الهندسة الوراثية

حتى تاريخ 1970 ميلادية كان إجراء الأبحاث على الحمض النووي ( الدي إن أي)من أصعب الأمور التي كانت تواجه علماء الوراثة و الكيمياء.و كانت معظم الأبحاث تجرى بشكل غير مباشر على الحمض النووي الريبوزي (الأر إن أي)أو البروتين.و لكن الحال تحول بشكل كامل فأصبح علم الوراثة المتعلق بفحص الدي إن أي(و المعروف بعلم الوراثة الجزيئية)من أسهل العلوم و أكثرها تطورا.لقد أصبح من السهل صنع نسخ عديدة من أي جين (مورث) أو مقطع محدد من الدي إن أي.كما أمكن معرفة تسلسل الأحماض النووية بسرعة تتعدى المئات في اليوم الواحد.كما استطاع العلماء استكشاف الجينات الموجودة في على الكروموسومات كما استطاعوا تغيير و تعديلها بشكل الذي يريدون و ليس هذا فحسب بل استطاعوا أن يعيدوا هذه الجينات المعدلة إلى الخلية و غرزها في الكروموسوم الذي يريدون.كما أمكن إنتاج كميات كبيرة من البروتينات كالهرمونات و اللقاحات المختلفة و التي كانت تنتج في السابق من الجثث الميتة أو تستخلص من الحيوانات و التي كانت تحوفها المخاطر من انتقال العدوى إلى الإنسان.كما أن هذه الثورة العلمية فتحة المجال أمام الكثيرين من محبي هذا العلم في اختراع و اكتشاف طرق جديدة و حديثة في التعامل و حفظ و تغيير هذه المادة الحيوية في الإنسان و الحيوان و النبات.لقد غير هذه العلم المنطلق كالصاروخ الكثير من المفاهيم الطبية و التي دفعة كثير من كليات الطب إلى تعديل مقرراتها لتزويد طلابها بالمزيد من هذا العلم.

 لقد أُطلق على عملية نسخ و تعديل و زرع الجينات اسم الهندسة الوراثية و هو اسم عام لا يحدد فكرة معينة أو تقنيه محدده، ولكنه يعني بكل ما يقام به في تغيير أو تعديل المادة الوراثية.و يتفرع من هذا العلم الكثير من التقنيات و هي متناثرة و موزعة على الكثير من فروع الطب و العلوم.و ليس للحصر إليك أهم 6 تقنيات تختص بالهندسة الوراثية:

 1-قص و قطع الحمض النووي(Cleavage of DNA ) بمقصاة خاصة تسمى (Restriction Nucleases )و اكتشاف هذه المقصاة ساعد كثيرا في مهمة التحكم في الدي إن أي.

 2- فصل قطع الدي إن أي على لوح من الجل بالكهرباء (Gel Electrophoresis ).

 3-معرفة التسلسل النووي(DNA sequencing ) لكل قطع الدي إن أي التي يتم عزلها بشكل سريع و دقيق.و التي تسمح للعلماء معرفة التركيب الإنشائي للجينات و معرفة و استنتاج نوع البروتين الذي ينتج منه.

 4- تقنية تهجين الحمض النووي(Nucleic acid hybridization )، و التي مكنتنا في معرفة أحجام القطع من الحمض النووي و الكشف عن القطع المحددة من الحمض النووي في خليط معقد من القطع المتشابهة.

 5-استنساخ الدي إن أي(DNA cloning )، و التي تسمح بإنشاء نسخ عديدة و متطابقة من القطع الدي إن أي.

 6-تقنية هندسة أو تعديل الدي إن أي (DNA engineering )، و التي تسمح بإنتاج نسخة معدلة من جين ما ثم أعادته مرة أخرى إلى الخلية.  

  

