الهندسة النووية Nuclear engineering، هي احدى فروع الهندسة وتهتم بتطبيقات الانشطار والطاقة النووية، اعتمادا على أساسيات الفيزياء النووية. وتمثل الهندسة النووية واحدة من المعارف الهندسية الحديثة التي تعنى بالجوانب البحثية والتطبيقية الموجهة للاستفادة من الطاقة النووية، ولاسيما على المستوى الهندسي ضمن ما يسمى بالمفاعلات النووية nuclear reactors، وما يرتبط بها من مستلزمات التصميم والتشغيل ومتطلبات الوقاية الإشعاعية وتدابير الأمان الهندسية ودورة وقودها المشتملة على عمليات استخلاص الوقود النووي وإغنائه وتحضيره والتعامل مع النفايات النووية وطرق التخلص الآمن منها.

التاريخ

ولدت الهندسة النووية مع اكتشاف العالم الألماني أوتوهان Otto Hahn وزملائه لظاهرة الانشطار النووي nuclear fission في شباط/فبراير عام 1939، والتي تتمثل بانفلاق نوى ذرات اليورانيوم إلى جزأين غير متناظرين إثر قذفها بالنترونات مع تحرر طاقة هائلة. وقد بينت الاختبارات والبحوث فيما بعد حتى معظم نوى الذرات ذات عدد الكتلة الكبير قابلة للانشطار من حيث المبدأ، بيد حتى نظائر اليورانيوم-235 واليورانيوم-233 والبلوتونيوم-239 تبدي قابلية كبيرة للانشطار بوساطة النترونات ولاسيما الحرارية منها. وقد تبين حتى المدهش في عملية الانشطار - عدا الطاقة الهائلة المتحررة والتي تفوق بملايين المرات تلك المتحررة عن تفاعلات الاحتراق التقليدية - تولد ما يقرب من 2.5 نتروناً جديداً وسطياً إثر جميع عملية انشطار؛ مما يعني إمكانية تحقيق تفاعل متسلسل chain reaction يمكن حتى يحافظ على ديمومته، ويوفر من ثم توليد الطاقة على نحومستمر إذا توفرت له الشروط الضرورية ضمن توضع معيّن للمادة الانشطارية يطلق عليه اسم التوضع الحرج critical assembly. ويمكن القول: إذا معظم بحوث الهندسة النووية التي انطلقت إثر اكتشاف تفاعلات الانشطار قد هجرزت حول دراسة تصميم التوضعات الحرجة وشروط عملها. وقد سُجلت أول براءة اختراع لتوضع حرج مستدام يعتمد الماء الثقيل مهدئاً في مخط براءات الاختراع السويسري عام 1939 بعد شهرين من اكتشاف ظاهرة الانشطار. بيد حتى التطبيق التقني الأول تمثل ببناء أول مفاعل اختبار في جامعة شيكاغوفي نهاية عام 1942، وأُثبت فيه أول مرّة إمكانية إشعال تفاعل حرج والحفاظ عليه عند استطاعة تقرب من 2 كيلوواط. وتوالت بعدها البحوث والاختبارات المرتبطة ببناء مفاعلات البحث والاختبار مع الهجريز على مفاعلات توليد البلوتونيوم للأغراض العسكرية. وقد تكثفت المساعي بعد ذلك لتصميم مفاعلات الطاقة حيث توجت ببناء أول مفاعل طاقة نموذجي للأغراض العسكرية عام 1953، واستخدم من قبل البحرية الأمريكية لدفع الغواصات الحربية. ثم جرى فيما بعد تطوير هذا النموذج للأغراض السلمية وصولاً لبناء محطة نموذجية لتوليد الطاقة الكهربائية باستطاعة 136 ميغاواط عام 1957. وقد كان الاتحاد السوڤييتي نجح قبل ذلك ببناء أول مفاعل طاقة للأغراض السلمية باستطاعةخمسة ميغاواط كهربائي عام 1954. ثم شهدت فترة العقدين اللاحقين ولادة مشروعات تقنية طموحة في مجال الهندسة النووية لتطوير أنماط متنوعة من المفاعلات النووية وبنائها لأغراض مختلفة، أهمها توليد الكهرباء إضافةً إلى استخدامها في مجالات البحث والتطوير والتدريب.

