How do nuclear power plants work? - M. V. Ramana and Sajan Saini

المترجم: Yasser Ghabbour المدقّق: Nada Qanbar

On a December afternoon in Chicago during the middle of World War II,

فى ظهيرة أحد أيام ديسمبر فى (شيكاغو) خلال الحرب العالمية الثانية،

scientists cracked open the nucleus at the center of the uranium atom

شق العلماء نواة ذرة اليورانيم

and turned nuclear mass into energy over and over again.

وحولوا الكتلة النووية إلى طاقة مرارًا و تكرارًا.

They did this by creating for the first time

لقد فعلوا ذلك عن طريق إحداث -للمرة الأولى-

a chain reaction inside a new engineering marvel:

سلسلة تفاعلات داخل معجزة هندسية جديدة:

the nuclear reactor.

المُفاعل النووي.

Since then, the ability to mine great amounts of energy from uranium nuclei

منذ ذلك الحين، أدت القدرة على استخراج كميات طاقة هائلة من نواة اليورانيوم

has led some to bill nuclear power

إلى ترويج البعض للطاقة النووية

as a plentiful utopian source of electricity.

كمصدر وفير مثالي للكهرباء.

A modern nuclear reactor generates enough electricity from one kilogram of fuel

يولِّد مُفاعل نووي حديث كهرباء كافية من كيلو جرام من الوقود،

to power an average American household for nearly 34 years.

لإمداد بيت أمريكى متوسط لمدة 34 عامًا تقريبًا.

But rather than dominate the global electricity market,

لكنه بدلًا من الهيمنة على سوق الكهرباء العالمي،

nuclear power has declined from an all-time high of 18% in 1996

تراجعت الطاقة النووية من 18% كنسبة عالية مستقرة عام 1996

to 11% today.

إلى 11% اليوم.

And it's expected to drop further in the coming decades.

ومن المتوقع أن تنخفض أكثر من ذلك في العقود القادمة.

What happened to the great promise of this technology?

ماذا حدث للتنبؤ الهائل بهذه التقنية؟

It turns out nuclear power faces many hurdles,

يبدو أن الطاقة النووية تواجه صعوبات كثيرة،

including high construction costs

منها: تكلفة الإنشاء العالية،

and public opposition.

والمعارضة الجماهيرية.

And behind these problems lie a series of unique engineering challenges.

ووراء هذه المشكلات تكمن سلسلة من التحديات الهندسية الاستثنائية.

Nuclear power relies on the fission of uranium nuclei

تعتمد الطاقة النووية على انشطار نواة اليورانيوم،

and a controlled chain reaction

والتحكم في تفاعل متسلسل

that reproduces this splitting in many more nuclei.

يُعيد إحداث هذا الانشطار في أنوية أخرى كثيرة.

The atomic nucleus is densely packed with protons and neutrons

نواة الذرة مكتظة بالبروتونات والنيوترونات

bound by a powerful nuclear force.

المُقيدة بقوة نووية هائلة.

Most uranium atoms have a total of 238 protons and neutrons,

معظم ذرات اليورانيوم تحوي 238 بروتون و نيوترون معًا،

but roughly one in every 140 lacks three neutrons,

لكن واحدة تقريبًا من كل 140 ذرة تفتقر إلى ثلاثة نيوترونات،

and this lighter isotope is less tightly bound.

وهذا النظير الأخف أقل تقيّدًا.

Compared to its more abundant cousin,

بالمقارنة بقريبتها الأوفر منها،

a strike by a neutron easily splits the U-235 nuclei

فإن ارتطام نيترون يشطر نواة يورانيوم 235

into lighter, radioactive elements called fission products,

إلى عناصر أخف وأكثر إشعاعًا تُسمى: نواتج الانشطار،

in addition to two to three neutrons,

بالإضافة إلى اثنين أو ثلاثة نيوترونات،

gamma rays,

آشعة جاما،

and a few neutrinos.

القليل من النيوترينات.

During fission, some nuclear mass transforms into energy.

خلال الانشطار، بعض كتلة النواة يتحول إلى طاقة.

A fraction of the newfound energy powers the fast-moving neutrons,

نسبة من هذه الطاقة المتولدة تحفز النيوترونات السريعة،

and if some of them strike uranium nuclei,

وعندما يرتطم بعضهم بنواة يورانيوم،

fission results in a second larger generation of neutrons.

يؤدي الانشطار إلى جيل ثانى أكبر من النيوترونات.

If this second generation of neutrons strike more uranium nuclei,

لو ارتطم الجيل الثانى من النيوترونات بأكثر من نواة يورانيوم،

more fission results in an even larger third generation, and so on.

فإن المزيد من الانشطارات سيولد جيلًا ثالثًا أكبر، وهكذا.

