ኒውክሌር ኃይል፡ ፊሽን፣ ፍውዌዝን እና በጥንትና ዘመናዊ ዘመን የእሳቤ ማግኘት

መግቢያ፡ አቶም ውስጥ የሚገኘው ኃይል

የኒውክሌር ኃይል የሚመነጨው አቶም ውስጥ በሚገኘው የመሠረታዊ ኃይል ለውጥ ሲሆን ይህም የሰው ልጅ ከገናበት በጣም ኃይለኛው የኃይል ምንጭ ነው። ይህ ሂደት በሁለት ዋና ዋና መንገዶች ይከሰታል፡ ፊሽን (Fission) እና ፍውዌዝን (Fusion)። ፊሽን ከባድ አቶሞችን ማፍረስ ሲሆን ፍውዌዝን ደግሞ ቀላል አቶሞችን ማዋሃድ ነው። የሁለቱም ሂደት ታሪክ፣ ሳይንሳዊ መርሆ፣ አገልግሎት እና የወደፊት ተስፋ የዚህ ጽሁፍ ዋና ይዘት ነው። ከኤንሪኮ ፌርሚ እና ኦቶ ሃን ጀምሮ እስከ ITER እና ስፔስኤክስ ድረስ ያለው ጉዞ የሰው ልጅ ብልህነት እና ፍላጎት ያሳያል።

የኒውክሌር ፊሽን ሳይንስ፡ መሠረታዊ መርሆች

ፊሽን የአንድ ከባድ አቶም ኒውክሌስ በኒውትሮን መምታት ሁለት ወይም ከዚያ በላይ ቀላል ኒውክሊዮች እንዲከፈል የሚያደርግ ሂደት ነው። ይህ ሲከሰት ብዙ የሙቀት ኃይል እንደ ማስነጠሻ ኃይል ይለቀቃል። በተግባር የሚጠቀሙት ንጥረ ነገሮች ዩራኒየም-235 እና ፕሉቶኒየም-239 ናቸው። የፊሽን ሂደት የሚከናወነው በወቅታዊ ሰንሰለት ምላሽ (Controlled Chain Reaction) ሲሆን ይህም በአንድ ኒውክሌር ማፍረስ የተለቀቁ ኒውትሮኖች ሌሎች ኒውክሊዮችን ማፍረስ ያስከትላል። ይህንን ለመቆጣጠር ሞዴሬተሮች እንደ ብረት ውሃ፣ ካድሚየም ዘንጎች እና የቦርላ ውህዶች ይጠቀማሉ።

የፊሽን የኃይል ማምጣት ሂደት

በአንድ የኒውክሌር ኃይል ማመንጫ ጣቢያ እንደ ፒ.ኤን.ኤም.ኤስ (PWR) ወይም ቦይሊንግ ዋትር ሬክተር (BWR) የፊሽን ምላሽ በማዕከላዊ ሬክተር ኮር ውስጥ ይከሰታል። የሚወጣው ሙቀት የመጠምዘዣ ውሃን ወደ ትንፋሽ ይቀይረዋል፤ ይህም ቱርቢኖችን ያሽከርክራል እና በመጨረሻም የጀነሬተር እርዳታ ኤሌክትሪክ ኃይልን ያመነጫል። ከሬክተሩ ውጭ የሚገኙ የኃይል ማስወጫ ማጠራቀሚያዎች እና የውሃ አደባባይ ግንባታዎች የሙቀት አስወጪዎች ናቸው።

