أهم 4 معادن رئيسية في الطاقة النووية

الوصف

لطالما كانت الطاقة النووية جزءاً حيوياً من إنتاج الطاقة لسنوات عديدة. وتؤدي معادن معينة في المفاعلات النووية أدواراً فريدة من نوعها. فلكل معدن خواص خاصة. وهي تساعد في الحفاظ على تفاعل نووي محكوم وآمن. تتناول هذه المقالة المعادن المستخدمة كوقود، وكمكونات لبناء أجزاء المفاعل، وكمساعدات في التحكم في التفاعل.

اليورانيوم: مصدر الوقود الأساسي

يقعاليورانيومفي قلب الطاقة النووية. فنظائره، اليورانيوم-235 واليورانيوم-238، تدفع عملية الانشطار النووي. وعندما تنشطر ذرات اليورانيوم-235، فإنها تطلق الطاقة. ويستخدم المفاعل النووي النموذجي اليورانيوم المخصب، وهو ما يعني أن اليورانيوم يُعالج لزيادة تركيز اليورانيوم-235. وتتراوح مستويات التخصيب عادة من 3 في المائة إلى 5 في المائة. وتضمن هذه النسب حدوث تفاعل متسلسل ثابت.

الخصائص الفيزيائية لليورانيوم رائعة. فهو معدن ثقيل ذو كثافة عالية. وتسمح له هذه الخاصية بتخزين كمية كبيرة من الطاقة في حجم صغير. وفي الحالات العملية، استخدمت المحطات النووية التي بُنيت في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي وقود اليورانيوم على نطاق واسع. وفي العقود الأخيرة، حسّنت التكنولوجيا في العقود الأخيرة أساليب الأمان عند استخدام اليورانيوم.

الزركونيوم مكوّن حاسم في المفاعل

يؤدي الزركونيوم دوراً مهماً في بناء المفاعلات النووية. ويعدّ امتصاصه المنخفض للنيوترونات ميزة ثمينة. ويستخدم مصممو المفاعلات سبائك الزركونيوم عند تكسية قضبان الوقود. وتحمي الكسوة الوقود من التآكل وتمنع التلوث الإشعاعي. ومن الأمثلة على ذلك استخدام الزركالوي في العديد من مفاعلات الماء الخفيف. وتعمل هذه السبائك بشكل جيد تحت درجات حرارة وضغط مرتفعين.

كما أن مقاومة الزركونيوم للتآكل هي نقطة قوة أخرى. وفي كثير من الحالات، تعتمد أنظمة تبريد المفاعلات على مواد تبقى مستقرة على مدى فترات طويلة. ومع وجود عدة عقود من تاريخ الخدمة، أثبتت سبائك الزركونيوم جدارتها. وتضمن مكونات المفاعل المصنوعة من الزركونيوم السلامة والكفاءة.

الهافنيوم ماص النيوترونات

الهافنيوم معدن معروف بقدرته على امتصاص النيوترونات. ويُستخدم في قضبان التحكم في المفاعلات النووية، حيث تساعد قضبان التحكم في تنظيم التفاعل الانشطاري المتسلسل. والمقطع العرضي العالي لامتصاص النيوترونات في الهافنيوم يجعله مثالياً لهذا الغرض. وفي العديد من التصاميم، تضبط قضبان التحكم المصنوعة من الهافنيوم مستويات طاقة المفاعل عن طريق امتصاص النيوترونات الشاردة.

وفي التصاميم النموذجية لقضبان التحكُّم النموذجية، يُدخل الهافنيوم بين مجمعات الوقود. وعندما يتم خفض قضبان التحكم، فإنها تمتص المزيد من النيوترونات. وهذا يبطئ التفاعل المتسلسل أو يوقفه مؤقتاً. وأثبتت قضبان التحكم في الهافنيوم فعاليتها في المرافق التي تحتل فيها السلامة أهمية قصوى. وقد استخدم المهندسون الهافنيوم في كل من محطات القوى التجارية والمفاعلات البحثية المتقدمة. وقد لوحظ أداؤه في العديد من دراسات الحالة التقنية من العقود الماضية.

البريليوم: تعزيز أداء المفاعل

البريليوم معدن خفيف له دور هام في أداء المفاعل. وغالباً ما يُستخدم كعاكس أو مهدئ. وتقوم عاكسات النيوترونات بإرجاع النيوترونات الهاربة إلى قلب المفاعل. وتعمل عاكسات النيوترونات على إبطاء النيوترونات السريعة إلى سرعة يزيد فيها احتمال حدوث الانشطار. وتعمل هذه الوظائف على تحسين الكفاءة الإجمالية للمفاعل.

فعلى سبيل المثال، يُستخدم البريليوم أحياناً حول قلب المفاعل. ويشكّل امتصاصه المنخفض للنيوترونات ومقطعه العرضي العالي التشتت مزاياه الرئيسية. وفي اختبارات المفاعلات التاريخية، ساعد البريليوم على زيادة معدل الانشطار. وقد تم توثيق أدائه في توفير اقتصاد نيوتروني متوازن بشكل جيد. وقد اعتمد العديد من مصممي المفاعلات على البريليوم لزيادة الإنتاج إلى أقصى حد مع الحفاظ على أمان المفاعل.

الخاتمة

تشكل المعادن التي نوقشت في هذه المقالة العمود الفقري للطاقة النووية. ويوفّر اليورانيوم الوقود اللازم للتفاعل المتسلسل، بينما يبني الزركونيوم كسوة قضبان الوقود اللازمة للأمان والاستقرار. ويُستخدم الهافنيوم في قضبان التحكم لتخفيف قوة التفاعل. ويعزز البريليوم الأداء كعاكس ومهدئ.

وتضمن هذه المعادن معاً أن تظل المفاعلات النووية مصدراً موثوقاً للطاقة. وقد تم اختبارها والثقة بها وتحسينها على مدى سنوات عديدة. وكانت هذه المعادن الرئيسية حجر الزاوية في الطاقة النووية، ومن المرجح أن تظل كذلك لسنوات عديدة قادمة.

الأسئلة المتداولة

س: فيمَ يُستخدم اليورانيوم بشكل أساسي في الطاقة النووية؟
س: في المفاعلات النووية، يعمل اليورانيوم كوقود لتشغيل عملية الانشطار النووي.

س: ما أهمية الزركونيوم في تصميم المفاعل؟
س: يُشكِّل الزركونيوم كسوة لقضبان الوقود، حيث يوفِّر قوة وامتصاصًا منخفضًا للنيوترونات ومقاومة للتآكل.

ف: كيف يساعد الهافنيوم في التحكُّم في التفاعلات النووية؟
س: يمتصُّ الهافنيوم نيوترونات إضافية، ومن ثَمَّ ينظِّم التفاعل المتسلسل ويساهم في سلامة المفاعل.