تقنيات الهندسة الوراثية Recombinant DNA Techniques قص و قطع الحمض النووي:  كما هو معروف فان البروتينات موجودة داخل الخلية على شكل قطع منفصلة عن بعضها البعض و هذا بالطبع سهل عملية فصلها عن بعضها البعض بطرق فنية مناسبة.ولكن الجينات موجودة على الكروموسومات على شكل حبات متصلة ببعضها البعض و ليست على شكل قطع منفصلة.وهذا التسلسل و الترابط في الجينات جعل عملية فصله و عزل  و استخلاص جين محدد من بقيه الجينات مهمة صعبة ان لم تكن مستحيلة قبل عام 1970. ولكن اكتشاف الإنزيمات القاطعة(Restriction Nucleases ) ساعد في عملية استخلاص الجينات و قطع الدي ان أي و نسخها .  الإنزيمات القاطعة (Restriction Nucleases )  لا شك أن كل كائن حي لديه طرق دفاع مختلفة تحميه من غارات الأعداء و هجوم المعتدين! و البكتيريا هي إحدى هذه الكائنات و لها أعداء كثر و من أهم أعدائها الفيروسات المختلفة.و لقد قامة بعض من البكتيريا بإنتاج خمائر(إنزيمات) مهمتها تدمير الفيروسات.و من هذه الإنزيمات الإنزيمات القاطعة أو (Restriction Nucleases).و تقوم هذه المقصاة أو القواطع بقص الحمض النووي(الدي إن أي)للفيروس و بذلك يشل عمله و يبطل مفعولة. و بما أن الدي إن أي مادة موجودة بشكل طبيعي في البكتيريا كما هو الحال في الفيروسات و الكثير من الكائنات الحية فان هذه المقصاة قد تشكل خطرا على البكتيريا نفسها في قصها لدي إن أي الخاص بها.ولكن هذا لا يحدث و السر في ذلك هو  قيام البكتيريا بتحوير أجزاء من الدي إن أي الخاص بها عن طريق إضافة مجموعة الميثيل( Methyl) إلى بعض الأحماض النووي من نوع الادنين او السيتوسن(Methylation at an A or a C residue ) فلا يستطيع المقص أو القاطع من قص الحمض النووي الخاص بالبكتيريا.و عند اكتشاف هذه القواطع في السبعينيات الميلادية بدأ العلماء في استخدامها كمقصاة لقص الدي إن أي .و ساعدتهم هذه المقصاة في عملية التحكم في الدي أن أي.و يوجد حاليا أكثر من مائه نوع من هذه المقصاة.و تقسم هذه المقصاة إلى نوعين رئيسيين، النوع الأول يقص شريط الدي إن أي المزدوج بشكل رأسي مستقيم(Blunt ends) و النوع الثاني يقص بشكل متعرج(Staggered cuts, )  و بتالي يجعل طرفي الدي إن أي المقطوع مادة قابلة "للزق"قطعة غريبة من الدي أن أي فيها.و عن لزق قطعة من الدي إن أي في داخل الفراغ الناتج من القطع ينتج لنا قطعة مركبة من قطعتين مختلفتين من الدي إن أي و هذه القطعة تسمى دي إن أي مهجّن أو (Recombinant DNA).  كيف يتعرف الإنزيم القاطع على المكان المفترض أن يحدث القطع فيه؟  كل إنزيم قاطع يعتبر عن مقص خاص لقطع الدي إن أي في نقطة محددة.و يتعرف الإنزيم القاطع على مكان  القطع حسب تسلسل الدي إن أي للقطعة.فكل إنزيم قاطع يقطع في تسلسل محدد.فمثلا الإنزيم القاطع المعروف بالهيبا و احد(Hpa I )يقطع عندما يجد 6 من الأحماض النووية في هذا التسلسل ( GTTAAC) بينما الإنزيم القاطع إيكو أر واحد (Eco RI ) يقطع عندما يجد 6 من الأحماض النووية في هذا التسلسل( GAATTC).و للمعلومية فان هيبا واحد سمي بهذا الاسم لأنه يوجد في بكتيريا الهيموفلس بارا انفلونزا (Hemophilus parainfluenzae ) و هذا الإنزيم يعتبر من الإنزيمات التي تقطع بشكل رأسي مستقيم.بنما انزيم الايكو ار واحد فهو مأخوذ من بكتيريا الايكو كولي (Escherichia coli )، ويعتبر من الإنزيمات التي تقطع بشكل متعرج.   تسلسل مواقع القطع  Recognition Sites لبعض الإنزيمات القاطعة الإنزيم القاطع المصدر المقطع الذي تُميزة BamHI Bacillus amyloliquefaciens H GGATCC EcoRI Escherichia coli RY13 GAATTC HaeIII Haemophilus aegyptius GGCC HindIII Haemophilus influenzae Rd AAGCTT HpaI Haemophilus parainfluenzae GTTAAC HpaII Haemophilus parainfluenzae CCGG MboI Moraxella bovis GATC NotI Nocardia otitidis-caviarum GCGGCCGC SfiI Streptomyces fimbriatus GGCCNNNNNGGCC TaqI Thermus aquaticus TCGA قص و قطع الحمض النووي:  كما هو معروف فان البروتينات موجودة داخل الخلية على شكل قطع منفصلة عن بعضها البعض و هذا بالطبع سهل عملية فصلها عن بعضها البعض بطرق فنية مناسبة.ولكن الجينات موجودة على الكروموسومات على شكل حبات متصلة ببعضها البعض و ليست على شكل قطع منفصلة.وهذا التسلسل و الترابط في الجينات جعل عملية فصله و عزل  و استخلاص جين محدد من بقيه الجينات مهمة صعبة ان لم تكن مستحيلة قبل عام 1970. ولكن اكتشاف الإنزيمات القاطعة(Restriction Nucleases ) ساعد في عملية استخلاص الجينات و قطع الدي ان أي و نسخها .  الإنزيمات القاطعة (Restriction Nucleases )  لا شك أن كل كائن حي لديه طرق دفاع مختلفة تحميه من غارات الأعداء و هجوم المعتدين! و البكتيريا هي إحدى هذه الكائنات و لها أعداء كثر و من أهم أعدائها الفيروسات المختلفة.و لقد قامة بعض من البكتيريا بإنتاج خمائر(إنزيمات) مهمتها تدمير الفيروسات.و من هذه الإنزيمات الإنزيمات القاطعة أو (Restriction Nucleases).و تقوم هذه المقصاة أو القواطع بقص الحمض النووي(الدي إن أي)للفيروس و بذلك يشل عمله و يبطل مفعولة. و بما أن الدي إن أي مادة موجودة بشكل طبيعي في البكتيريا كما هو الحال في الفيروسات و الكثير من الكائنات الحية فان هذه المقصاة قد تشكل خطرا على البكتيريا نفسها في قصها لدي إن أي الخاص بها.ولكن هذا لا يحدث و السر في ذلك هو  قيام البكتيريا بتحوير أجزاء من الدي إن أي الخاص بها عن طريق إضافة مجموعة الميثيل( Methyl) إلى بعض الأحماض النووي من نوع الادنين او السيتوسن(Methylation at an A or a C residue ) فلا يستطيع المقص أو القاطع من قص الحمض النووي الخاص بالبكتيريا.و عند اكتشاف هذه القواطع في السبعينيات الميلادية بدأ العلماء في استخدامها كمقصاة لقص الدي إن أي .و ساعدتهم هذه المقصاة في عملية التحكم في الدي أن أي.و يوجد حاليا أكثر من مائه نوع من هذه المقصاة.و تقسم هذه المقصاة إلى نوعين رئيسيين، النوع الأول يقص شريط الدي إن أي المزدوج بشكل رأسي مستقيم(Blunt ends) و النوع الثاني يقص بشكل متعرج(Staggered cuts, )  و بتالي يجعل طرفي الدي إن أي المقطوع مادة قابلة "للزق"قطعة غريبة من الدي أن أي فيها.و عن لزق قطعة من الدي إن أي في داخل الفراغ الناتج من القطع ينتج لنا قطعة مركبة من قطعتين مختلفتين من الدي إن أي و هذه القطعة تسمى دي إن أي مهجّن أو (Recombinant DNA).  كيف يتعرف الإنزيم القاطع على المكان المفترض أن يحدث القطع فيه؟  كل إنزيم قاطع يعتبر عن مقص خاص لقطع الدي إن أي في نقطة محددة.و يتعرف الإنزيم القاطع على مكان  القطع حسب تسلسل الدي إن أي للقطعة.فكل إنزيم قاطع يقطع في تسلسل محدد.فمثلا الإنزيم القاطع المعروف بالهيبا و احد(Hpa I )يقطع عندما يجد 6 من الأحماض النووية في هذا التسلسل ( GTTAAC) بينما الإنزيم القاطع إيكو أر واحد (Eco RI ) يقطع عندما يجد 6 من الأحماض النووية في هذا التسلسل( GAATTC).و للمعلومية فان هيبا واحد سمي بهذا الاسم لأنه يوجد في بكتيريا الهيموفلس بارا انفلونزا (Hemophilus parainfluenzae ) و هذا الإنزيم يعتبر من الإنزيمات التي تقطع بشكل رأسي مستقيم.بنما انزيم الايكو ار واحد فهو مأخوذ من بكتيريا الايكو كولي (Escherichia coli )، ويعتبر من الإنزيمات التي تقطع بشكل متعرج.   تسلسل مواقع القطع  Recognition Sites لبعض الإنزيمات القاطعة الإنزيم القاطع المصدر المقطع الذي تُميزة BamHI Bacillus amyloliquefaciens H GGATCC EcoRI Escherichia coli RY13 GAATTC HaeIII Haemophilus aegyptius GGCC HindIII Haemophilus influenzae Rd AAGCTT HpaI Haemophilus parainfluenzae GTTAAC HpaII Haemophilus parainfluenzae CCGG MboI Moraxella bovis GATC NotI Nocardia otitidis-caviarum GCGGCCGC SfiI Streptomyces fimbriatus GGCCNNNNNGGCC TaqI القطع المحددة (Restriction fragments ):  عندما يضاف الإنزيم القاطع إلى محلول به شريط من الدي إن أي فانه يقطّعه إلى عدة قطع و ليس إلى قطعتين فقط.و كل قطعة مقطوعة بالإنزيم تسمى قطعة محددة.و يختلف طول هذه القطع على حسب المسافة التي بين كل مقطع و أخر.و لكن يجب أن تكون كل قطعة محددة لها نفس الحجم في كل نوع من الكائنات الحية.و ذلك يعني أن جميع الناس(الإنسان)لديه قطعة محددة معينه يقطعها الإنزيم القاطع هيبا واحد في الكروموسوم رقم 2.و يمكن التأكد من ذلك بتحليل قياس لهذه القطعة بتقنيه حركة الدي إن أي الكهربائية على الجيل(انظر موضوع حركة الدي إن أي الكهربائية في الجل( Gel Electrophoresis).و إذا لم حدث أن وجد إنسان ليس لديه نفس الحجم المفترض للقطعة ففي هذه الحالة نستنتج أن هذا الشخص لدية طفرة(تغير في تسلسل الدي إن أي)في احد الأماكن التي كان من المفترض أن يقصها الإنزيم فلم يتم القطع فيها.و بذلك فان حجم القطعة قد اختلف تعرف هذه الظاهرة عند علماء الوراثة بتفاوت القطع المحددة المصحوب بطفرة(Restriction Fragment Length polymorphism. RFLP ) خريطة القطع المحددة RFLP's  Map  لقد أنشاء العلماء خريطة تسمى خريطة القطع المحددة لكثير من الكائنات الحية.و هذه الخريطة تبين مكان القطع و محلها مقارنة بالقطع الأخرى .و عملت هذه الخريطة عن طريق تقطيع جميع الكروموسومات بإضافة أنواع مختلفة من الإنزيمات القاطعة ثم رتبت هذه القطع بشكل منتظم.و كان الهدف من هذه الخريطة هو لتحديد نقاط و علامات على طول الشريط الطويل من الدي إن أي التي تتركب منه الكروموسومات و لكي يستطيعوا أن يقارنوا بين هذه القطع في الكائنات المختلفة. خريطة للقطع المحدودة لـليمبدا فيج  و فيروس الادينوفيرس.توضح مواقع القص لثلاث أنواع من الإنزيمات القاطعة  BamHI, EcoRI, and HindIII )) قطعة بطول 48ز5 كيلوبيس من البكاتريوفيج  ليمبدا()قطع بالإنزيم القاطع ايكو واحد في خمس أماكن و نتج عنه ست قطع متفاوتة الطول و الحجم.و لقد وضعت هذه القطع على لوح من الاقروز و فصلة و اخرج حجمها كما هو موضح في الشريط الأسود في أسفل الصورة.   فصل قطع الدي إن أي على لوح من الجل بالكهرباء(Gel Electrophoresis)  استعمل العلماء تقنية فصل البروتينات عن بعضها البعض بطريق انتقالها(رحلان) و انفصالها عن بعضها البعض، و ذلك  عن طريق تعريضها إلى تيار كهربائي و هي على لوح من المادة الهلامية المعروفة بالجل.ولقد استعمل العلماء نفس الفكرة  في فصل قطع الدي إن أي عن بعضها البعض.ومن المعروف أن الحمض النووي عبارة عن شحنة سالبة و لذلك فعند و ضع بعض من الدي إن أي في طرف من أطراف لوح الجيل ثم وتعريضها لتيار كهربائي بحيث يكون القطب السالب عند الطرف الذي وضعنا فيه الدي إن أي و القطب الموجب عن الطرف الأخير من ألواح فان الدي إن إي ينتقل تلقائيا بتجاه الطرف الذي فيه القطب الموجب و تتوقف حركة قطع الدي إن أي على حسب إحجامها على طول اللوح.فالقطع الصغيرة تتحرك بشكل اكبر من القطع الكبيرة. و بذلك يمكن فصل هذه القطع عن بعضها البعض.و يمكن تحديد ا لحجم الفعلي لكل قطعة عن طريق إضافة قطع معروفة الحجم من الدي إن أي و التي تكون مقياس يرجع إليه لاستنتاج أحجام القطع.  وهناك نوعان أساسيان من ألواح الجيل.الأول يسمى بجيل الاقروز (Agarose gel ) و الثاني بجيل البولي اكريليميد(Polyacrylamide gel  ).و نظرا لصغر الفراغات التي بين البولي اكريليميد فانه يستخدم لفص القطع الصغيرة الحجم من الدي ان أي و في العادة التي تكون اصغر من    500جزيء من الحمض النووي و التي تتفاوت بين بعضها البعض بجزيء أو جزيئين (انظر الرسم A)..بينما يستخدم الاقروز للأحجام الأكبر من الدي إن أي. و التي يتراوح حجمها بين 300 إلى 10000 جزيء من الدي إن أي (انظر الرسم B)..ومادة الاقروز هي مادة سكرية مستخرجة من الطحالب و عند تحضيرها فإنها تشبه في قوامها الجيلاتين الذي نأكله و لكنها أقوى في قوامها بعض الشيء و لكنها قابلة للتهتك أو الانقطاع عند نقلها بغير حرص. و لقد واجهه العلماء صعوبات في فصل القطع الكبيرة من الدي إن أي و ذلك لان هذه القطع و عند وضعها  على جيل الاقروز و بعد تسليط التيار الكهربائي عليها تتوقف لأنها تتمدد بشكل متعرج على شكل ثعبان ملتوي طرف باتجاه القطب السالب و الأخر بتجاه القطب الموجب.و لقد حلت هذه المشكلة عن طريق تعريض جل الاقروز إلى مستويات متفاوتة من القوة الكهربائية على طول اللوح و بذلك فان قطعة الدي إن أي الطويلة عندما تتعرض إلى تيار كهربائي مختلف يجعلها تعدل من تمددها المتعرج  قبل أن تدخل في التيار الكهربائي الجديد و يستمر هذا التفاوت في التيار و التعديل في قوام القطعة حتى تصل إلى المكان الذي يجب أن تقف فيه حسب حجمها. و يسمى هذا النوع من الفصل بالفصل عن طريق المجال الكهربائي المتردد (Pulsed-field gel electrophoresis ).و أمكنت هذه التقنية من فصل قطع كبيرة من الدي إن أي و حتى فصل قطع من الكروموسومات على الجل و تتراوح القطع التي يمكن فصلها بهذه الطريقة بين 220000 إلى 2.5 مليون جزيء من الدي إن أي (انظر الرسم C).  لا تكون القطع المفصولة بالبولي اكريليميد و الاقروز واضحة للعيان و لذلك فان لوح الجيل يعرض إلى مادة لصباغة الدي ان أي و اشهر هذه المواد هو مادة برميدات الاثيديوم (  Ethidium Bromide )و التي تلمع عند تعريضها للأشعة فوق البنفسجية.و هناك طريقه أكثر دقه لمشاهدة القطع على لوح الجيل و هذه الطريقة تعتمد على إضافة مادة مشعة نووية إلى الدي إن أي قبل أن يوضع على لوح الجيل و لكن هذه الطريقة تحتاج إلى احتياطيات معينه لكي لا تضر بمن يستخدمها.   معرفة التسلسل النووي(DNA sequencing )  لا شك أن العلماء يحتاجون إلى معرفة التركيبة التسلسلية لكل جين و هذا يمكنهم من معرفة المزيد عن البروتين الذي يصنعه ذلك الجين وعن التركيبة التنظيمية لعمل الجين و قد يصلون على ضوءه إلى معرفة الأمور التي تتحكم في عمله.كما انه بمعرفة التسلسل النووي للجين يمكن مقارنته بالجينات التي سبق اكتشافها و هذا قد يعطي معلومات غزيرة عن وضيفة هذا الجين و يختصر الكثير من الابحاث و يتجنب اعادة اجرائها.وهناك طريقتان أساسيتان لمعرفة التسلسل النووي لأي قطعة من الدي إن أي.الأولى تسمى بالطريقة الإنزيمية (Enzymatic method ) و الأخرى بالطريقة الكيميائية(Chemical ).و لقد طغت الطريقة الأولى حتى أصبحت هي الطريقة الأكثر استعمالا. الطريقة الإنزيمية (Enzymatic method ):  يطلق على هذه الطريقة أيضا طريقة سنجر (Sanger procedure )نسبة إلى د.فريدريك سنجر و الذي أسس هذه الطريقة.كما أنها أيضا تعرف التسلسل عن طريق دي ديوكسي (dideoxy sequencing).و تترتكز هذه الطريقة على مفهوم أن شريط الدي إن أي في الأساس مبنى من جزيئات من الديوكس يختلف الديوكسي نيوكلويتيد عن  دي ديوكسي بيوكلوتيد بعدم و جود مجموعة (هيدروكسي)في النقطة الثالثة من حلقة السكر الخماسية الشكل. نيوكلويتيد (deoxynucleotides (dNTPs )و يوجد على النقطة الثالثة من حلقة السكر الريبوزي مجموعة مؤكسدة أي مجموعة هيدروكسيه( OH)و هذه النقطة هي التي ترتبط في النقطة الخامسة من الجزيء الذي يليها  و هكذا يتم الترابط لتكوّن شريط طويل من الدي إن أي.و لقد قام د.ستنجر بالاستفادة من هذه الخاصية فبدّل الجزيء من (OH)إلى (H ) عن طريق إضافة دي ديوكسيو بيوكلوتيد(ddNTPs) بدل من ديوكسي نيوكلوتيد(dNTPs ) و ذلك عن طريق نسخ الشريط مرة أخرى و هذا يؤدي الى توقف ترابط الجزيئات و يكون في طرف كل جزيء نوع واحد من الأحماض النووية. و إليك الخطوات الأساسية للقيام بهذا الاختبار بالترتيب: 1- القيام بنسخ الدي ان أي و ذلك على الشكل التالي: أ- أضف إلى عينة الدي إن أي قطع من البريمر(specific primer)يعرف انه سوف يلتصق بالدي إن أي المراد نسخة و معرّف(ملتصق بطرفة) بعنصر مشع. ب- قسم العينة إلى أربع أنابيب اختبار و كل أنبوبة اكتب عليها السماء التالية (dGTP, dATP, dCTP, and dTTP).. ج- أضف إنزيم البولمريز ( DNA polymerase) د-أضف إلى كل أنبوبة نوع واحد من الدي ديوكسي نيوكليتيد حسب اسم الأنبوب.و أضيف معه كمية من ديوكسي نيولكليتيد.سوف يحدث التفاعل و يبداء البريمر ببنان و تركيب و رص هذه الأحماض النووية.وعند إضافته لدي ديوكسي نيوكليتيد فان الشريط يتوقف على هذه النقطة.ثم يحدث تفاعل أخر لنسخ شريط أخر و عند إضافة دي ديوكسي نيوكليتيد يتوقف التفاعل و هكذا تستمر العملية و ينتج عندي في النهاية قطع منسوخة و متفاوتة الطول في كل أنبوب اختبار.  2- أضيف كمية من كل الأربعة أنابيب في حقل خاص على لوح الاقروز ثم امرر تيار كهربائي و من ثم تظهر على طول اللوح القطع المنسوخة و المتفاوتة الأطوال كل حقل يعطيني ترتيب القطع. 3-تعريضها للأشعة(Autoradiography) لكي يتسنى رؤية الدي إن أي و الذي عليه مادة مشعة. 4- ابدأ بقراءة لوح الاقروز من أسفل إلى أعلى.وكل ما مر على نسخة من الدي إن أي اعرف ترتيب و نوع الديديوكسي نيوكليتيد الذي في طرفة و استمر في القراءة إلى أن ينتهي لوح الاقروز. و لتسهيل عملية القراءة استخدم الكمبيوتر لكي يقرأها بشكل إلي و ذلك بتعريض لوح الاقروز إلى أشعة ليزر و عن طريق وحدة استشعار و مضخم للنبضات (photomultiplier ) يستطيع الكمبيوتر أن يحدد نوع الدي ديوكسي نيوكليتيد و ثم يرتبها و يطبعها و يعطيك رسماً بيانياً لاماكن كل حمض نووي و بالألوان.و لا تستخدم المواد المشعة في القراءة الآلية بالكمبيوتر بل يستعاض عنها بمادة مضيئة(fluorescent )  توضع على البريمر على أن يكون لكل دي ديوكسي نيوكليتيد لون مختلف عن الآخر(أي أربعة ألوان من المادة المضيئة) و بذلك يمكن أن تمر جميع القطع في ممر واحد كما هو واضح في الرسم الجانبي. و نظرا إلى أن جهاز الكمبيوتر قابل للخطاء فانه يلزم التدقيق و المراجعة لتفادي حدوث الأخطاء.و لقد قامة أجهزة كمبيوتر عملاقة تعمل على مدار الساعة و تحت مظلة مشروع الجينوم البشري بالكشف الكامل(99% تقريباً)من التسلسل النووي لجميع الدي إن أي الموجود في الإنسان و قد سبق ذلك الكشف عن التسلسل النووي لكثير من الكائنات الحية و العمل جاري لمعرفة المزيد. الناقلات (   Vectors)  الناقل و التي تسمى باللغة الإنجليزية "فيكتور" هي في الغالب فيروسات أو قطع من الحمض النووي موجودة في البكتيريا.كما أن هناك أنواع صناعية تم صنعها في المختبرات الطبية و هي في العادة مواد شبه صناعية لأنها في الأصل مصنعة من مواد موجودة في الطبيعة.و من لديهم اهتمام بالبروتكولات و الطرق التعامل مع هذه الناقلات اقترح عليك مراجعة هذه الصفحة ولاتي تحتوي على العديد من الروابط المتعلقة بالعناية بالناقلات البلازميد (  Plasmid )  و هي من اشهر الناقلات ،و هو عبارة عن قطعة صغيرة من الحمض النووي قابلة للتكاثر بمعزل عن بقية الحمض النووي الموجود في الكروموسومات .و هي شبيهة بالفيروس الصغير و لكنها لا تحتوي على طبقة خارجية من البروتين. . و البلازميد عبارة عن قطعة من الحمض النووي موجود في البكتيريا خاصة في  الاي كولي(E.Coli) و بعض أنوع الخميرة ( Yeast) .و لدية القدرة على التكاثر الذاتي و بمعزل من بقية الكروموسومات الموجودة في الخلية.كما أن هناك بلازميدات تستطيع التكاثر داخل البكتيريا و الخميرة في آن واحد. و يوجد نوعان من البلازميد على حسب نوع الحمض النووي فيها فهناك البلازميد المصنوع من الدي إن أي (DNA ) و نوع أخر مصنوع من الأر إن أي (RNA ). و هناك أنواع عديدة من البلازميد فمنها الصغير و منها الكبير كما أن منها ما لا يحتوي على أي جين بينما هناك أنواع كبيرة تحتوي على عدة جينات.و بالإضافة إلى وحدة التكاثر الذاتي الموجد على البلازميد هناك الكثير من الجينات التي قد تكون على البلازميد و هي مفيدة للعلماء في عملية نسخ الجينات و القطع النووية فمثلا فد يوجد على البلازميد جين خاص يكافح المضادات الحيوية كالمبيسيلين و التترسيكلين .و هذه الجينات الحامية من المضادات الحيوية تساعد في التعرف و عزل البكتيريا التي تحتوي على البلازميد الذي عليه الجين الذي كنا ننوي استنساخه (للمزيد راجع عملية نسخ الجينات و القطع النووية)و يعتقد نظريا أن الفيروسات المنتشرة في الأصل كانت بلازميدات حيث أنها اكتسبت غلاف بروتيني خارجي و أصبحت فيروساً.  أنواع البلازميد التي تنمو في خميرة الخبز   YIP, yeast integrating plasmid = selectable marker +cloning sites YRP, yeast replicating plasmid = YIP + ARS origin of replication YEP, yeast expression plasmid = YIP + 2 micron origin of replication YCP, yeast centromere plasmid = YRP + centromere sequence    الناقلات الفيروسية ( Viral Vectors) :  إن اشهر هذه الأنواع هي الفيروسات البكتيرية المعروفة بالفيج (  Phage). و هي عبارة عن قطعة من الدي ان أي مغطاة بغلاف بروتيني. ومن اشهر أنواع الفيج ما يسمى بفيج لمدا (lambda phage) و هو فيروس موجود في الاي كولي E. coli. وهذا النوع من الناقلات تستطيع أن تحمل قطعة من الدي إن أي حتى غاية   كيلوبيز.و لقد حوّرت هذه الفيروسات لكي تستطيع حمل كمية اكبر من الدي إن أي.فعلا سبيل المثال الكوزميد ( Cosmids ) عبارة عن تهجين جزء(قطعة من الدي ان تسمى اللاصقة cohesive sequence و تعرف مختصرة بالكوز Cos sequence) من فيج ليمبدا(Phage ) مع بلازميد (Plasmid ) و الذي يستطيع نقل حتى 40 كيلوبيز (40kb ) و الباك الفيروسي المسمى بكروموسوم بي 1 الصناعي (PAC P1-derived Artificial Chromosomes / ) عبارة عن تحوير للفيج بي 1 (P1 Bacteriophage ) و إضافته إلى البلازميد..  Cos sequence from Lambda phage + Plasmid Cosmid P1 Phage + Plasmid PAC Modified E.coli fertility plasmid-factor BAC الناقلات الكروموسومية الصناعية (Artificial Chromosomes ):  نظرا للحاجة إلى نقل إحجام كبيرة من الدي إن أي فقد قام بعض العلماء بتحوير بعض الناقلات الطبيعية  لكي تقوم بهذه المهمة.و يوجد حاليا ناقلات على شكل كروموسوم و فيها القطع الأساسية لكي تعمل على شكل كروموسوم.و من هذه الأنواع ما يعرف بــ الياك او كروموسوم الخميرة الصناعي(Yeast Artificial Chromosomes / YAC  ) و الذي يستطيع نقل أكثر من 500 كيلوبيز (500 kb ).و الياك عبارة عن قطعة من الدي ان أي مترابطة و تحتوي على طرفين للكروموسوم(2 Telomeres) و مركز للكروموسوم(Centromere) و مركز للتكاثر(Autonomous replicating sequence ARS).بينما الباك البكتيري(Bacterial Artificial Chromosomes / BAC  )و الذي يستطيع حمل حتى 150 كيلوبيز (150 kb ) هو تحوير للبلازميد المعروف ببلازميد تناسل بكتيريا الايكولي(E.coli fertility plasmid-factor)).  نوع الناقل Vector حجم الدي ان أي الذي يستطيع حملة البلازميد Standard plasmid 0- 10        KB لمبدا بكتيريوفيج محور Lambda Bacteriophage 0-23 Kb         كوزميد Cosmid 30-44       Kb بكتريوفيج بي 1 Bacteriophage P1 70-100     Kb كروموسوم بي 1 الصناعي P1 P1Artificial chromosome           PAC 130- Kb 150 كروموسوم البكتيريا الصناعي Bacterial Artificial Chromosome BAC بحد أقصى 300 Kb كروموسوم الخميرة الصناعي Yeast Artificial Chromosome     YAC 0.2-2       Mb المرجع:1996Human Molecular Genetics by T.Strachan and A.Read     Thermus aquaticus   TCGA