المجالات المهنية

تشتمل الهندسة النووية على مجموعة واسعة من الفروع المعهدية والمجالات التطبيقية المرتبطة على نحورئيسي بتصميم المفاعلات النووية وتشغيلها الآمن، وتتمحور هذه الفعاليات حول ما يسمى دورة الوقود النووي nuclear fuel cycle التي تتكون من ثلاث مراحل متتابعة. تضم الفترة الأولى المسماة بداية دورة الوقود front-end fuel cycle العمليات المتعلقة باستخراج الوقود وتحويله وإغنائه وصولاً لتصنيع عناصر الوقود، وتضم الفترة الثانية المحطة النووية التي يجري فيها استهلاك عناصر الوقود المصنعة لتوليد الطاقة اعتماداً على تفاعلات الانشطار حيث ينتج من ذلك الوقود المستنفد، أما الفترة الثالثة والمسماة بنهاية دورة الوقود فتضم عمليات التخزين المؤقت للوقود المستنفد ومن ثم إعادة معالجته وتصنيعه وانتهاءً بمعالجة النفايات المشعة الناتجة وتأهيلها وتخزينها نهائياً (الشكل 1). وتجدر الإشارة إلى حتى مراحل دورة الوقود تختلف بمواصفاتها التقنية تبعاً لنمط المفاعل المستخدم في المحطة النووية حيث يمكن التمييز حالياً بين أربعة أنماط رئيسية من دورة الوقود تضم مفاعلات الماء الخفيف التي تستخدم اليورانيوم منخفض الإغناء، وتبرد وتهدأ بالماء الخفيف، ومفاعلات الماء الثقيل التي تستخدم اليورانيوم الطبيعي، وتهدأ بالماء الثقيل، ومفاعلات الإخصاب السريعة التي تستخدم وقوداً متوسط الإغناء، وتبرد بالصوديوم، وتسمح إضافةً إلى إنتاج الكهرباء بتوليد البلوتونيوم، ومفاعلات درجة الحرارة العالية التي تستخدم وقوداً متوسط الإغناء، وتبرد بالهليوم، وتهدأ بالغرافيت.

ويتطلب التعامل مع مراحل دورة الوقود الاعتماد على طيف واسع من المعارف الفهمية والتطبيقات التقنية التي تضم:

ـ العمليات الفيزيائية والكيمياوية لإغناء الوقود وتصنيعه.

ـ التصميم النتروني وفيزياء المفاعل، ويعنى بدراسة التفاعلات النترونية والمقاطع الفعالة ودراسات الحرجية والتدريع وتفاعل الإشعاع مع المادة.

ـ التصميم الترموهدروليكي الذي يعنى بالانتنطق الحراري بين الوقود والمبرد وسلوك جريان المبرد وعمليات تخليص قلب المفاعل من طاقة الانشطار بالعلاقة مع مفعولات الربط العكسي للتفاعلية وصولاً لمولدات البخار.

ـ القياس والتحكم و«ديناميكية» المفاعل، وتعنى بتطوير التجهيزات والحساسات المستخدمة في قياس متغيرات المفاعل والتحكم بها بما في ذلك الكواشف الإشعاعية.

ـ هندسة أمان المفاعلات التي تعنى بالإجراءات والمتطلبات الهندسية المتعلقة بالتشغيل الآمن للمفاعل في العمل الاعتيادي وفي أثناء الحوادث.

ـ فهم المواد للهندسة النووية الذي يعنى بتطوير المواد المستخدمة في التكنولوجيا النووية والتي تحقق متطلبات عالية للمقاومة الإشعاعية والكيميائية والميكانيكية.

ـ الوقاية الإشعاعية، وتضم الأجهزة والقواعد المعتمدة في التعامل مع الإشعاعات المؤينة والوقاية منها.

ـ إدارة الوقود والنفايات، وتضم جميع العمليات المتعلقة بالتزود بالوقود الطازج والتخلص من الوقود المستنفد ومعالجته وتخزينه.

وقد ازداد الاهتمام في الآونة الأخيرة بفرع خاص من الهندسة النووية يعنى بالتطبيقات الإشعاعية في المجالين الطبي والصناعي، حيث يجري الهجريز في هذا الفرع على التجهيزات التي تعتمد في عملها على مبادئ الإشعاع، وتجد تطبيقات متزايدة في مجال التشخيص والعلاج الطبي إضافةً إلى التطبيقات الصناعية المتنوعة كالاختبارات اللاإتلافية.

الانشطار النووية

وتقسم المفاعلات النووية من حيث مجال التطبيق إلى مفاعلات البحث research reactors ومفاعلات الطاقة power reactors.

