يمكننا إنتاج الطاقة الكهربائية بواسطة الطاقة النووية. في محطة الطاقة النووية، يتم إنتاج الطاقة الكهربائية عن طريق التفاعل النووي. هنا، تخضع العناصر المشعة الثقيلة مثل اليورانيوم (U235) أو الثوريوم (Th232) للفيزياء النووية. يتم هذا الانشطار في جهاز خاص يسمى المفاعل.
في عملية الانشطار، تتم كسر نوى الذرات المشعة الثقيلة إلى جزأين متساويين تقريباً. خلال هذه العملية، يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة. هذا الإطلاق للطاقة يعود إلى عيب في الكتلة. وهذا يعني أن الكتلة الكلية للمنتج الأولي ستقل خلال الانشطار. يتم تحويل فقدان الكتلة هذا إلى طاقة حرارية وفقًا للمعادلة الشهيرة التي وضعها ألبرت آينشتاين.
المبدأ الأساسي لمحطة الطاقة النووية هو نفسه مبدأ محطة الطاقة الحرارية التقليدية. الفرق الوحيد هو أن بدلاً من استخدام الحرارة الناتجة عن الاحتراق الفحمي، يتم في محطة الطاقة النووية استخدام الحرارة الناتجة عن الانشطار النووي لإنتاج البخار من الماء في الغلاية. يتم استخدام هذا البخار لتشغيل التوربين البخاري.
هذا التوربين هو المحرك الرئيسي للمولد. ينتج هذا المولد الطاقة الكهربائية. رغم أن توافر الوقود النووي ليس كبيراً، إلا أن كمية صغيرة جداً من الوقود النووي يمكن أن تنتج كمية هائلة من الطاقة الكهربائية.
هذه هي الميزة الفريدة لمحطة الطاقة النووية. كل كيلوغرام من اليورانيوم يعادل 4500 طن متري من الفحم عالي الجودة. وهذا يعني أن الانشطار الكامل لكيلوغرام واحد من اليورانيوم يمكن أن ينتج نفس كمية الحرارة التي يمكن أن تنتجها الاحتراق الكامل لـ 4500 طن متري من الفحم عالي الجودة.
لهذا السبب، رغم أن الوقود النووي أغلى بكثير، فإن تكلفة الوقود النووي لكل وحدة من الطاقة الكهربائية لا تزال أقل من تكلفة الطاقة المنتجة بواسطة الوقود الأخرى مثل الفحم والديزل. لمواجهة أزمة الوقود التقليدية في العصر الحالي، يمكن أن تكون محطات الطاقة النووية البديل الأكثر ملاءمة.
كما قلنا، استهلاك الوقود في هذه المحطة منخفض جداً وبالتالي، فإن تكلفة إنتاج وحدة واحدة من الطاقة أقل بكثير من الطرق التقليدية لإنتاج الطاقة. الكمية المطلوبة من الوقود النووي أيضاً أقل.
تحتل محطة الطاقة النووية مساحة أصغر بكثير مقارنة بمحطات الطاقة التقليدية ذات السعة نفسها.
لا تتطلب هذه المحطة الكثير من الماء، ولذلك ليس من الضروري بناء المحطة بالقرب من المصادر الطبيعية للمياه. كما أنها لا تتطلب كمية كبيرة من الوقود، وبالتالي ليس من الضروري بناء المحطة بالقرب من منجم فحم أو مكان يتوفر فيه وسائل النقل الجيدة. بسبب ذلك، يمكن إنشاء محطة الطاقة النووية بالقرب من مركز الأحمال.
هناك إيداعات كبيرة من الوقود النووي على مستوى العالم، لذلك يمكن لهذه المحطات ضمان إمداد مستمر للطاقة الكهربائية لألفيات قادمة.
الوقود غير متاح بسهولة وهو غالي الثمن.
تكلفة بناء محطة الطاقة النووية عالية جداً في البداية.
إنشاء وتعمير هذه المحطة أكثر تعقيداً وتطوراً من محطات الطاقة التقليدية الأخرى.
منتجات الانشطار نشطة راديويًا وقد تسبب تلوثًا راديويًا عاليًا.
تكلفة الصيانة أعلى والقوى العاملة اللازمة لتشغيل محطة الطاقة النووية أكبر بكثير لأن الأشخاص المدربين المتخصصين مطلوبون.
لا يمكن للمحطات النووية التعامل بكفاءة مع التقلبات المفاجئة للأحمال.