اقرء المزيد

الخاصية الشعرية

الخاصية الشعرية هي خاصية فيزيائية يتم بواسطتها انتقال السائل من الأسفل إلى الأعلى، كانتقال الماء من أسفل الشجرة (الجذور) إلى أعلاها(الأوراق)، أو كارتفاع السائل عن طريق (أنبوب) من الأسفل إلى الأعلى (دون التأثير عليه بقوة خارجية)عند وضعه في إناء. فعندما يوضع الأنبوب الزجاجي في الماء تنجذب بعض جزيئات الماء لجزيئات السطح الداخلي للأنبوب بفعل قوة تسمى قوة التلاصق، وتشد جزيئات الماء هذه بدورها جزيئات الماء الأخرى المجاورة لها بفعل قوة تسمى قوة التماسك، مما يؤدي إلى ارتفاع الماء في الأنبوب الزجاجي، ويستمر ارتفاع الماء إلى أعلى في الأنبوب الزجاجي إلى أن يصبح وزنه مساوياً لقوة الشد تلك، فيتوقف عندها ارتفاع الماء في الأنبوب ويزداد أثر هاتين القوتين في الأوعية أو الأنابيب الضيقة عنها في الواسعة، وبذا يكون مستوى سطح السائل في الأنبوب الشعري أعلى منه في الحوض، وتعرف هذه الظاهرة بالخاصية الشعرية.

