من خلال التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الغلاف الإلكتروني للذرة. وتتمثل هاتان الطريقتان الرئيسيتان لإطلاق الطاقة النووية في الانشطار النووي والاندماج النووي. في الانشطار النووي، تنقسم نواة ذرة ثقيلة إلى نواتين أو أكثر أخف وزناً مع إطلاق طاقة كبيرة، بينما في الاندماج النووي، تتحد نواتان خفيفتان لتكوين نواة أثقل مع انبعاث طاقة هائلة.
أساسيات الفيزياء النووية للطاقة النووية
يبدأ فهم الطاقة النووية بدراسة تركيب الذرة، التي تتكون من نواة مركزية تحوي البروتونات الموجبة الشحنة والنيوترونات المتعادلة الشحنة، محاطة بسحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة. بالرغم من أن الإلكترونات تتحرك في مستويات طاقة مختلفة حول النواة، إلا أن الطاقة النووية تكمن في قوى الربط التي تجمع البروتونات والنيوترونات داخل النواة.
قوة الربط النووي هي أقوى القوى التي تعمل داخل الذرة، وهي المسؤولة عن استقرار النواة. عندما تتعرض النواة لتفاعلات معينة، يمكن لهذه القوى أن تتحرر في صورة طاقة هائلة. هذه الطاقة تكون أكبر بكثير من الطاقة التي تُطلق في التفاعلات الكيميائية مثل احتراق الوقود الأحفوري.
الانشطار النووي
الانشطار النووي هو العملية التي تنقسم فيها نواة ذرة ثقيلة مثل اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239 إلى نواتين متوسطتي الحجم، مع إطلاق عدد من النيوترونات والطاقة على شكل حرارة وإشعاع. هذه الحرارة تُستخدم عادة لتسخين الماء وتحويله إلى بخار يدير توربينات توليد الكهرباء في محطات الطاقة النووية.
تبدأ عملية الانشطار عندما يصطدم نيوترون حر بنواة ذرة اليورانيوم-235، فتتسبب في عدم استقرار النواة وانشطارها. النيوترونات الناتجة قد تصطدم بنوى ذرات أخرى، مما يؤدي إلى سلسلة انشطارية متواصلة تسمى “السلسلة الانشطارية”. تتحكم محطات الطاقة النووية في هذه السلسلة باستخدام مواد ماصة للنيوترونات مثل البورون أو الكادميوم لضبط معدل التفاعل.
الاندماج النووي
الاندماج النووي هو عملية دمج نواتين خفيفتين، مثل نظائر الهيدروجين (الديوتيريوم والتريتيوم)، لتكوين نواة أثقل مع إطلاق كمية طاقة أكبر بكثير من الانشطار النووي. هذه العملية هي مصدر طاقة النجوم، بما في ذلك الشمس، حيث تندمج نوى الهيدروجين لتكوين الهيليوم مع انبعاث ضخم للطاقة.
حتى الآن، يظل تحقيق اندماج نووي مستقر وقابل للاستثمار على الأرض تحدياً علمياً وتقنياً كبيراً، رغم أن التجارب والمشاريع البحثية مثل مفاعل “ITER” تسعى لتحقيق ذلك بهدف الحصول على مصدر طاقة نظيف وغير محدود مستقبلاً.
استخدامات الطاقة النووية
1. توليد الكهرباء
أكثر استخدامات الطاقة النووية شيوعاً هو توليد الكهرباء في محطات الطاقة النووية. تعتمد هذه المحطات على الانشطار النووي لتسخين الماء وتحويله إلى بخار، والذي يدير التوربينات لتوليد الطاقة الكهربائية. توفر الطاقة النووية جزءاً كبيراً من احتياجات الكهرباء في العديد من الدول نظراً لكفاءتها العالية وانخفاض الانبعاثات الكربونية مقارنة بالوقود الأحفوري.
2. الطب النووي
تستخدم الطاقة النووية في الطب لتشخيص وعلاج الأمراض. تُستخدم النظائر المشعة في التصوير الطبي مثل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) والتصوير بالأشعة السينية. كما تُستخدم في علاج السرطان عبر العلاج الإشعاعي الذي يستهدف الخلايا السرطانية دون الإضرار الكبيرة بالخلايا السليمة.
3. الصناعة والزراعة
تستخدم النظائر المشعة في تعقيم الأدوات الطبية، وتحسين جودة المنتجات الزراعية، ومكافحة الآفات، وكذلك في فحص جودة المواد الصناعية بواسطة تقنيات الكشف غير المدمر. كما تساهم الطاقة النووية في تحلية مياه البحر باستخدام الطاقة الحرارية الناتجة عن التفاعلات النووية.
مزايا الطاقة النووية
-
كفاءة عالية للطاقة: الطاقة النووية تنتج كميات هائلة من الطاقة من كمية صغيرة جداً من الوقود، مقارنة بالوقود الأحفوري.
-
انخفاض الانبعاثات الكربونية: لا تنتج المحطات النووية غازات دفيئة أثناء توليد الكهرباء، مما يساعد في مكافحة التغير المناخي.