نظرًا لأن منتجات التفاعلات النووية نشطة راديويًا للغاية، فإن التخلص منها مشكلة كبيرة. يمكن التخلص منها فقط داخل الأرض العميق أو في البحر بعيدًا عن الشاطئ.
تحتوي محطة الطاقة النووية بشكل أساسي على أربع مكونات.
المفاعل النووي
مبادل الحرارة
التوربين البخاري
المولد الكهربائي
لنناقش هذه المكونات واحدة تلو الأخرى:
في المفاعل النووي، يتم خضوع اليورانيوم 235 للانشطار النووي. يتحكم في سلسلة التفاعل التي تبدأ عند حدوث الانشطار. يجب السيطرة على سلسلة التفاعل وإلا سيكون معدل إطلاق الطاقة سريعًا وقد يكون هناك احتمال كبير للانفجار. في الانشطار النووي، يتم قصف نوى الوقود النووي مثل U235 بواسطة تدفق بطيء من النيوترونات. نتيجة لهذا القصف، تنكسر نوى اليورانيوم مما يسبب إطلاق كمية هائلة من الطاقة الحرارية وأثناء انكسار النوى، يتم إصدار عدد من النيوترونات أيضًا.
يُطلق على هذه النيوترونات المنبعثة اسم النيوترونات الانشطارية. تسبب هذه النيوترونات الانشطارية المزيد من الانشطار. ينتج المزيد من الانشطار المزيد من النيوترونات الانشطارية والتي تسريع سرعة الانشطار مرة أخرى. هذا هو عملية تراكمية.
إذا لم يتم التحكم في العملية، فسوف يصبح معدل الانشطار عاليًا جدًا في وقت قصير جدًا ويطلق كمية هائلة من الطاقة وقد يحدث انفجار خطير. يُطلق على هذه العملية التراكمية اسم سلسلة التفاعل. يمكن التحكم في سلسلة التفاعل هذه فقط بإزالة النيوترونات الانشطارية من المفاعل النووي. يمكن التحكم في سرعة الانشطار بتغيير معدل إزالة النيوترونات الانشطارية من المفاعل.
المفاعل النووي هو وعاء ضغط أسطواني الشكل. تصنع قضبان الوقود من الوقود النووي أي اليورانيوم ويتم تغطية القضبان بالجرافيت الذي يعمل كمعدل عادة. يبطئ المعدل النيوترونات قبل الاصطدام بنوى اليورانيوم. تصنع قضبان التحكم من الكادميوم لأنه ممتص قوي للنيوترونات.
تُدخل قضبان التحكم في غرفة الانشطار. يمكن دفع هذه القضبان الكادميوم للأسفل والسحب لأعلى حسب الحاجة. عندما يتم دفع هذه القضبان للأسفل بما يكفي، يتم امتصاص معظم النيوترونات الانشطارية بواسطة هذه القضبان، وبالتالي يتوقف سلسلة التفاعل. مرة أخرى، بينما يتم سحب قضبان التحكم لأعلى، يصبح توفر النيوترونات الانشطارية أكبر مما يزيد معدل سلسلة التفاعل.
لذلك، من الواضح أنه من خلال ضبط موقع قضبان التحكم، يمكن التحكم في معدل التفاعل النووي وبالتالي يمكن التحكم في إنتاج الطاقة الكهربائية وفقًا لطلب الحمل. في الممارسة العملية، يتم التحكم في دفع وسحب قضبان التحكم بواسطة نظام رد فعل تلقائي حسب الحاجة. وليس التحكم يدويًا. يتم نقل الحرارة المنبعثة أثناء التفاعل النووي إلى مبدل الحرارة بواسطة مبرد يتكون من صوديوم.
في مبدل الحرارة، يتم تبديد الحرارة المنقولة بواسطة صوديوم المعدن في الماء ويتم تحويل الماء إلى بخار عالي الضغط هنا. بعد إطلاق الحرارة في الماء، يعود صوديوم المبرد إلى المفاعل بواسطة مضخة تدوير المبرد.
في محطة الطاقة النووية، يقوم التوربين البخاري بنفس الدور كما في محطة الطاقة الفحمية. يدفع البخار التوربين بنفس الطريقة. بعد القيام بعمله، يأتي البخار المستنفذ إلى مكثف البخار حيث يتم تكثيفه لتوفير مساحة للبخار خلفه.
المولد الكهربائي، المرتبط بالتوربين، يدور ويولد الطاقة الكهربائية للاستخدام. يتم تسليم الإخراج من المولد الكهربائي إلى القض