وكذلك فان للخاصية الشعرية دور مهم في حياتنا فهي تلعب دور كبير في عمليات ترشيح الدم في الكلى كما في الحالب (الانبوبة الضيقة التي تصل من الكلى إلى المثانة لتنزيل قطرات البول للمثانة) ليست مستقيمة بل معوجة حتى لا يرتجع البول مرة أخرى بالخاصية الشعرية إلى الكلى ويؤدى إلى الفشل الكلوي. ومن أبسط المشاهد التي نراها في حياتنا اليومية هي ارتفاع الماء بالخاصية الشعرية عند وضع شفاطة ضيقة في كأس فيه ماء إلى مستوى معين ليتوقف عند تساوي الضغط الجوى مع ضغط عمود السائل.
ويتأثر أيضا ارتفاع السائل بعدة عوامل:

1. كثافة السائل.
2. قطر الانبوبة الشعرية.
3. الضغط الجوي.

الخاصية الشعرية بالتربة

تنتج من قوتين هما :

1. التجاذب (Cohesion) : ويحدث بين جزئيات الماء.
2. الالتصاق (Adhesion) : ويحدث بين جزئيات الماء وجزيئات التربة المختلفة.

كنتيجة لهذه القوى فان المياه تسحب في المسامات ذات الأقطار الصغيرة في اتجاه معاكس للجاذبية فوق مستوى المياه الجوفية لتشكل منطقة رطبة تسمى منطقة الشعيرات المائية، وهو ما يحدث في (Glass Tube) ذو قطر صغير عند وضع إحدى طرفيه في خزان ماء والطرف الآخر مفتوح للضغط الجوي. يرمز لسمك الحافة الرطبة ب (hc) عادة ما تكون هذه المنطقة ذات سمك أكبر في التربة ذات الحبيبات الناعمة منها في التربة ذات الحبيبات الخشنة لان قطر المسامات يكون أصغر.

اقرء المزيد

الخصائص النوويه ليعض العناصر

الخصائص النوويه ليعض العناصر و التى تستخدم فى القذف النووي :

1- الذهب :
نواة الذهب تبعد عنها النيترونات بعيدا ..
بينما تستطير جسيمات ألفا عند أقترابها من ذرات الذهب ..

2- الكوبلت :
يمتص و يشع أشعة جاما ..

3- البريليوم :
عاكس لجسيمات ألفا ..
و البروتونات ..
و الألكترونات ..
و النيترونات ..

و مهدئ للتفاعلات النوويه ..

مصدر للنيترونات و أشعة أكس ..

4- الكادميوم و البورون و الأنديوم :
عناصر شرهه لأمتصاص النيترونات ..



- شمع البرافين ( الكان ) :

- غنى بالهيدروجين , الذى تسهل إثارة أنويته .. و أطلاقها ..
- عندما تصطدم النيترونات بالبرافين .. تنطلق البروتونات ( H+) .. مكتسبة طاقة النيترونات ..



- كبريتات النوشادر :
غنيه بالدوترونات (1H2 )
-
يستخدم الراديوم فى القذف النيترونى ..
حيث قيمة أشعاعه من النيترونات تعادل 1.000.000 ضعف لليورانيوم ..

لبللورة الزيركون أحزمة تحيطها تشبه تماما احزمة فان آلن التى تحيط بالأرض ..
و التى تحميها من قذف أنوية الأشعه الكونيه ...

و لقد أكتشف جبل ضخم بالبرازيل مللئ ببلورات ضخمه للزيركون ..
و بعض البللورات بلغ نصف قطرها 2سم و طولها 10 سم ..
و هو من أحجار ناريه ..
فثمنت الأحجار بكراره بإيطاليا ..
ثم أنتشرت تحت أسم لابلادورا ..

اقرء المزيد

دروس في الفيزياء النووية

بسم الله الرحمن الرحيم

و لا عدوان إلا علي الظالمين

و صلاة و سلاما علي المبعوث الأمين

محمد بن عبد الله

عليه و علي آله و من والاه

إلي يوم الدين

إذا رجعنا إلي الوراء مئة و عشرة من الأعوام , آي قبل اختتام القرن التاسع عشر , لوجدنا أن الأوساط العلمية حينئذ كانت تتحدث عن الإشعاعات الغريبة الشأن التي أكتشفها العالم الفرنسي بيكوريل و التي كانت تنبعث من تلقاء نفسها من بعض أملاح اليورانيوم , ثم ما لبثت مدام كوري و زوجها أن اكتشفا مادة الراديوم و هي ذات إشعاعات أقوي من اليورانيوم بحوالي مليوني ضعفا , و كان العلم في دهشة من هذه الإشعاعات الراديومية التي تجعل الراديوم يتوهج في الظلام , و ترفع من درجة حرارته , و سرعان ما أدركت خواص تلك الأشعة القوية القتالة فاستخدمت للفتك لخلايا السرطان ؛ و نظر العلماء إلي هذه الأشعة كدليل علي جبروت الطاقة المختزنة و التي تغلي في باطن المادة , و لكن كيف ؟ و علي آية صورة ؟

يرجع الفضل الأكبر في كشف حقائق هذا النشاط الإشعاعي إلي العالم الأنجليزى أرنست راذرفورد الذي أدي إلي علم الطبيعة النووية خدمات متتالية جعلته يعتبر بحق أعظم عالم تجريبي ذري هذا القرن ؛ فقد أجري بمساعدة ( F.Soddy ) جملة تجارب أدت إلي أعلانهما عن حقيقة النشاط الإشعاعي ؛ و طبقا لهذه النظرية تنفجر بعض ذرات المواد المشعة و ينبعث من الحطام بقوة إلي الخارج ؛ و قد وجدت أن هذه الإشعاعات ليست متجانسة , بل تشمل ثلاث أنواع سميت بالحروف : ألفا , بيتا , جامل , و هي الحروف الثلاثة الأولي في اللغة الإغريقية ؛ و عند انفجار ذرة اليورانيوم مثلا فإن ما بقي من الذرة يستمر في الانفجار المتتالي حتى تصبح الذرة المتبقية ذرة رصاص فتقف عن التفتت ؛ و لم يكن للذرة تركيب معروف حينئذ , و كان العالم الأنجليزى ج.ج.تومسون مكتشف الإلكترون , قد أقترح بأن تصور الذرة كأنها كرة من الكهرباء الموجبة تحمل في ثناياها الالكترونات السالبة التكهرب ؛ كما توجد البذور داخل ثمرة التفاح أو البرتقال ؛ و لكن هذه الصورة سرعان ما أهملت ؛ إذ أن انبعاث جسيمات بيتا السالبة ( و هي الكترونات ) بسرعة كبيرة من داخل الذرات – كما لاحظ العالم الألماني لينارد – يدلنا علي أن الذرة معظمها فراغ .

و كان أن وضع راذرفورد مرة أخرى في سنة 1911 , و كان حينئذ في جامعة مانشستر , أساس الصورة التي مازالت في جوهرها سائدة حتى الآن ؛ فقد أثبت بتجارب أجراها حينئذ بأن الشحنات الموجبة في الذرة يجب أن يكون مركزها في حيز صغير جدا في وسط الذرة ؛ و أن الالكترونات - ذات الشحنات السالبة – متحركة بسرعة حول النواة علي مسافات كبيرة منها ؛ آي أن الذرة في مجموعها ليست سوي مجموعة شمسية مصغرة تكون النواة فيها هي الشمس , و تكون الالكترونات فيها هي الكواكب التي تدور حولها .

و كانت قوانين الحركة الطبيعية المعروفة حينئذ تستلزم أن يشع الإلكترون ضوءا أثناء الحركة الدورانية و ينتج عن ذلك اقترابه في حركته من النواة , و هكذا يستمر في أشعاع ضوء و الاقتراب من النواة تدريجيا حتى يلتصق بها و تتلاشي شحنات الكهربية في الذرة و يتغير تركيبها ؛ و هذا لا يتفق مع المشاهد عمليا , إذ أن المواد المركبة من ذرات تبقي دائما ثابتة في تركيبها لا تتغير أبدا ؛ و كان من الواضح أن هذه الصعوبة ليس مرجعها نقص في صورة راذرفورد و لكن النقص كان في تلك القوانين الطبيعية التي يجب أن يسير بمقتضاها الإلكترون ؛ و في هذا الوقت الحرج في تاريخ العلم ( 1911 ) سافر شاب دنمركي ( نيلز بوهر ) إلي انجلترا للدراسة و بعد أن قضي سنة في كامبردج مضي إلي مانشستر حيث راذرفورد يواصل تجاربه و أبحاثه ؛ و في سنة ( 1913 ) أقترح بوهر القوانين التي رأى أن يسير علي هديها الإلكترون بدلا من تلك التي كانت سائدة قبلا , و التي ما نزال حتى الآن نطبقها علي الأجسام التي نراها و نقابلها في حياتنا العادية كالعربات و الطائرات و ما شابه ذلك .

فقد قال بوهر أن الالكترونات في حركتها لها قوانين خاصة بها فالإلكترون مثلا يستطيع أن يدور حول النواة دائما أبدا دون أن يقترب من النواة أو يفقد جزءا من طاقته ؛ وذلك في مسارات معينة حول النواة , و أنه إذا أنتقل الإلكترون من مسار إلي آخر من هذه المسارات المعينة فإنه يفقد جزءا من طاقته علي شكل إشعاع ضوئي إذا كان المسار الأخير أقرب إلي النواة , و أنه بعد هذا الانتقال يظل الإلكترون يدور في مساره الجديد دون أن يفقد جزءا من طاقته .

و قد نجحت هذه الفروض نجاحا كبيرا في شرح الظواهر الذرية , و لكن لم يكن العلماء مستريحين تماما للطريقة التي وضع بها بوهر اقتراحه بتحديد هذه المسارات المعينة التي يستطيع بها الإلكترون البقاء دائما أبدا دون إشعاع , فما هو السبب في وجودها ؟ نعم أنها نجحت نجاحا لم يكن متوقعا و لكن حتى سنة 1924 لم يستطع أحد التوصل إلي معرفة الجواب علي هذا التساؤل .

و كان يلزم للإجابة علي هذا السؤال نظرية وضعها عالم فرنسي هو " لويس دى بروجلي " في سنة 1924 , أحدثت رجة كبيرة في الأوساط العلمية حينئذ , فقد لاحظ دى بروجلي – و كان يعمل بمعمل عمه الذي كان يبحث في خواص الأشعة السينية – أن خواص الضوء أمكن شرحها علي أساس الفرض بأن الضوء له خواص الموجات و خواص الجسيمات معا في وقت واحد ؛ أي أن شعاعا ضوئيا متحركا نستطيع أن نشبهه بسيل من الجسيمات الصغيرة المتتابعة , و نستطيع أيضا تشبيهه بمجموعة من الموجات .

و تساءل دى بروجلي لماذا لا نفرض نفس الشئ لسيل من الجسيمات المادية – و لتكن من الالكترونات مثلا ؟ - فهذا السيل هو سيل من الجسيمات , فلماذا لا نفرض بأن له صفات موجية أيضا , و أنه في حركته يشيه حركة مجموعة من الموجات المتتابعة ؟ و قد أمكن لبعض العلماء التجريبيين التحقق من هذا الفرض و أثبتوا صحته علميا ؛ و بذا أصبحت الخواص الموجية للجسيمات الصغيرة شيئا ثابتا بالتجربة ؛ و قد أدى الفرض الجديد إلي زيادة فهمنا لحركة الالكترونات حول النواة و انتقالاتها , و حلت جميع مشاكل الالكترونات تقريبا علي أساس هذه النظرية التي تسمي ب " الميكانيكا الموجية " .

و ما يهمنا الآن هو ذكر الصورة أو النظام الذي كشفت عنه هذه النظرية , و الخاص بنظام حركة الالكترونات حول نواة الذرة .

