الوقود النووي

سوف نستعرض هنا بعض النقنيات المتعلقة بهذا الموضوع. تنال الطاقة النووية الاهتمام الواسع بسبب جدواها الاقتصادية العالية. إن استهلاك جرام واحد من اليورانيوم - 235 يعطي كمية من الطاقة الكهربية قدها 7.5 ميجاوات. ساعة وهذا يعادل الطاقة الناتجة عن 13 برميل من البترول أو ثلاثة أطنان من الفحم.

وعند استخلاص اليورانيوم فإننا نجد أن اليورانيوم الناتج يأخذ ثلاثة أشكال حسب التركيب البلوري له. وبين الشكل (1) هذه الأطوار Phases الثلاثة لليورانيوم. عندما يبدأ اليورانيوم في التجمد بأخذ طور - γ الذي هو عبارة عن البلورة المكعبة المعتادة. يكون طرياً في هذا الطور عند درجات الحرارة هذه ويمكن تشكيله بسهولة. وعندما تصل درجة الحرارة إلى 764 C فإنه يتحول إلى طور و الذي نبين تركيبه البلوري في الشكل (2). وفي هذا الطور يصبح اليورانيوم أكثر صلابة من طوريه α, γ عندما تصل درجة الحرارة إلى C 663 فإن اليورانيوم يأخذ طور α. الذي نبينه في الشكل (3).

الشكل (1)

الشكل (2)

الشكل (3)

يبين الشكل (4) عمليات تحضير UF₆ من U₃O₈. أما في الشكل (5). فإننا نبين عمليات تحضير ثاني أكسيد اليورانيوم UO₂ من UF₆ . حيث يتم تحضير حبيبات الوقود التي تعبأ وتصنع على شكل عنصر وقود. وتنتشر خامات اليورانيوم في دول كثيرة. ونبين في الجدول (1) مصادر اليورانيوم لكل 1000 طن من اليورانيوم حيث نبين الاحتياط المؤكد Reasonably Assured Reserves والاحتياط المتوقع Estimated additional Reserves لقد صنفت هذه الاحتياطات حسب تكاليف استخلاص اليورانيوم التي تتضمن تكاليف التنقيب المباشر وعمليات التنقية وثمن وحدة الإنتاج. وتتراوح هذه التكاليف بين 80 – 138

الشكل (4)

دولار أمريكي لكل كيلوجرام من اليورانيوم المستخلص، (كما هو مدون في الجدول). .

كما ويستخدم الثوروم لتحضير الوقود النووي كما في حالة اليورانيوم - 238 كما ويمكن تحضير الوقود النووي باستخدام المفاعلات النووية الانتاجية إذ يمكن إنتاج البلوتونيوم - 239 وذلك عند تشغيل المفاعلات النووية المخصصة لهذا الغرض لفترة زمنية معينة.

الشكل (5)

تستخدم المفاعلات السريعة لهذا الغرض والتي تصمم بحيث نحصل على نسبة إنتاج (8) Breeding Ration أكبر من الوحدة. وهذا يعني أن علينا أن نبدأ بمفاعل يحتوي قلبه على حوالي 20% من المادة الانشطارية والباقي (80%) من U²³⁸ بينما يرضع حوله غلاف Blanket من U²³⁸. يبين الشكل (6) دورة الوقود للمفاعلات النووية. حيث يبين الشكل (6) مخطط التدفق لمفاعل سريع يبرد بواسطة الصوديوم عندما يشغل لمدة عام كامل بطاقة قدرها 1 (GW(e. حيث نبين إنتاج واستهلاك المواد الانشطارية Fissile واستهلاك أو تحول المواد المخصبة Fertile إلى مواد انشطارية. ثم نقوم بعد ذلك بإزالة الوقود المستهلك بعد أن تبلغ نسبة الاحتراق حوالي 10%. حيث تقوم بإعادة معالجة الوقود للحصول منه على المادة الانشطارية المتكونة بعد تحول المادة المخصبة إلى مادة انشطارية.

عند التشغيل المستمر لمفاعل المعدن السائل السريع (LMFR) لمدة عام

الشكل (6)

تقريباً يجب علينا أن نزيل الوقود من القلب لإعادة المعالجة. وهنا تزال نواتج الانشطار كنفاية نووية. أما مادة الغلاف فتعاد معالجتها للحصول على البلوتونيوم الذي يمكن تجميع كميات كافية منه لتشغيل مفاعل جديد.

ويمكن تعريف زمن المضاعفة t) Doubling Time) على أنه الزمن مقدراً بالسنين اللازم لتشغيل المفاعل السريع لينتج الكمية من البلوتونيوم اللازمة لبناء مفاعل جديد بالإضافة إلى دورة الوقود الخاصة به. ويعطي هذا الزمن بالعلاقة.

(1).............

حيث R النبة بين كمية البلوتونيرم المتواجدة في دورة الوقود الكلية وتلك الموجودة في المفاعل.

F عدد أنوية U²³⁸ المنشطرة لكل انشطار للأنوية الانشطارية.

P معدل استهلاك البلوتونيوم في المفاعل (ميجاوات/ كيلوجرام).

α النسبة بين عدد النيوترونات التي أسرت إلى عدد تلك التي أحدثت انشطاراً.

ويمكن الحصول على الثوريوم كمنتجات جانبية من مناجم التيتانيوم والقصدير والزركانيوم. ومن أهم أملاح الثوريوم المونازايت (ThS_i^' O₄) . وتنشر خامات الثوريوم في الهند ومصر وكندا وغيرها. ويبين الجدول (2) احتياطات الثوريوم في الدول المختلفة ويستخدم الثوريوم لتحضير U²³³ الذي يمكن استخدامه كوقود نووي.

ويبين الجدول (3) نظائر البلوتونيوم الناتجة من المفاعلات الحرارية التي تعمل بوقود اليورانيوم.