But inside a nuclear reactor,

ولكن بداخل مُفاعل نووى ما،

this spiraling chain reaction is tamed using control rods

هذه التفاعلات الحلزونية يتم ترويضها باستخدام عصي تحكم

made of elements that capture excess neutrons and keep their number in check.

مصنوعة من عناصر تأسر النيوترونات الزائدة وتحافظ على عددها تحت السيطرة.

With a controlled chain reaction,

وبالتحكم في التفاعل المتسلسل،

a reactor draws power steadily and stably for years.

سينتج المُفاعل الطاقة بصورة مستقرة وثابتة لسنوات.

The neutron-led chain reaction is a potent process driving nuclear power,

التفاعلات المحفَّزة بالنيوترونات تعتبر عملية فعّالة لتوليد الطاقة النووية،

but there's a catch that can result

لكن هناك فخًّا ما

in unique demands on the production of its fuel.

قد يؤدي إلى متطلبات استثنائية من أجل إنتاج الوقود.

It turns out, most of the neutrons emitted from fission have too much kinetic energy

اتضح أن معظم النيوترونات المنبعثة من الانشطارات لديها طاقة حركة هائلة جدًا

to be captured by uranium nuclei.

بالنسبة لنواة اليورانيوم كى تأسرها.

The fission rate is too low and the chain reaction fizzles out.

معدل الانشطار منخفض للغاية والتفاعل المتسلسل سيفشل.

The first nuclear reactor built in Chicago used graphite as a moderator

المُفاعل النووى الأول فى (شيكاغو) استخدم الجرافيت كوسيط

to scatter and slow down neutrons just enough

لتشتيت وتبطئة النيوترونات بشكل كافٍ

to increase their capture by uranium and raise the rate of fission.

لتزيد إمكانية أسرها باليورانيوم وزيادة معدل الانشطار.

Modern reactors commonly use purified water as a moderator,

المفاعلات الحديثة تستخدم غالبًا الماء المُنقَّى كوسيط،

but the scattered neutrons are still a little too fast.

لكن النيوترونات المشتتة لا تزال سريعة جدًا.

To compensate and keep up the chain reaction,

ولتعويض والإبقاء على التفاعل المتسلسل،

the concentration of U-235 is enriched

يتم تخصيب يورانيوم 235

to four to seven times its natural abundance.

من أربع إلى سبع مرات قدر تركيزه الطبيعي.

Today, enrichment is often done by passing a gaseous uranium compound

اليوم يتم التخصيب غالبًا عن طريق تمرير غاز من اليورانيوم

through centrifuges

عبر طوارد مركزية

to separate lighter U-235 from heavier U-238.

لفصل يورانيوم 235 الأخف عن يورانيوم 238 الأثقل.

But the same process can be continued to highly enrich U-235

لكن العملية قد تستمر لتخصيب أعلى ليورانيوم 235

up to 130 times its natural abundance

إلى 130 ضعف تركيزه الطبيعي

and create an explosive chain reaction in a bomb.

وخلق تفاعل متسلسل انفجاري في قنبلة.

Methods like centrifuge processing must be carefully regulated

وطرق مثل الطرد المركزي يجب ضبطها بعناية

to limit the spread of bomb-grade fuel.

لتحديد انتشار الوقود التفجيري.

Remember, only a fraction of the released fission energy

تذكروا،فإن نسبة ضئيلة من طاقة الانشطار المحررة

goes into speeding up neutrons.

تذهب لتسريع النيوترونات.

Most of the nuclear power goes into the kinetic energy of the fission products.

معظم الطاقة النووية تذهب كطاقة حركة لنواتج الانشطار.

Those are captured inside the reactor as heat by a coolant,

أولئك يتم أسرهم كحرارة داخل المفاعل عن طريق مُبرد،

usually purified water.

والذي عادة ما يكون الماء المنقى.

This heat is eventually used to drive an electric turbine generator by steam

هذه الحرارة تستخدم فى النهاية لدفع توربينات لتوليد الكهرباء بالبخار

just outside the reactor.

خارج المفاعل.

Water flow is critical not only to create electricity,

تدفق المياه ليس ضروريًا فقط لتوليد الكهرباء،

but also to guard against the most dreaded type of reactor accident,

لكن للحماية ضد أخطر أنواع حوادث المفاعلات،

the meltdown.

الانهيار.

If water flow stops because a pipe carrying it breaks,

ولو توقف تدفق الماء لأن الأنبوب الذى يحمله انكسر،

or the pumps that push it fail,

أو أن المضخة التي تدفعه توقفت،

the uranium heats up very quickly and melts.

سيسخن اليورانيوم بسرعة شديدة وينصهر.