فقد أثبتت النظرية أن الالكترونات التي تدور حول النواة إنما تدور و تتحرك علي سطوح ( كل منها يشبه القشرة الخارجية للبيضة ) تحيط بالنواة , و لنسم هذه السطوح بالقشور و أن هذه السطوح أو القشور التي تحيط بالنواة لا تستطيع أن تسمح غلا لعدد معين من الالكترونات بالبقاء فيها ؛ فالقشرة الأولي لا تحمل سوى إلكترونين , و الثانية لا تستطيع أن تسمح لأكثر من 8 الكترونات بالبقاء فيها و هكذا ,فالهيدروجين مثلا و تشمل ذرته إلكترون واحد , يستطيع هذا الإلكترون البقاء علي القشرة الأولي "أ" و كذلك الهيليوم و له إلكترونين , و لكن في ذرة الليثيوم و بها ثلاث إلكترونات تدور حول نواتها , فإنه لا يمكن للثلاثة الكترونات البقاء في القشرة الأولي , و لذا فإن أثنين منها تبقي في هذه القشرة و يشغل الثالث مكانا في القشرة التالية و التي بها ثمانية أماكن , و هكذا ؛ و بهذا أمكن معرفة كيفية توزيع الإلكترونات في حركتها حول النواة ؛ ثم لوحظ بعد ذلك أن العناصر التي تشغل جميع كهاربها كل الأماكن الموجودة في قشرة أو أكثر شغلا تاما , تتميز بثبات كبير و أن إلكتروناتها تجذب إلي النواة بقوة كبيرة ؛ و كذلك لوحظ أنه لا يوجد لهذه العناصر آي ميل للإتحاد بأي عنصر آخر , بل تبقي مكتفية بذاتها ؛ و قد عزى هذا الخمود إلي امتلاء قشرتها بالالكترونات و عدم وجود أماكن شاغرة لإلكترونات أخري .

هذا في حين أن ذرة كذرة الهيدروجين و بها إلكترون واحد يتحرك في القشرة الأولي , فإنه ما يزال بهذه القشرة مكان خال يمكن أن يشغله إلكترون آخر , و لذلك نلاحظ سرعة ميلها للإتحاد بغيرها من العناصر كي تحصل علي إلكترون آخر يشغل هذا المكان الشاغر ؛ و كذلك أيضا الحال في ذرة الكلور و لها تسعة الكترونات تدور حول نواتها , فإن هناك مكانا شاغرا في قشرتها الثانية , و لذلك نلاحظ أن الكلور ميال دائما للإتحاد بغيره من العناصر حتى يملأ هذا المكان الشاغر , فتتحد مثلا بذرة مثل الهيدروجين التي عندها إلكترون واحد في قشرتها ؛ و هكذا كان علماء الطبيعة - حتى سنة 1932 – قد تمكنوا من الكشف عن خواص الالكترونات و فهم كل غوامضها ؛ في حين كانت معلوماتهم عن نواة الذرة ما تزال بدائية لا تختلف كثيرا عن الصورة التي وضعها راذرفورد قبل ذلك بعشرين عاما ؛ و لم يكن المعروف عنها يعدو كونها تحمل شحنات موجبة تساوي عدد الالكترونات التي تدور حولها , و بأن النواة تحتوي علي البروتونات – و هي نوي ذرات الهيدروجين الموجبة الشحنة ؛ و لكن في سنة 1932 حدث اكتشاف ضخم له قيمته ألا و هو اكتشاف جسيم جديد له كتلة البروتون تقريبا و لكن لا يحمل أية شحنة كهربائية و لهذا سمي بالنيوترون ؛ و حيث أن النيوترون قد نتج من ضرب نوي بعض العناصر بجسيمات ألفا ، فقد ظهر أنه لابد أن يكون له دور في تركيب النواة و سرعان ما وضع العالم الألماني هيزنبرج صورة في ( سنة 1934) لتركيب النواة علي أنها تتكون من بروتونات و نيوترونات متماسكة ببعضها بقوي نواوية كبيرة ؛ و أن مجموع وزن البروتونات و النيوترونات يطينا وزن الذرة ؛ كما أن عدد البروتونات يحدد نوع نواة العنصر ؛ فنواة فيها بروتون واحد فقط هي نواة الهيدروجين و إذا أضيف إليها نيوترون في حالة و في حالة نيوترونين في حالة أخري فإنها في هذه الحالات جميعا نواة هيدروجين ؛ و لكنه هيدروجين ثقيل , إذ أن وزن ذراته قد زاد و كذلك الحال في بقية العناصر الأخرى ؛ و طبيعي أن لكل من هذه الذرات من الهيدروجين – التي تسمي بالنظائر – إلكترون واحد يدور حولها ؛ و نظرا لعدم وجود شحنة علي النيوترون فمن السهل ضرب نوى الذرات به ؛ و لذا فقد أجريت – و مازالت حتى الآن – آلاف التجارب بضرب النوى بالنيوترونات و إحداث نظائر جديدة معظمها غير ثابت , أي سرعان ما ينهار بناء نواته فيقذف إلي الخارج بجسيمات إشعاعية تتحول بعدها إلي نواة مستقرة .

و لكن هذا الانتصار الجزئي ليس كاف ؛ فقد عرفنا أن النواة تتركب من بروتونات و نيوترونات و أنه من السهل تغيير عدد النيوترونات في النواة عمليا فينتج نظائر مشعة جديدة , تقذف بجسيمات ألفا ( التي هي عبارة عن نواة ذرة الهيليوم آي 2 بروتون + 2 نيوترون ) أو جسيمات بيتا السالبة ( و هي إلكترونات ) أو أشعة جاما ( و هي كالضوء ) ؛ و لكن كيف توجد البروتونات و النيوترونات معا في النواة ؟ أيمكننا مثلا ـن نشبه النواة بقطرة السائل التي تكون فيها الجزيئات متلاصقة دون فراغ ؟ أو هل يمكن أن تكون كمجموعة من السدم أو النجوم تقترب من بعضها في أماكن و تبعد في أماكن أخري ؟ للإجابة علي ذلك تحتم علينا أن نعين كثافة نوي العناصر المختلفة ؛ فإن كانت الكثافة ثابتة فيها كلها , فإن ذلك يعني أن البروتونات و النيوترونات ملتصقة ببعضها كجزيئات السائل ؛ أما إذا لم تكن ثابتة فإنها تكون أشبه بمجموعة النجوم ؛ و في الاستطاعة عمليا تعيين وزن و حجم النواة , و بالتالي تعيين كثافتها ؛ فوجدت أن الكثافة ثابتة لجميع النوى ؛ و لذا فإننا نستطيع تشبيه نواة عنصر بقطرة سائل ؛ و لعلنا جميعا نلاحظ أنه إذا كانت لدينا قطرة صغيرة من سائل فإنها تكون كروية الشكل , و ذلك لوجود قوة التوتر السطحي علي سطح السائل , و هذه القوة تعمل علي جعل سطح القطرة أصغر ما يمكن و لذلك تأخذ الشكل الكروي ؛ و إذا يجب علينا أن نفرض نفس الشئ في حالة نوي الذرات : آي أن القوي السطحية تعمل علي أن تكون هذه النوى كروية الشكل ؛ و لكن هناك فرق بين قطرة من السائل و نواة الذرة , لا يجب أن يغيب عن بالنا , و هو أن جزيئات السائل لا تحمل شحنات كهربية في حين أن مكونات النواة بروتونات تحمل نفس الشحنات الكهربية و لذا فإنها تتنافر فيما بينها .

و عندما أكتشف العالم الألماني أوتوهان ظاهرة الأنشطار النووي التي نتج عنه طاقة هائلة فتحت آفاقا كبيرة أمام التطور الاقتصادي الهائل في المستقبل , اقترح العالمان ميتز و فريش إمكان تفسير هذه الظاهرة علي أساس نظرية تمثيل النواة بقطرة السائل ؛ و قد وضع تفصيل هذه النظرية علي أساس رياضي العالم نيلز بوهر ( و هو الذي وضع النظرية الذرية الأولي في سنة 1913) مع العالم الأمريكي هويلر ؛ و لنفهم النظرية دعنا نتأمل في الطريقة التي تنقسم بها قطرة من سائل إلي قطرتين صغيرتين بتأثير قوة خارجية عليها .

إذا كونا قطرة صغيرة من سائل فإننا نلاحظ أن هذه القطرة ستكون كروية الشكل "أ" ( أنظر شكل "1" ) و عندما تؤثر عليها قوة خارجية سيتحور شكلها إلي الصورة "ب" ( آي ستصبح ذات شكل بيضاوي ) فإذا توقفت القوة الخارجية الآن عن التأثير فإن قوة التوتر السطحي سترجع بالقطرة إلي شكلها الكروي الأصلي "أ" ؛ أما إذا استمرت القوة في التأثير ف‘ن التحوير سيزداد و تأخذ القطرة الشكل "ج" و حينئذ يصبح من المستبعد أن ترجع القطرة ثانية إلي الوضع البيضاوي "ب" , و لكنها ستمضي إلي الحالة "د" فتنقسم إلي شطرين مع احتمال انتثار بعض قطيرات صغيرة من ؟أثر عملية الانقسام النهائي التي تتم بعد شد و جذب في الجزء الدقيق الذي يصل بين نصفي القطرة ؛ هذا هو ما يحدث لقطرة السائل عند انقسامها بتأثير شد و جذب .
و ما يحدث للنواة لا يختلف كثيرا عن ذلك ؛ فعند قذف نواة ذرة بنيوترون مثلا , تحدث الإصابة بعض تذبذبات في سطح النواة ( كما يحدث لقطرة السائل ) و في خلال عملية التذبذب هذه قد يصبح شكل النواة بيضاويا مثل "ب" فإذا كانت الطاقة المكتسبة غير كافية لكي تنتقل بالنواة إلي الحالة "ج" فإن قوة التجاذب بين مكونات النواة ترجع بها إلي شكلها الكروي الأصلي و تتخلص النواة من هذه الطاقة الزائدة بقذف جسيم آخر ( أو أشعة جاما ) إلي الخارج راجعة بذلك إلي حالة الاستقرار ؛ و لكن إذا كانت الطاقة التي أكتسبتها القطرة كبيرة فإنها تنتقل إلي الحالة المماثلة بالشكل "ج" و حينئذ يصبح رجوعها ثانية إلي الشكل الكروي الأصلي غير محتمل ؛ و ذلك بسبب التنافر بين البروتونات ( المشحونة بنفس الكهرباء الموجبة ) الموجودة في كلا نصفي النواة مما يعجل بإنشطارها إلي قسمين .

و يجب علينا أن نذكر أن عملية الانقسام هذه تحدث فقط إذا كانت كتلة النواة الأصلية أكبر من كتلتي النواتين الناتجتين من الأنشطار .

و إذا لشطر نواة يلزمنا قدر من الطاقة يكفي لتحوير النواة من الشكل الكروي إلي الشكل ذي الاختناق "ج" , و يسمي هذا القدر من الطاقة بالطاقة الحرجة للأنشطار ؛ و لعله من الواضح أنه إذا تحررت النواة من الشكل الكروي إلي الشكل البيضاوي فإن التنافر بين البروتونات الموجودة في جانبي القطرة يسهل زيادة التحوير في شكلها إلي الشكل "ج" [1]و بذلك يكون الأنشطار سهلا كلما واد عدد الشحنات الموجودة في كلا من الجزئين , أو – و هو نفس الشئ – كلما زادت الشحنة " ك " علي النواة الأصلية و تكون قوة التنافر متناسبة مع " ك تربيع " ؛ و في نفس الوقت تكون قوة التجاذب أو الترابط بين مكونات النواة – و هي التي تجمع بينها في شكل كرة – متناسبة مع عدد المكونات " ع " ؛ و إذا نستطيع أن نقول مع بوهر و هويلر أن سهولة الأنشطار تتوقف علي قيامة المعامل " ك تربيع ÷ ع " فكلما زادت قيمة هذا المعامل لنواة معينة , كلما قلت قيمة الطاقة اللازمة لأحداث الأنشطار ؛ و قد أثبت بوهر و هويلر أنه زادت قيمة هذا المعامل عن 45 فإن النواة لا تكاد تصبح في حاجة إلي الطاقة كي تنشطر و أأن آي تحوير بسيط يحدث في شكلها يكفي فورا لشطرها إلي نصفين ؛ و لعلنا نذكر قيمة المعامل " ك تربيع ÷ ع " لبعض النوي المعروفة في المفاعلات الذرية ؛ فلنواة اليورانيوم 235 يكون " ك تربيع ÷ ع = 36 " , و لنواة البلوتونيوم 239 يكون " ك تربيع ÷ ع = 37 " .