የኒውክሌር ፊሽን ታሪክ፡ ከግኝት እስከ አገልግሎት

የኒውክሌር ፊሽን ታሪክ በ1938 በበርሊን የኦቶ ሃን እና ፍሪድሪክ ስትራስማን ዩራኒየምን በኒውትሮን ማፍረስ ችለው የጀመሩትን ሙከራ ያመለክታል። ይህንን የተከተለው በ1939 ሊዚ ሜትነር እና ኦቶ ሮበርት ፍሪሽ የሰጡት ሳይንሳዊ መግለጫ ነበር። በሁለተኛው የዓለም ጦርነት ወቅት ማንሃታን ፕሮጀክት (Manhattan Project) በሮበርት ኦፐንሃይመር አምርተኝነት በሎስ አላሞስ፣ ኦክ ሪጅ እና ሃንፎርድ የተካሄደ ሲሆን የመጀመሪያውን የፊሽን ቦምብ ለማዘጋጀት አስችሏል። ከጦርነት በኋላ የኃይል ማመንጫ አገልግሎት በ1954 በሶቪየት ሕብረት ኦብኒንስክ ከተማ ውስጥ በየኦብኒንስክ ኒውክሌር ኃይል ማመንጫ ጀመረ። በ1956 ደግሞ የእንግሊዝ ካልደር ኦል ጣቢያ የመጀመሪያውን ንግድ የኤሌክትሪክ ኃይል ማመንጫ አገልግሎት ጀመረ።

የኒውክሌር ኃይል ማመንጫዎች በዓለም ዙሪያ

ዛሬ በዓለም ላይ ከ30 በላይ አገራት ኒውክሌር ኃይልን ያመነጫሉ። አሜሪካ በፓልስ ቨርዲ፣ የደቡብ ካሮላይና ቪ.ሲ. ሰነት እና በዲያብሎ ካንዮን ያሉ ጣቢያዎች ከፍተኛ ኃይል ያመነጫሉ። ፈረንሳይ በኒውክሌር ኃይል ላይ በጣም የተመካ ሲሆን ፍላማንቪል፣ ግራቭሊን እና ፓላይኤል የሚሉ ጣቢያዎች አሉት። ሌሎች ታዋቂ ጣቢያዎች ጃፓን ውስጥ ካሺዋዛኪ-ካሪዋ፣ ሩሲያ ውስጥ ሎኒንግራድ እና ደቡብ ኮሪያ ውስጥ ኮሪ እና ሃንቡል ያካትታሉ። በአረብ ኢማሬት ባራካህ ጣቢያ እና በቱርክ አኩዩ ጣቢያ የዘመናዊ ግንባታዎች ምሳሌዎች ናቸው።

የኒውክሌር ፍውዌዝን፡ የፀሐይ ኃይል በምድር ላይ

ፍውዌዝን የሁለት ቀላል አቶሞች ኒውክሊዮች አንድ ከባድ ኒውክሊይ ለመሆን የሚዋሃዱበት ሂደት ነው። ይህ በፀሐይ እና በኮከቦች ውስጥ የሚከሰት መሠረታዊ ሂደት ነው። በምድር ላይ ለኃይል ምርት የሚመረጡት ንጥረ ነገሮች ዴውተሪየም እና ትሪቲየም ናቸው፣ እነዚህም የሃይድሮጅን ኢሶቶፖች ናቸው። ፍውዌዝን ከፊሽን በላይ ጥቅሞች አሉት፡ ከፍተኛ የኃይል ምርት፣ የማይጠፋ ነዳጅ ምንጭ (ከውሃ ውስጥ)፣ አነስተኛ ራዲዮአክቲቭ ቆሻሻ እና የማይከሰት የሰንሰለት ምላሽ አደጋ።

የፍውዌዝን ማግኛ ቴክኖሎጂዎች

ፍውዌዝን ለማምጣት ከፍተኛ ሙቀት እና ግፊት ያስፈልጋል (በፀሐይ ኮር ውስጥ እንደሚገኘው)። ስለዚህ በምድር ላይ ለመቆጣጠር የሚጠቀሙት ዋና ዋና ቴክኖሎጂዎች፡