During a nuclear meltdown,

أثناء الانهيار،

radioactive vapors escape into the reactor,

تهرب الأبخرة المشعة داخل المفاعل،

and if the reactor fails to hold them,

ولو فشل المفاعل فى حبسها،

a steel and concrete containment building is the last line of defense.

سيكون مبنى الاحتواء الخرساني خط الدفاع الأخير.

But if the radioactive gas pressure is too high,

لكن لو كان ضغط الغاز المشع عالي جدًا،

containment fails and the gasses escape into the air,

سيفشل الاحتواء وستهرب الغازات للهواء الطلق،

spreading as far and wide as the wind blows.

وستنتشر بعيدًا وبقدر ما تحملها الرياح.

The radioactive fission products in these vapors

أما نواتج الانشطار المشعة فى هذه الأبخرة

eventually decay into stable elements.

ستتحلل فى النهاية إلى عناصر مستقرة.

While some decay in a few seconds,

بينما يتحلل بعضها فى بضع ثوانٍ،

others take hundreds of thousands of years.

يتحلل البعض الآخر فى مئات ألوف السنين.

The greatest challenge for a nuclear reactor

التحدى الأكبر للمفاعل النووى

is to safely contain these products

هو الاحتواء الآمن لهذه النواتج

and keep them from harming humans or the environment.

والحيلولة دون إيذاء البشر أو الطبيعة.

Containment doesn't stop mattering once the fuel is used up.

الاحتواء لا تنتهي مهمته بمجرد استهلاك الوقود.

In fact, it becomes an even greater storage problem.

في الواقع، ستصبح مشكلة تخزين كبيرة.

Every one to two years,

كل عام أو عامين،

some spent fuel is removed from reactors

بعض الوقود المستهلك تتم إزالته من المفاعلات

and stored in pools of water that cool the waste

وتخزينه في أحواض مياه لتبريده

and block its radioactive emissions.

وإيقاف انبعاثاته المشعة.

The irradiated fuel is a mix of uranium that failed to fission,

الوقود المشع عبارة عن خليط من اليورانيم غير المنشطر،

fission products,

ونواتج الانشطار،

and plutonium, a radioactive material not found in nature.

والبلوتونيم، وهي مادة مشعة غير موجودة فى الطبيعة.

This mix must be isolated from the environment

هذا الخليط لا بد من عزله عن الجو

until it has all safely decayed.

حتى يتحلل تمامًا بأمان.

Many countries propose deep time storage in tunnels drilled far underground,

دول كثيرة اقترحت التخزين لوقت طويل في أنفاق عميقة،

but none have been built,

لكن لم يُبنَ منها شيء،

and there's great uncertainty about their long-term security.

وتحوم شكوك كثيرة حول الأمان على المدى البعيد.

How can a nation that has existed for only a few hundred years

كيف لأمة ظهرت قبل بضع مئات السنين فقط

plan to guard plutonium through its radioactive half-life

أن تخطط لحراسة البلوتونيوم خلال فترة نصف عمره الإشعاعي

of 24,000 years?

ذات الـ 24,000 عامًا؟

Today, many nuclear power plants sit on their waste, instead,

اليوم، العديد من محطات الطاقة النووية ترقد على مخلفاتها،

storing them indefinitely on site.

وتخزنها لأجل غير مسمى في الموقع.

Apart from radioactivity, there's an even greater danger with spent fuel.

بعيدًا عن الإشعاع النووى، يوجد خطر أكبر مع الوقود المستهلَك.

Plutonium can sustain a chain reaction

البلوتونيوم قد يستمر في التفاعل المتسلسل

and can be mined from the waste to make bombs.

وقد يتم استخراجه من النفايات لصنع القنابل.

Storing spent fuel is thus not only a safety risk for the environment,

لذا فإن تخزين الوقود المستهلَك ليس خطرًا على البيئة فحسب،

but also a security risk for nations.

لكنه خطر على الأمم أيضًا.

Who should be the watchmen to guard it?

من ينبغي أن يكونوا الحراس له؟

Visionary scientists from the early years of the nuclear age

العلماء التنبؤييون فى العصور السابقة للعصر النووى

pioneered how to reliably tap the tremendous amount of energy

كانوا هم الرواد فى كيفية استخلاص الطاقة الهائلة

inside an atom -

-داخل الذرة-

as an explosive bomb

كقنبلة تفجيرية،

and as a controlled power source with incredible potential.

وكمصدر طاقة، مُتحكَّم فيه، بإمكانيات مذهلة.

But their successors have learned humbling insights

لكن اللاحقين كانت رُؤًاهم متواضعة

about the technology's not-so-utopian industrial limits.

عن المحدودية الصناعية غير الطوباوية للتكنولوجيا.

Mining the subatomic realm makes for complex, expensive, and risky engineering.

إن التنقيب فى عالم الذرة عزز وجود هندسة معقدة، غالية وخطرة.