كان شرح ظاهرة الأنشطار النووي علي أساس نظرية قطرة السائل نجاحا كبيرا لهذه النظرية دعم من قوتها العلمية .

و لكن بعد الحرب العالمية الثانية ( حوالي 1950 ) ظهرت نظرية أخري لتركيب نواة الذرة علي أيدي العالمة الأمريكية ماريا ماير و العالم الألماني ينسن , و تسمي هذه النظرية بنظرية التركيب القشري للنواة , فقد لاحظنا في صدر هذا الدرس عند كلامنا عن التركيب القشري للإلكترونات التي تدور حول النواة أن المواد التي تشتغل كل الكتروناتها عددا كاملا من القشور أو بعبارة أخري تلك التي تبلغ أعداد إلكتروناتها ( و هي تسمي بالأعداد الذرية ) 2,10,18,36,54؛ و هي علي التوالي غازات الهيليوم – نيون – أرجون - كريبتون – زينون , تمتاز بثبات كبير و عدم إتحاد مع غيرها من العناصر ؛ فإذا ما تركنا الإلكترونات و دخلنا في النواة فأننا نذكر أن كل نواة تتميز برقمين هما عدد البروتونات و النيوترونات المكونة للنواة ؛ و سبق أن ذكرنا أنه إذا أتحد عدد معين من البروتونات بأعداد مختلفة من النيوترونات فإنه ينتج لنا نظائر مختلفة من نفس العنصر , بعض هذه مستقرة , و الأخرى تتحلل بأن ترسل إلي الخارج إشعاعات نووية متحولة بذلك إلي نظير أو عنصر أخر .

و كما أننا نلاحظ أن الأعداد الذرية للغازات أو المواد الثابتة التركيب في حالة الإلكترونات – و هي الأعداد المذكورة أعلاه – هي أعداد زوجية فقد لوحظ أيضا أن كل النظائر الثابتة تقريبا تحوى أعدادا زوجية من كل من البروتونات و النيوترونات و من ضمن هذه الأعداد الزوجية وجدت أعدادا إذا أحتوت النواة علي إحداها من البروتونات أو النيوترونات فأنها تمتاز بثبات و استقرار قويين ؛ و هذه الأعداد التي سميت بالأعداد السحرية هي 2,8,20,28,50.82,126؛ ففيما يختص بالعدد 2 نلاحظ أن نواة الهيليوم و هي تحوي بروتونين و نيوترونين من أكثر النوي المعروفة استقرارا و كذلك الأكسيجين الذي له 8 بروتونات , و 8 نيوترونات ؛ و كذلك الكالسيوم و له 20 بروتونا , و يكفي للدلالة علي شدة الاستقرار و الترابط في هذه الأنوية أن نلاحظ أن لها 6 نظائر ثابتة تحتوي أعدادا من النيوترونات تتراوح بين 20,28 و هذا عدد كبير من التجمعات في النيوترونات بالنسبة لصغر حجم النواة و لكنه يدل دلالة قاطعة علي قوة التماسك في النواة .

و من المعلوم أن الفرق بين أوزان مكونات نواة قبل أن تتحد مع بعضها و بعد اتحادها هو مقياس لقوي الترابط في النواة , و عند قياس قوي الترابط هذه للنوي المختلفة وجد أن قوي الترابط في النوي التي تحتوي أعدادا سحرية من البروتونات أو النيوترونات هي أكبر من قيمتها فيما يجاورها من نوي ؛ و دليل آخر علي قوة الترابط هذه هي وفرة وجود العناصر في الطبيعة إذ أنه من الطبيعي الفرض بأن أكثر العناصر توافرا في الطبيعة و بقاء علي مر السنين هي أكثرها ثباتا .

و إذا ما نظرنا الآن إلي العدد السحري 50 وجدنا أن القصدير و تحتوي نواته علي 50 بروتونا و له عشرة نظائر ثابتة و هي أكبر عدد من النظائر لأي عنصر أخر و كذلك يتوافر القصدير أكثر من آي عنصر يجاوره في جدول العناصر .

و لعل العدد 82 أكثر الأعداد مدعاة للعجب , فهناك سبع عناصر مختلفة تحتوي كل منها 82 نيوترونا , فنظير الباريوم الذي يحتوي 82 نيوترونا يكون 72% من المتوفر في الطبيعة من هذا العنصر ؛ و نظير مادة السيزيوم الذي تحتوي نواته 82 نيوترونا يمثل 88% من المتوفر من هذا العنصر أيضا ؛ و أخيرا و ليس أخرا فالرصاص و هو الذي تنتهي إليه جميع المواد المشعة و تقف عن إشعاعها عندما تصل إليه تحتوي نواته علي 82 بروتونا .

و قد أثبتت التجارب علي أن نوي العناصر التي تحتوي 50 أو 82 أو 126 نيوترونا لا تحب أن تمسك بنيوترون إذا مر بها أو أقترب منها و احتمال قبولها لنيوترون واحد يقل بحوالي عشر مرات عن احتمال قبول النوي التي تجاورها أو تماثلها في الوزن للنيوترونات .

و هناك أدلة كبيرة غير هذه تؤيد و تزيد من قوة التركيب القشري للنواة و وجود الأعداد السحرية .

و أنه لمن العجب حقا ما تظهره لنا هذه الحقائق من أن لكل من البروتونات و النيوترونات كيان منفرد , كل مستقل عن الأخر , عكس ما كنا نتوقعه من تأثير القوي النواوية التي تربط بين مكوناتها .

و فسر لنا هذا النظام القشري للنواة حقائق لا حصر لها أظهرتها التجارب بحيث يعتبر بعض العلماء هذا الاكتشاف بأنه أعظم عمل علمي ظهر بعد الحرب العالمية الثانية .

و طبعا كما قد يبدو لنا , ليس من السهل شرح ظاهرة الأنشطار النووي علي هذا الأساس ؛ و هكذا خلال التطورات الحاسمة العظيمة لبثت نظرية قطرة السائل منزوية قليلا و إن لم تختف تماما , بل ظلت دائما مقرونة بظاهرة الأنشطار النووي , و كان لابد من إيجاد صورة أو طريقة للربط بين هاتين النظريتين أو الصورتين و تجمع بين مميزاتهما , و هكذا كان ؛ فقد نجح العالم الشاب أوجي بوهر – و هو نجل العالم الدنمركي نيلز بوهر واضع الصورة الأولي للذرة في سنة 1913 – في وضع نظريته عن الحركة الجماعية للنواة بأن أسبغ علي النواة ذات القشور المليئة بالنيوترونات و البروتونات حركة جماعية دورانية بحيث يصبح سطح النواة الخارجي مشابه لسطح سائل في قابليته للاهتزاز و التذبذب .

و يمكن تشبيه النواة في هذه النظرية ببيضة تدار علي مائدة مثلا و هي مرتكزة حول أحد طرفيها ؛ إذا درسنا حركة السائل داخل البيضة فإننا سنجد أن السائل لا يدور مع القشرة بل أنه يتحرك فقط في الاتجاه الداخلي و الخارجي عمودي عل القشرة ؛ و كذلك النواة في هذه النظرية يتحرك ما بداخلها بنفس الطريقة ؛ و لكن سطحها – و هو ليس في صلابة قشرة البيضة – مرن و له حركة دورانية و يتعرض لضغط من داخل النواة نتيجة لهذا الدوران ؛ آي أن ما يدور فقط هو الجزء الخارجي من النواة فقط ؛ و يتعرض هذا الجزء لضغط من الأجزاء الداخلية للنواة التي تتحرك من الداخل إلي الخارج و بالعكس ؛ و بذا يتحور شكل النواة و يصبح لسطحها قابلية التذبذب و التحرك تحت هذا الضغط ؛ و بذا تصبح مشابهة لحركة قطرة السائل و نستطيع تصور ظاهرة الأنشطار علي أساس هذه الحركة الجماعية التي فرضت للنواة ؛ و هذه الأخيرة لها ما يزال تركيبها القشري الملئ بالبروتونات و النيوترونات التي تشغله .

أشكال إيضاحية

==========

الشكل الأول

==========

تتركب الذرة من جسيم ثقيل ( النواة ) يحمل عددا من الشحنات الموجبة , و يدور حولها عدد من الإلكترونات ( ذات الشحنة السالبة ) مساو لعدد الشحنات الموجبة علي النواة , و تدور هذه الإلكترونات حول النواة في مسارات ثابتة , أو سطوح قشرية تحيط بالنواة , و تستلزم النظرية الذرية ألا تحمل القشرة الأولي سوي إلكترونين فقط , أما القشرة الثانية فتحمل ثمانية إلكترونات ... و هكذا , و إذا ملئت هذا القشور بالإلكترونات فإن الذرات تصبح ثابتة لا تتحد بغيرها من ذرات العناصر الأخرى , و نري في الشكلين بأسفل صورا لبعض الذرات التي تمتلئ قشورها بالإلكترونات تماما , و لذا فهي تتميز بثبات و استقرار كبيرين , و هذه الذرات هي ذرات الهيليوم و النيون و الأرجون و الكريبتون .

الشكل الثاني

========

تتكون نواة الذرة – و هي التي تدور حولها الإلكترونات – من نوعين من الجسيمات : بروتونات و نيوترونات . الأولي تحمل شحنات كهربية موجبة و الأخيرة لا تحمل شحنات كهربية , و تختلف ذرة عنصر ما عن ذرة عنصر آخر بعدد ما في نواة كل من بروتونات ( دون نيوترونات ) , فإذا كانت النواة تحتوي علي بروتون واحد فهي نواة الهيدروجين مهما كان عدد النيوترونات المصاحب لهذا البروتون , و نري في الشكل الأول ثلاث ذرات للهيدروجين ( تسمي نظائر الهيدروجين ) و تختلف عن بعضها فقط في الوزن و لكن لها جميعا نفس الخواص الكيميائية , و يمكن تكوين هذه النظائر بقذف نواة الذرة بجسيمات النيوترونات ( و هي ممثلة بدوائر بيضاء ) فيلتصق بعضها بالنواة , و بعض هذه النظائر غير ثابتة , آي سرعان ما تنطرد النيوترونات الزائدة راجعة بذلك إلي وضعها الأصلي .

و نري في الشكل الثاني ثلاثة نظائر للهيليوم تحتوي كل ذرة منها علي بروتونين و أعداد مختلفة من النيوترونات و لذا فهي تختلف في الأوزان و الاستقرار فقط .

و يوضح الشكل الثالث أيضا بعض أمثلة لذرات عنصر الليثيوم و تحتوي كل منها علي ثلاث بروتونات فقط مع أعداد مختلفة من النيوترونات .