-
استمرارية الإمداد: الطاقة النووية توفر إمداداً مستقراً للطاقة، غير معتمد على الظروف الجوية كما هو الحال في الطاقة الشمسية أو الريحية.
-
توفير الطاقة بكميات كبيرة: محطات الطاقة النووية قادرة على توليد كميات ضخمة من الكهرباء تناسب احتياجات المدن والمناطق الصناعية.
تحديات ومخاطر الطاقة النووية
رغم المزايا الكبيرة للطاقة النووية، فإنها تواجه عدة تحديات ومخاطر يجب إدارتها بحذر:
-
النفايات المشعة: المخلفات الناتجة عن الانشطار النووي تحتوي على مواد مشعة خطيرة تدوم لعقود وحتى آلاف السنين، وتتطلب إدارة آمنة وتخزيناً بعيد المدى لمنع التلوث.
-
الحوادث النووية: حوادث مثل تشرنوبل (1986) وفوكوشيما (2011) أظهرت المخاطر الكبيرة التي قد تنتج عن سوء إدارة المحطات أو الكوارث الطبيعية، مع آثار صحية وبيئية كبيرة.
-
انتشار الأسلحة النووية: التكنولوجيا النووية يمكن أن تستخدم في إنتاج أسلحة دمار شامل، مما يثير مخاوف أمنية دولية ويستلزم رقابة صارمة.
-
التكلفة الاستثمارية العالية: إنشاء محطات الطاقة النووية يتطلب استثمارات ضخمة في البنية التحتية والأنظمة الأمنية، مما قد يعيق تطوير هذه التقنية في بعض الدول.
الطاقة النووية والبيئة
تعتبر الطاقة النووية خياراً صديقاً للبيئة بالمقارنة مع الوقود الأحفوري، حيث أنها لا تنتج انبعاثات ثاني أكسيد الكربون التي تسبب الاحتباس الحراري. ومع ذلك، فإن مخاطر الإشعاع النووي وإدارة النفايات تشكل تحديات بيئية كبيرة. لذلك، تسعى العديد من الدول لتطوير تقنيات أكثر أماناً مثل المفاعلات الجديدة التي تستخدم وقوداً نووياً أقل خطورة أو تلك التي تعتمد على الاندماج النووي في المستقبل.
مستقبل الطاقة النووية
يمر قطاع الطاقة النووية بتطورات متسارعة، مع اهتمام متزايد بمحطات الجيل الرابع التي تهدف إلى زيادة الكفاءة والسلامة وتقليل النفايات النووية. كما تُجرى أبحاث مكثفة على الاندماج النووي كمصدر طاقة نظيف وآمن لا ينبعث منه نفايات مشعة خطيرة.
تتجه بعض الدول أيضاً إلى تطوير مفاعلات نووية صغيرة الحجم (SMRs) التي تتميز بمرونة أكبر في التركيب والتشغيل، مما يجعلها مناسبة لتزويد المناطق النائية والطاقة الصناعية الصغيرة.
جدول يوضح الفرق بين الانشطار النووي والاندماج النووي
| الخاصية | الانشطار النووي | الاندماج النووي |
|---|---|---|
| تعريف العملية | انقسام نواة ذرة ثقيلة إلى نوى أصغر | اتحاد نوى ذرتين خفيفتين لتكوين نواة أثقل |
| نوع الوقود | يورانيوم-235، بلوتونيوم-239 | نظائر الهيدروجين (الديوتيريوم والتريتيوم) |
| كمية الطاقة المنبعثة | كمية كبيرة، ولكن أقل من الاندماج | كمية هائلة تفوق الانشطار |
| الاستخدام الحالي | توليد الكهرباء، الأسلحة النووية | تجريبات وأبحاث، مستقبل الطاقة النظيفة |
| المخلفات الناتجة | نفايات مشعة طويلة الأمد | نفايات أقل خطورة أو شبه معدومة |
| درجة الحرارة المطلوبة | حرارة معتدلة نسبياً | درجات حرارة عالية جداً (ملايين الدرجات) |
| مستوى الأمان | يتطلب تدابير صارمة لمنع الحوادث | تحديات تقنية كبيرة لتحقيق الاستقرار |
الخلاصة
تمثل الطاقة النووية واحدة من أكثر مصادر الطاقة كفاءة وقوة، حيث تقدم بديلاً مهماً لمصادر الطاقة التقليدية التي تضر بالبيئة. تعتمد على فيزياء الذرة في إطلاق طاقة هائلة من خلال الانشطار أو الاندماج النووي، وتستخدم في مجالات متعددة كالكهرباء والطب والصناعة. رغم التحديات والمخاطر المصاحبة لها، تبقى الطاقة النووية ركيزة أساسية في استراتيجيات الطاقة العالمية مع استمرار الأبحاث لتطوير تقنيات أكثر أماناً وكفاءة، خصوصاً في ظل الحاجة المتزايدة لمصادر طاقة مستدامة ونظيفة.
المصادر والمراجع
-
كتاب “الفيزياء النووية والطاقة”، تأليف د. أحمد إبراهيم، دار المعرفة العلمية، 2018.
-
تقرير الوكالة الدولية للطاقة الذرية (IAEA) حول الطاقة النووية، 2022.
