هندسة نووية

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 أوتو هان 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 أن معظم نوى الذرات ذات عدد الكتلة الكبير قابلة للانشطار من حيث المبدأ، بيد أن نظائر اليورانيوم-235 واليورانيوم-233 والبلوتونيوم-239 تبدي قابلية كبيرة للانشطار بوساطة النترونات ولاسيما الحرارية منها. وقد تبين أن 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 كل عملية انشطار؛ مما يعني إمكانية تحقيق تفاعل متسلسل chain reaction يمكن أن يحافظ على ديمومته، ويوفر من ثم توليد الطاقة على نحو مستمر إذا توفرت له الشروط الضرورية ضمن توضع معيّن للمادة الانشطارية يطلق عليه اسم التوضع الحرج critical assembly. ويمكن القول: إن معظم بحوث الهندسة النووية التي انطلقت إثر اكتشاف تفاعلات الانشطار قد تركزت حول دراسة تصميم التوضعات الحرجة وشروط عملها. وقد سُجلت أول براءة اختراع لتوضع حرج مستدام يعتمد الماء الثقيل مهدئاً في مكتب براءات الاختراع السويسري عام 1939 بعد شهرين من اكتشاف ظاهرة الانشطار. بيد أن التطبيق التقني الأول تمثل ببناء أول مفاعل اختبار في جامعة شيكاغو في 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 التركيز 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 باستطاعة 5 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

مخطط تمثيليي لدورة وقود المفاعلات الانشطارية.

تشتمل الهندسة النووية على مجموعة واسعة من الفروع المعرفية والتخصصات التطبيقية المرتبطة على نحو رئيسي بتصميم المفاعلات النووية وتشغيلها الآمن، وتتمحور هذه الفعاليات حول ما يسمى دورة الوقود النووي nuclear fuel cycle التي تتكون من ثلاث مراحل متتابعة. تشمل المرحلة الأولى المسماة بداية دورة الوقود front-end fuel cycle العمليات المتعلقة باستخراج الوقود وتحويله وإغنائه وصولاً لتصنيع عناصر الوقود، وتشمل المرحلة الثانية المحطة النووية التي يجري فيها استهلاك عناصر الوقود المصنعة لتوليد الطاقة اعتماداً على تفاعلات الانشطار حيث ينتج من ذلك الوقود المستنفد، أما المرحلة الثالثة والمسماة بنهاية دورة الوقود فتشمل عمليات التخزين المؤقت للوقود المستنفد ومن ثم إعادة معالجته وتصنيعه وانتهاءً بمعالجة النفايات المشعة الناتجة وتأهيلها وتخزينها نهائياً (الشكل 1). وتجدر الإشارة إلى أن 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 العلمية 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 بالانتقال 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 علم المواد للهندسة النووية الذي يعنى بتطوير المواد المستخدمة في التكنولوجيا النووية والتي تحقق متطلبات عالية للمقاومة الإشعاعية والكيميائية والميكانيكية.

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

ـ إدارة الوقود والنفايات، وتشمل 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 التركيز في هذا الفرع على التجهيزات التي تعتمد في عملها على مبادئ الإشعاع، وتجد تطبيقات متزايدة في مجال التشخيص والعلاج الطبي إضافةً إلى التطبيقات الصناعية المختلفة كالاختبارات اللاإتلافية.

 الانشطار النووية

شكل تمثيلي مبسط لمفاعل الماء المضغوط.

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 أن يكون للطاقة النووية المتولدة فيها أي فائدة. وعليه تزداد كفاءة هذه المفاعلات كلما ازداد التدفق النتروني الذي تولده والذي يصل في بعض مفاعلات البحث الحديثة إلى نحو 10 15 نترون/سم2/ثانية. وتستخدم كأجهزة متعددة الأغراض لتغطية مجالات واسعة في حقول البحوث العلمية 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 أو الولودة fast breeder التي تستعمل الصوديوم مبرداً، ولا تحتاج 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 نحو 80٪ 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

الجامعة	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
جامعة كيو الوطنية	Instituto Balseiro	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 البرازيل

الجامعة	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
Universidade Federal do Rio de Janeiro	قسم الهندسة النووية/COPPE	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة

 بلغاريا

الجامعة	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
Sofia University "St. Kliment Ohridski" Faculty of Physics	قسم الهندسة النووية	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة

الكلية، الجامعة	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
جامعة صوفيا للتكنولوجيا	قسم هندسة الطاقة الحرارية والنووية	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة

 كندا

الجامعة	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
جامعة ماكماستر، هاميلتون	فيزياء هندسية (الهندسة النووية)	B.Eng. Phys., Dipl. Nuc.Tech, M.Eng, M.A.Sc, Ph.D.
معهد هندسة التكنولوجيا بجامعة اونتاريو، اوشاوا	هندسة نووية	B.Eng, M.Eng, M.A.Sc, Ph. D
École Polytechnique de Montréal، مونتريال	معهد الهندسة النووية	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
كلية الأكاديمية العسكرية الملكية في كندا، كينگستون	قسم الهندسة الكيميائية والنووية	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة

 فرنسا

الجامعة	القسم (وصلات خارجية)	درجات التخرج
Institut National des Sciences et Techniques du Nucléaire	قسم الهندسة النووية	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
Grenoble INP	PHELMA-Grenoble INP	ماجستير الهندسة، ماجستير العلوم

 الهند

الكلية	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
Homi Bhabha National Institute، مومباي	Engineering Sciences, Physical Sciences, Chemical Sciences, Health Sciences, Life Sciences, Mathematical Sciences, Strategic Studies In the following constituent institutes: Bhabha Atomic Research Center, Indira Gandhi Center for Atomic Research, Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Variable Energy Cyclotron Centre, Saha Institute of Nuclear Physics, Institute for Plasma Research, Institute of Physics, Harish-Chandra Research Institute, Tata Memorial Centre and Institute of Mathematical Sciences	For science and engineering : PGDip, M.Phil, M.Sc(Engg), M.Tech, Ph.D. For Health Sciences : at Tata Memorial Centre : DM (Medical Oncology), M.Ch.(Surgical Oncology), MD (Pathology), MD (Anesthesia), MD (Radiotherapy), MD (Radio-diagnosis) and Ph.D.(Health Sciences, Epidemiology) are offered
[[المعهد الهندي للتكنولوجيا في كانپور]	الهندسة النووية والتكنولوجيا	ماجستير تقني، دكتوراة
معهد مودي للعلوم والتكنولوجيا	[1]	ماجستير تقني
المعهد الهندي للتكنولوجيا في مدراس	[2]	ماجستير تقني
Sastra university,Tanjore	[3] [4]	ماجستير تقني
جامعة دلهي	[5]	ماجستير تقني
J.N.T.UNIVERSITY KAKINADA,KAKINADA,ANDHRA PRADESH	www.jntukakinada.edu.in	ماجستير هندسي
SRM University,Chennai	[6]	بكالوريوس تقني، ماجستير، دكتوراة تقنية
Jadavpur University	[7]	Masters of Nuclear Engineering, Faculty of engineering and Technology
Manipal Institute of Technology	[8]	ماجستير تقني في الهندسة النووية

 إسرائيل

الكلية	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
جامعة بن گوريون في النقب	[9]

 الأردن

الكلية	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
جامعة الأردن للعلوم والتكنولوجيا	قسم الهندسة النووية	بكالوريوس

 پاكستان

الكلية/الجامعة	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
معهد پاكستان للهندسة والعلوم التطبيقية، إسلام أباد	قسم الهندسة	ماجستير، دكتوراة
Kannup Institute of Nuclear Power Engineering/NED University of Engineering & Technology، كراتشي	Department of Nuclear Engineering	ماجستير، دكتوراة
Chasnupp Center for Nuclear Training (CHASCENT), Chasma	Center for Nuclear Training and Engineering	ماجستير، دكتوراة

 روسيا

الجامعة	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
معهد الفيزياء الهندسية في موسكو (جامعة الأبحاث النووية الوطنية)	[10]	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة

 جنوب أفريقيا

• جامعة الشمال-الغرب

 جامعة سويسرا

الجامعة	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
EPF Lausanne and ETH Zurich	Nuclear Engineering	ماجستير، دكتوراة

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 تركيا

الجامعة	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
Hacettepe University	Department of Nuclear Engineering	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة

 الإمارات العربية

• جامعة خليفة للعلوم
• جامعة الشارقة، الهندسة النووية

 المملكة المتحدة

الكلية	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
جامعة لانكستر	الهندسة النووية	ماجستير الهندسة
جامعة بيرمينگهام	فيزياء وتكنولوجيا المفاعلات النووية	MSc
Nuclear Technology Education Consortium	Nuclear Science and Technology	MSc
جامعة نوتينگهام ترنت	الفيزياء والتكنولوجيا النووية	BSc
كلية لندن الملكية	Centre for Nuclear Engineering	MSc, M.Eng (Joint Honours)
جامعة كمبريدج	[11]	MPhil in Nuclear Energy

 الولايات المنحدة

الكلية	القسم (وصلات خارجية)	درجة التخرج
معهد القوات الجوية للتكنولوججيا	Engineering Physics	ماجستير، دكتوراة
جامعة أركنساس للتكنولوجيا	Nuclear Engineering	ماجستير، بكالوريوس
كلية كلورادو للتعدين	الهندسة النووية	ماجستير، دكتوراة
جامعة كورنيل	School of Applied and Engineering Physics	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
معهد جورجيا للتكنولوجيا	Nuclear and Radiological Engineering	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
جامعة ولاية إيداهو	معهد العلوم والهندسة النووية	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
جامعة ولاية كنساس	Mechanical and Nuclear Engineering	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
معهد مساتشوستس للتكنولوجيا	العلوم والهندسة النووية	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
جامعة ميسوري للعلوم والتكنلووجيا	الهندسة النووية	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
جامعة ولاية كارولينا الشمالية	الهندسة النووية	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
جامعة ولاية اوهايو	الهندسة النووية	ماجستير، دكتوراة
جامعة ولاية اوريگون	Nuclear Engineering and Radiation Health Physics	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
جامعة ولاية پنسيلڤانيا	الهندسة النووية والميكانيكية	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
جامعة ولاية پنسيلڤانيا	Distance Learning Program in Nuclear Engineering	ماجستير
Purdue University	Nuclear Engineering	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
Rensselaer Polytechnic Institute	Mechanical, Aerospace & Nuclear Engineering	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
جامعة ولاية كارولينا الشمالية	الهندسة النووية	بكالوريوس
Texas A&M University	Nuclear Engineering	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
جامعة كاليفورنيا، بركلي	Nuclear Engineering	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
University of Cincinnati	Mechanical, Industrial and Nuclear Engineering	ماجستير، دكتوراة
جامعة فلوريدا	Nuclear and Radiological Engineering	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
جامعة إيداهو	الهندسة النووية	ماجستير، دكتوراة
University of Illinois at Urbana-Champaign	Nuclear, Plasma and Radiological Engineering	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
University of Maryland, College Park	Materials and Nuclear Engineering	ماجستير، دكتوراة
University of Massachusetts Lowell	Chemical Engineering	ماجستير، دكتوراة
University of Michigan, Ann Arbor	Nuclear Engineering and Radiological Sciences	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
جامعة ميسوري	Nuclear Science and Engineering Institute	ماجستير، دكتوراة
University of Nevada, Las Vegas	Nuclear Engineering	ماجستير
جامعة نيو مكسيكو	Chemical and Nuclear Engineering	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
جامعة كارولينا الجنوبية	Nuclear Engineering	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
University of Tennessee at Knoxville	Nuclear Engineering	بكالوريوس، ماجستير، دكتوراة
جامعة تكساس في أوستن	Nuclear and Radiation Engineering	ماجستير، دكتوراة
University of Utah	Nuclear Engineering	ME, MS, PhD
University of Wisconsin–Madison	Nuclear Engineering and Engineering Physics	BS,MS,PhD
United States Military Academy	Nuclear Engineering	BS
Virginia Commonwealth University	Nuclear Engineering	ماجستير

 انظر أيضا

فيزياء زرية فيزياء الزلازل قائمة المفاعلات النووية وقود نووي مادة نووية فيزياء نووية طاقة نووية

تكنولوجيا المفاعلات النووية Nuclear renaissance Thermal hydraulics Nuclear Criticality Safety مشروع الجينوم هندسة السلامة Waste Isolation Pilot Plant Lists of nuclear disasters and radioactive incidents

 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