الشكل الثالث

========

نري في الشكل بأسفل تمثيلا لأول تجربة أجريت في تحويل عنصر إلي عنصر آخر بضرب نواته بجسيمات صغيرة تلتحم به و تغير عدد ما به من بروتونات , آي تحوله إلي عنصر آخر , و كان اللورد راذرفورد هو الذي قام بهذه التجربة في سنة 1919 إذ قذف نواة النيتروجين بجسيم ألفا ( الذي يتكون من 2 بروتون + 2 نيوترون ) فتحولت إلي نواة الأكسيجين بأن ضمت إليها نيوترونين و بروتون واحد من جسيم ألفا تاركة البروتون الآخر ؛ و يبين العدد المذكور في أعلي " أسم " العنصر علي اليمين وزن النواة , في حين يبين العدد المبين علي اليسار إلي أسفل عدد البروتونات ؛ و نري في أسفل الصورة الجهاز البسيط الذي أستخدمه راذرفورد في تجربته هذه , و كان غاز النيتروجين يملأ الجهاز و تصطدم جسيمات ألفا المنبعثة من الوسط بنوي الغاز محدثة التحول النووى المذكور , و يشاهد هذا التحول من التوهجات التي تظهر علي لوحة كبريتيد الزنك .

شكل رقم (4)

==========

نري في الشكل أدناه التطورات التي تحدث في قطرة من سائل ( أو نواة ذرة ) عند إثارتها لكي تنقسم إلي قطرتين و بعض الرذاذ الدقيق ؛ عند إثارة القطرة تصبح بيضاوية الشكل "ب" فإذا استمرت الإثارة تتحول القطرة ( أو النواة )* إلي كرتين صغيرتين متصلتين بعنق صغير "ج" ثم يتم الانقسام بعد ذلك علي الصورة المبينة في "د" .

شكل رقم (5) , (6)

=============

نرى في الشكلين ( 5,6) بعض أمثلة التفاعلات النواوية , التي تقذف فيها النواة بجسيمات صغيرة مختلفة , فيتغير تركيبها و ينتج من هذا التفاعلات جسيمات مختلفة بروتونات و نيوترونات أو أشعة جاما .

و هذه التفاعلات – فضلا عن إحداث مواد مشعة – تمكننا من دراسة و تفهم القوي الموجودة في النواة .

اقرء المزيد

المفاعلات النووية

مفاعل الماء الثقيل
HWR



يستعمل الماء الثقيل هنا كمهدئ أو كمبرد أو كلاهما ،لأن الماء الثقيل يمتص عدد أقل من النترونات فيما لو كان الماء اعتيادي ، وبسبب هذا الامتصاص الأقل وبسبب أن الماء الثقيل الى حد ما أقل تهدئة من ناحية التأثير فانه من الملا ئم والمفيد أن تكون هناك مسافة أوسع بين حزم الوقود عما كانت عليه في (CANDO) ،هذا يقود الى امكانية وجود قنوات وقود سمكها بسمك حزمة واحدة ومبردة بصورة منفردة مع احاطة القنوات بمهدئ من الماء الثقيل.

هذه المفاعلات تستخدم الماء المضغوط في منظومة التبريد الابتدائي ويحتمل أن يكون المبرد هو الماء الثقيل نفسه لهذه المفاعلات نوعين من ناحية التصميم والتصنيع :

1-CANDO : مطروح من قبل هيئة الطاقة الذرية الكندية ،(CANDO) تعني مفاعل(يورانيوم- دتيريوم) الكندي .

2- مفاعل الماء الثقيل المولد للبخار SGHWR (بريطاني)

الأولى تستعمل الماء الثقيل كمهدئ ومبرد ومن الممكن أن يستعمل موائع أخرى مبردة ويأخذ بعين الاعتبار نوعين من الموائع :

الماء الاعتيادي حيث أنه أقل كلفة من الماء الثقيل والمائع العضوي الذي يمكن أن يعمل على درجات حرارية أعلى لتحسين الكفاءة الحرارية لمحطة القدرة .

الثانية تستعمل الماء الاعتيادي كمبرد في أنابيب الضغط العمودية ، مغمورة في الماء الثقيل الذي يعمل كمهدئ حيث يسمح لغليان المبرد.

منظومة مفاعل الماء الثقيل الأساسية:

في كلا نموذجي المفاعل المذكور يكون مشبك قنوات الوقود مغمورا"في حوض الماء الثقيل المستعمل كمهدئ يمر عبر القنوات ،والوقود للمفاعل CANDO مماثل لوقود (LWR) في أنه مصنع من اسطوانات صغيرة (PELLETS)من UO2 المحفوظة في انابيب من الزركولوي (غطاء الوقود) حيث أن مفاعل الكاندو ذا القدرة 600 MW يحتاج 4500 حزمة وقود فيها حوالي 100 طن من UO2 حيث في CANDO فان قضبان الوقود تحتوي فقط على التكرير الطبيعي لعنصر 235 U .

تكون قضبان الوقود مرتبة بشكل حزم وبطريقة أصغر وأبسط مما هي عليه في و ليس لهذه الحزم قطع غيار لغرض صيانة القلب وانما تتم عملية الصيانة بواسطة قنوات الوقود (حوالي 15حزمة لكل يوم اشتغال للمفاعل )وهذه العملية لها فائدة من حيث أنه لا توجد ضرورة لاطفاء المفاعل عند تحميل الوقود والمردود الأكثر أهمية لاستخدام HWR توفر مادة ماصة بقلة للنترونات أثناء اشتغال المفاعل لعدم وجود اختلافات كبيرة في احتراق الوقود وتكوين السموم الحاصلة من نواتج الانشطار أثناء دورة الوقود.

كل قناة وقود عبارة عن صف من حزم الوقود المرتبة الواحدة تلو الاخرى حيث قنوات الوقود هذه تمر بصورة افقية خلال مشبك من الانابيب التي هي جزءمن الكالندريا التي تحتوي على المهدئ ، هذا المهدئ يكون محفوظا تحت صغط جوي واحد تقريبا وذلك للاستغناء عن تصنيع وعاء ضغط كبير لمنظومة المفاعل .

الكالندريا هي اسطوانة ذات حجم معقول قطرها حوالي 25قدم (7.6m) وطولها (7.6m) جدرانها مصنوعة من الفولاذ غير القابل للصدأ بسماكة (2.5cm) و النهايات بسماكة (5cm) أما الانابيب فهي مصنوعة من الزركولي

وأيضا المهدئ المتواجد في الكالندريا له منظومته الخاصة للتبريد (مضختينو مبادلين حرارين) للحفاظ على درجته (70c) و يكون السرداب الحاوي على الكالندريا مملوء بالماء أثناء عمل المفاعل . انابيب الضغط المنفردة يمكن ان تفتح اثناء عمل المفاعل لغرض اعادة تحميل ، صنعت هذه الانابيب من سبيكة الزركونيوم ويوجد بين انبوبة الضغط وانبوبة الكالندريا المحيطة بها حيز يحتوي على غاز .

يكون الماء الثقيل كمبرد محفوظ تحت ضغط يبلغ حوالي (10mp) ودرجة حرارته في انابيب الضغط حوالي( 310c)

اما المائع المبرد الثانوي هو الماء الخفيف كما في اي محطة نووية مجارية ، والكفاءة الكلية ل CANDU

تبلغ %29 وهي اقل من معظم محطات القدرة البخارية .

السيطرة على المفاعل (reactivity) تتم باستخدام بضع منظومات متضمنة ماصات السيطرة لمنطقة الماء الخفيف ، قضبان المص الصلبة و السموم المضافة الى المهدئ في CANDU التجاري تتم السيطرة الرتيبة بواسطة منطقةالممتصات (zone absorber) التي تتكون من حجيرات في القلب فيها الماء الخفيف كممتص للنترون والذي يمكن ان يوضع موضع الاستعمال ، و يمكن استخدام قضبان السيطرة الميكانيكية (الكادميوم) والتي يمكن اسقاطها بتأثير الجاذبية .

المنظومات المساعدة :

منظومة كيمياء وسيطرة الحجم والتبريد عند اطفاء المفاعل مماثلة لمنظومات (PWR) ما عدا الاختلافات المطلوبة لحالة فصل المبرد عن المهدئ .

منظومة تنظيف المهدئ تقوم بالسيطرة على الشوائب وتتضمن القابلية على ازالة البورون و الكادميوم وسموم النترونات .

منظومة تنقية المبرد تأخذ الجريان من مخرج المضخة الاولى وترجعه الى مدخل المضخة حيث تستعمل للتصفية والمبادل الايوني لازالة الشوائب ، وبسبب الكلفة الباهظة للماء الثقيل100 دولار لكل واحد كيلو غرام

فان بناية المفاعل تحتوي على منظومات للجمع و التنقية والمحافظة على نقاوة الماء الثقيل



منظومات السلامة :

في حالات الطوارىء هناك رد فعل اسقاط قضبان السيطرة تحت تأثير الجاذبية و في الحالات التي لا يمكن إيلاج هذه القضبان فإن مفاعلات الكاندو المبكرة الصنع تمتلك وسيلة لتصريف المهدىء أما المفاعلات الحديثة فقد عوض عن ذلك بمنظومة ضخ سريع للكادميوم إلى داخل المهدىء

وفي حالة حدوث تشقق في منظومة تبريد المفاعل فان الصمامات تنغلق لعزل المنظومة السليمة ، والماء الخفيف في حوض الخزن يتم ضخه الى المنظومة المتشققة

النترونية _ استخدام الوقود _ اشتغال المفاعل :

تمتاز مفاعلات الكاندو بميزة اعادة تحميل الوقود اثناء اشتغال المفاعل و بصورة تقريبية ينتج 2.1 نترون بعد امتصاص نترون واحد من قبل مادة انشطارية ويكون مصيرها :

0.79 تقتنص من قبل المادة الخصبة مؤدية الى انتاج مادة قابلة للانشطار .

0.02 يمتص من قبل الماء الثقيل .

0.22 يمتص من قبل المواد الداخلة في تركيب القلب ونواتج الانشطار.

0.06 يمتص من قبل مواد اخرى متضمنا سموميات السيطرة .

0.04 تفقد بسبب التسرب .

المفاعلات الحرارية المبردة بالغاز


HTGRيعتبر الكربون كمهدئ بديل للهدروجين في المفاعل الحراري ، وتتطلب النيترونات اصطدامات أكثر لتبطئها عند استخدام الكربون كمهدئ عوضاً عن الهيدروجين ( الماء ) . وهذا يعني أن الكربون يمتص قسماً أصغر من النيترون مقارنة بالماء ، وإن تصميم المفاعل الذي يحتوي على كتلة كبيرة من الكربون له وقع تأثيري كبير من الناحية النيترونية ، وفي معظم الحالات التي تستخدم الكربون كمهدئ المفاعل فإن مائع التبريد لهذا المفاعل يكون غازا.

المفاعل المعروض من قبل شركة ( the general electric) المسمى بمفاعل الحرارة العالية المبردة بالغاز أي ( h t g r ) يستعمل الهيليوم كمبرد وقلب المفاعل يتكون من مجاميع الكربون المكدسة متضمناً مناطق صغيرة تحتوي على وقود اليورانيوم _ الثور يوم



المنظومات الأساسية لمفاعل درجة الحرارة العالية المبرد للغاز

إن الاختلاف جوهري على باقي تصاميم المفاعلات : في منظومة الوقود المهدئ من حيث أن الوقود يتكون من اسطوانات صغيرة جداً من اليورانيوم و الثور يوم الموجودة في مناطق الوقود لمجاميع المهدئ الكربوني ، ومنظومة التبريد الابتدائية المتميزة باستخدامها لغاز الهليوم كمبرد ومنظومة التبريد الابتدائية تقع ضمن وعاء المفاعل المصنع من الخرسانة .