1- مفاعلات البحث: تمثل مفاعلات البحث أجهزة مولدة للنترونات تعمل على الغالب عند استطاعات متدنية من دون حتىقد يكون للطاقة النووية المتولدة فيها أي فائدة. وعليه تزداد كفاءة هذه المفاعلات حدثا ازداد التدفق النتروني الذي تولده والذي يصل في بعض مفاعلات البحث الحديثة إلى نحوعشرة 15 نترون/سم2/ثانية. وتستخدم كأجهزة متعددة الأغراض لتغطية مجالات واسعة في حقول البحوث الفهمية الأساسية والتطبيقية، كإنتاج النظائر المشعة والتحليل بالتنشيط النتروني والتصوير النتروني وتطعيم السيليسيوم وعلاج بعض أنواع الأورام السرطانية إضافةً إلى بحوث الفيزياء النووية وفحص بنية المواد.

2- مفاعلات الطاقة: تمثل مفاعلات الطاقة النووية منبعاً للطاقة يستخدم على الغالب لتوليد الطاقة الكهربائية (الشكل 2)، ويمكن تقسيم هذه المفاعلات إلى أربع مجموعات رئيسية حسب نوع المبرد. تضم المجموعة الأولى مفاعلات الماء الخفيف LWR (light water reactor) كمفاعل الماء المغلي BWR (boiling water reactor) ومفاعل الماء المضغوط PWR (pressurized water reactor) اللذين يبردان ويهدآان بالماء الخفيف. وتضم المجموعة الثانية المفاعلات السريعة أوالولودة fast breeder التي تستعمل الصوديوم مبرداً، ولا بحاجة إلى مهدئ. وتضم المجموعة الثالثة مفاعلات الحرارة العالية HTR (high temperature reactor) التي تبرد بالغاز، وتُهدأ بالغرافيت. أما المجموعة الرابعة فهي المفاعلات الكندية (CANDU) التي تستخدم اليورانيوم الطبيعي وقوداً والماء الثقيل مهدئاً. ويبين الشكل (2) نموذجاً تمثيلياً لمفاعل الماء المضغوط (PWR) الذي يعدّ أكثر المفاعلات النووية انتشاراً حيث يعدّ نحو80٪ من مجموع مفاعلات الطاقة في العالم.

• محطة طاقة نووية

• B-61 thermonuclear weapon

الطب النووية والفيزياء الطبية

• صورة بأشعة إكس لهيكل عظمي بشري لذكر

• Magnetic Resonance Imaging scan of a head

• PET taken with an ECAT Exact HR+ PET Scanner

المواد النووية والوقود النووي

• Uranium ore, the principal raw material of nuclear fuel

• Nuclear fuel pellets

• A Focused ion beam

قياس الإشعاعات النووية

• A modern Geiger counter

• A neutron detector

• Scintillation detector next to Uraninite

منظمات متخصصة

• الجمعية النووية الأمريكية
• المعهد النووي (المملكة المتحدة)
• الوكالة الدولية للطاقة الذرية

قائمة المؤسسات التعليمية التي توفر فصول دراسية متخصصة

الأرجنتين

البرازيل

بلغاريا

كندا

فرنسا

الهند

إسرائيل

الأردن

پاكستان

روسيا

جنوب أفريقيا

• جامعة الشمال-الغرب

جامعة سويسرا

هجريا

الإمارات العربية

• جامعة خليفة للعلوم
• جامعة الشارقة، الهندسة النووية

المملكة المتحدة

الولايات المنحدة

انظر أيضا

المصادر

قراءات إضافية

• Gowing, Margaret. Britain and Atomic Energy, 1939-1945 (1964).
• Gowing, Margaret, and Lorna Arnold. Independence and Deterrence: Britain and Atomic Energy, Vol. I: Policy Making, 1945-52; Vol. II: Policy Execution, 1945-52 (London, 1974)
• Johnston, Sean F. "Creating a Canadian Profession: The Nuclear Engineer, 1940-68," Canadian Journal of History, Winter 2009, Vol. 44 Issue 3, pp 435-466
• Johnston, Sean F. "Implanting a discipline: the academic trajectory of nuclear engineering in the USA and UK," Minerva, 47 (2009), pp. 51-73

وصلات خارجية

• Nuclear Safety Info Resources
• Wikibooks

• Science and Technology of Nuclear Installation Open-Access Journal
• Nuclear Engineering International magazine
• Nuclear Science and Engineering technical journal
• Electric Generation from Commercial Nuclear Power
• Hacettepe University Department of Nuclear Engineering