• ቶካማክ (Tokamak)፡ የማግኔቲክ መያዣ ውስጥ የፕላዝማ ዑደት የሚያደርግ መሳሪያ። ምሳሌ፡ JET (Joint European Torus) በእንግሊዝ፣ ITER በፈረንሳይ።
• ስቴላሬተር (Stellarator)፡ እንደ Wendelstein 7-X በጀርመን የሚገኝ፣ የተለየ የማግኔቲክ መያዣ ንድፍ ያለው።
• Inertial Confinement Fusion (ICF)፡ ከፍተኛ ኃይል ያላቸው ሌዘሮችን በመጠቀም በነዳጅ ፔለት ላይ ግፊት ማድረግ። ምሳሌ፡ የኒፋ (NIF) በሊቨርሞር ላብራቶሪ፣ አሜሪካ።

የፍውዌዝን ታሪክ እና የወደፊት ፕሮጀክቶች

የፍውዌዝን ፍለጋ በ1920 አርተር ኤዲንግተን የፀሐይ ኃይል ምንጭ ፍውዌዝን መሆኑን ከገለፁ በኋላ ተጀመረ። በ1930ዎቹ ማርክ ኦሊፋንት በካምብሪጅ ዩኒቨርሲቲ የመጀመሪያውን የፍውዌዝን ሙከራ አካሄዱ። በ1952 አይቪ ሚክ (Ivy Mike) የተባለው የመጀመሪያው የሃይድሮጅን ቦምብ ፍቀድ በኢንዌቶክ አቶል ላይ የተደረገ ሲሆን ይህ የሰው ሰራሽ ያልሆነ ፍውዌዝን ነበር። ለሰላማዊ አገልግሎት ግን በ1970ዎቹ በሶቪየት ሕብረት የተገነባው ቶካማክ ቲ-3 እና በ1980ዎቹ የኢውሮጳ ህብረት JET ጣቢያ አስፈላጊ ምዕራፎች ናቸው።

የዘመናዊ ፍውዌዝን ፕሮጀክቶች ማነጻጸሪያ

የኒውክሌር ኃይል አገልግሎቶች፡ ከኤሌክትሪክ በላይ

ኒውክሌር ኃይል ኤሌክትሪክ ማመንጫ ብቻ ሳይሆን ሌሎች ብዙ አገልግሎቶች አሉት።

• የጤና አገልግሎት፡ ራዲዮአይሶቶፖች እንደ ቴክኔቲየም-99m ለምርመራ (SPECT, PET scans) እና እንደ አይሮዲን-131 ለካንሰር ህክምና ያገለግላሉ። ይህ በየዓለም ጤና ድርጅት (WHO) የተመሰከረለት ነው።
• ኢንዱስትሪ፡ ለፕላስቲክ ፖሊመራይዜሽን፣ ምግብ ማጠቢያ (ራዲዮ ፓስተራይዜሽን)፣ የውሃ ማጣሪያ እና የአየር ንብረት ምርመራ ያገለግላል።
• ግብርና፡ የመሬት ምርታማነት ለማሻሻል የራዲዮአክቲቭ ማይክሮኑትሪንቶች እና የዘር ማሻሻያ (ራዲዮ ሙታጂነሲስ) ያገለግላል። በኢትዮጵያ ኢንስቲትዩት ኦፍ ባዮሎጂካል ሳይንስ የተደረጉ ጥናቶች አሉ።
• የጠፈር ምርምር፡ ራዲዮአይሶቶፕ ቴርሞኤሌክትሪክ ጀነሬተሮች (RTGs) ለቮያጄጀር 1 & 2፣ ካሲኒ-ሃይገንስ እና ፐርሴቨራንስ ሮቨር ኃይል ያቀርባሉ።
• የውሃ ማጠራቀሚያ፡ የኒውክሌር ኃይል ማመንጫዎች ብዙ የሙቀት ኃይል ስለሚለቁ ለውሃ ማጠራቀሚያ ሊያገለግሉ ይችላሉ። ምሳሌ፡ በካዛክስታን አክታው ጣቢያ።

የፊሽን እና ፍውዌዝን ማነጻጸሪያ እና ተግዳሮቶች

ሁለቱ ዘዴዎች በተለያዩ መለኪያዎች ይነጻጸራሉ።