* يتكون قلب مفاعل درجة الحرارة العالية المبردة بالغاز من كومة ضخمة من مجموعات الجرافيت السداسية والتي تحوي كل منهما على مناطق وقودية بالإضافة لاحتوائها على مناطق مرور غاز الهليوم المضغوط ، يتكون الوقود من ثاني أكسيد أو كار بيد سيراميكي ، حيث أنه يتواجد كنوبات وقود صغيرة مغطاة بمادة خزفية ، والوقود المكون بشكل اسطوانات صغيرة ( pellets ) لها أغلفة مختلفة لتسهيل عملية الفصل أثناء عملية معاملة الوقود ، حيث يتكون اسطوانات الوقود الصغيرة القابلة للانشطار من اليورانيوم ( u 238 ) المخصب بنسبة 9% من(u235 ) ، مغطاة بالكربون الحراري ( pyrolitic ) وكار بيد السيليكون ، أما الاسطوانات الصغيرة المنتجة ( th233 ) فهي مغطاة بالكربون فقط ، وعند اشتغال المفاعل فإن الكر بيد السيلسيكوني القابل للاحتراق يساعد في فصل النوعين في عملية معاملة الوقود .

هناك منفذ في وعاء المفاعل المصنوع في الخرسانة المسبقة الإجهاد ويقع فوق المجاميع المركزية إن هذا المنفذ يستخدم في عملية إعادة تحميل الوقود وكذلك لغرض تحريك قضبان السيطرة أثناء عملية اشتغال المفاعل ، تمتلك المجامع المركزية أيضاً قناة إضافية منها كربيد البور ون كاحتياط لمنظومة المفاعل .

تتكون منظومة التبريد الابتدائية من القلب وأربعة إلى ستة دوائر لمائع التبريد الابتدائي حيث تتضمن كل دائرة على مضخة التدوير ( circulate ) الخاصة بها وعلى مولدها البخاري يضخ غاز الهليوم بضغط مقداره ( mp5 ) إلى الأسفل خلال القلب ومن ثم يخرج بدرجة حرارة تبلغ حوالي ( 743 ) درجة حيث أن الدرجة الحرارية هي أعلى من درجة حرارة المفاعلات المبردة بالماء . بعدئذ يمر الغاز في أحد الأنابيب المؤدية إلى مولد البخار ، إن سبب اشتعال المفاعل على درجة حرارة عالية هو كنتيجة المبرد الغازي وللخصائص الجيدة لقلب المفاعل الذي يتحمل درجات الحرارة العالية حيث لا يوجد غلاف معدني حساس لدرجات الحرارة العالية في الوقود ، البخار الحاصل كنتيجة لدرجات الحرارة العالية يعطي طاقة كهربائية بكفاءة تعادل ( 39 % )



المنظـومــات الـمسـاعــدة

تتكون من اثنين أو ثلاث دوائر مساعدة ، حيث في حالة فشل إحدى دوائر التبريد الرئيسية فإن المنظومات المساعدة تعمل على إزالة حرارة الانحلال بعد إطفاء المفاعل ، وتتوفر منظومتان متماثلتان تخدمان غرض تنقية غاز الهليوم المبرد تتم عملية التنقية بهذه المنظومات على أساس إلصاق جزيئات الغاز بالسطح الصلب حيث يستخدم غاز الهيدروجين كمستأصل لإزالة الدقيقات والغازات الملوثة . لقد صممت منظومة عزل المولد البخاري لمنع تسرب الماء أو البخار إلى المبرد الابتدائي فإذا حصل تسرب للماء فإن من الممكن في هذه الحالة عزل دائرة التبريد المعطوبة عند إطفاء المفاعل ، بينما تترك بقية دوائر التبريد لتجهيز التبريد اللازم .


مـنظـومــات السلامـــة
تختلف متطلبات السلامة لـ ( HTGR ) بصورة أساسية عن متطلبات السلامة لمفاعلات الماء ، عند حدوث ضرر في وقود مفاعل درجة الحرارة العالية فإن هناك وقتاً طويلاً لتصريف الحرارة ، ففي حالة وقود الماء الخفيف فإن حرارة الانحلال يمكن أن تقتصر غلاف الوقود بغضون دقيقة أو دقيقتين . من لحظة فقدان مائع التبريد ، أما في حالة ( HTGR ) فإنه يحتاج إلى زمن ساعة أو ساعتين عقب فقدان الوقود حتى ينصهر غلاف الوقود المطلي بمادة خزفية التي هي السبب في إطالة زمن تصريف الحرارة ، ومتانة القلب بسبب تواجد الجرافيت الذي تزداد متانته بارتفاع درجة الحرارة، من جهة أخرى يجب ضخ غاز الهيليوم المائع المبرد بضغط عالي لغرض سعة تبريدية عالية .


النيترونية _ استخدام الوقود _ اشتغال المفاعل

استعمال الكربون كمهدئ يقتضي على النيترونات الإنشطارية أن تقطع مسافة أكبر حتى تصل إلى الطاقات الحرارية ، ويكون الوقود ( HTGR ) معرضاً إلى نيترونات وبطاقات أكثر متوسطة عما هو عليه في مفاعلات الماء الخفيف ، وهذا يؤدي إلى امتصاص أكبر للنيترونات من قبل المادة الخصبة ( th 232 ) . وهذه الظاهرة تساعد في تصميم مفاعل نسبة التحويل فيه عالية نسبياً .

Boiling Water Reactor
مفاعل الماء المغلي

BWR

مفاعلات الماء المغلي (BWR)

1 يوجد في قلب المفاعل عدد كبير من مجمعات الوقود حيث كل يمثل مجمع مصفوفة مربعة والكثير من المفاعلات تستعمل مصفوفة(7 ×7 )إلا أن الصنف الحديث (BWR6)يستعمل ( 8×8 )من أقلام الوقود حيث تكون قضبان الوقود أخف مما هي عليه في مجمعات الوقود القديمة وبنيةالقضيب مماثلة لمفاعلات pwr))والطول الفعال لا يقل على 3 6mلحزمة الوقود في مفاعل الماء المغلي غمد خارجي يحوي الحزمة كاملة وفائدته يعيد جريان الماء في هذه الحزمة من الوقود والفتحة الموجودة قي قعر حزمة الوقود تحدد معدل جريان الماء في مجمع الوقود المعين وان استقرارية مجمع الوقود تأتي نتيجة لصفائح الربط الـ ( 64 ) في مجمع الوقود( 8×8 )، يمكن أن يحتوي المجمع على قضبان مائية تعمل بمثابة مهدئ لحزمة الوقود ، مفاعل الماء المغلي يحوي عادة على( 764 )مجمع للوقود أي( 50 -40) ألف قلم وقود أي ما يقارب 180 طن من ثاني أكسيد اليورانيوم

* عنصر السيطرة الصليبي الشكل يكون محاطا بأربع حزم من الوقود ، يحتوي على قضبان متعددة

مملوءة بكر بيد البور ون حيث يحتوي كل نصف على ربع قضيب

* إن غليان المبرد في قلب المفاعل تقليل كثافةالمبرد وبالتالي تضعف عملية تهدئة النيترونات مما

يؤدي إلى انخفاض قيمة كثافات القدرة في الجزء العلوي لقلب المفاعل ، مما يجعل تسطيح القدرة ضرورية ......إن أحد طرق السيطرة في مفاعل الماء المغلي تتم عن طريق التحكم في معدل الجريان في المفاعل

* يحتوي الوعاء الفولاذي للمفاعل على قلب المفاعل والمعدات المرافقة بالإضافة لاحتواء وعاء المفاعل على مجمعات الوقود ، فهو يحتوي على مركبات أخرى :

قضبان السيطرة المتواجدة في قعر الوعاء و تحريكها إلى القلب يتم من الأسفل ، كما إن الجزء العلوي من المفاعل يمكن تحريكه لغرض خدمة عملية إعادة تحميل الوقود ، حيث تبلغ أبعاد وعاء مفاعل الماء المغلي الحاوي على جميع هذه المعدات حوالي(ارتفاعm 22 ، قطر6m) ، وهو مصنوع من الفولاذ الكربوني بسماكة ( 16 cm )

*الضغط في ( BWR ) يبلغ حوالي ( 7mp )، عند هذا الضغط درجة غليان الماء حوالي 285 درجة ، وليس جميع الماء في قلب المفاعل يتحول إلى بخار بل حوالي 13 % من الماء الخارج من القلب هو بخار

* يفصل البخار المتولد عن بقية المواد بواسطة مجموعة فاصلات البخار التي موضوعة فوق القلب ، وعند الحد الفاصل بين حالته الغازية والسائلة ، يمر البخار الناتج خلال مجمع التخفيف لإزالة النداوة ، ويسري البخار المجفف إلى خارج الوعاء من خلال جدران بئر التجفيف وبناية المفاعل متجهاً إلى المولد التوربيني ، وهذا البخار يكون مشعاً لتواجد ( N16 ) فيه والذي يمتاز بنصف عمر قصير حوالي ( 7 ) ثانية الكفاءة الحرارية لهذا المفاعل (33 % )



المنظومات المساعدة
1 مفاعل الماء المغلي يملك منظومات الكيمياء لسيطرة على المركبات كما في p w r ) )

2 منظومة إزالة حرارة الانحلال

3 منظومة التنظيف لإزالة نواتج الانشطار ونواتج التآكل والشوائب الأخرى والماء الجاري المسحوب من خلال مضخة تدوير الماء وإرجاعه من خلال مضخة تغذية الماء ، ويتم تنظيف الماء المبرد بواسطة وحدات تخليص الماء من المعادن باستخدام( filter ) وتستخدم هذه المنظومة لإزالة الماء الفائض نتيجة لانخفاض كثافة المبرد بسبب الغليان عند رفع قدرة المفاعل إلى الحد المقرر ، وتتم إزالة حرارة الانحلال بعد إطفاء المفاعل بواسطة منظومة إزالة الحرارة المتبقية والتي هي جزء من منظومة تبريد القلب

يختلف ( bwr ) عن ( pwr ) من حيث أن له كمية اكبر من الوقود لفرض تلبية القدرة المطلوبة ، ولكن توجد امكانيةغير اعتيادية لتغيير القدرة الناتجة لتلبية الاحتياج من الطاقة الكهربائية

Pressurized water reactors
PWR


Pressurized water reactors


فيه دورتان للماء الأولى مغلقة تماما" لنقل الحرارة ويظل الماء فيها سائلا" خلال الدورة بأكملها ويخرج من قلب المفاعل في درجة حرارة تبلغ 325 درجة وضغط 150 جو ، ليمر خلال دورة الماء الثانية التي تولد البخار , والدورة الثانية التي لا يلامس فيها الوقود الماء ترفع من الأمان الاشعاعي ولكن ذلك يزيد الضغط ودرجة الحرارة في قلب المفاعل أكثر مما هي عليه في مفاعلات الماء المغلي , يوجد حوالي 350 مفاعل من هذا النوع في العالم.

مادة الوقود في هذه المفاعلاتuo2 المكبوس بشكل اسطوانات صغيرة (pellets ) والتي قطرها يكافئ ارتفاعها ويساوي تقريبا" 1.27 سنتيمتر(نصف انش) وتغلف بسبيكة الزركونيوم التي تمتاز با نخفاض قيمة المقطع العرضي النيتروني ، تجمع هذه (pellets ) في قلم الوقود ويبلغ طول قلم الوقود الواحد أكثر من 3.6 متر أي 12 قدم وتكون هذه الأقلام مجمعة في حزمة هي التي تستبدل عند اعادة تحميل الوقود .

يتكون قلب المفاعل من عدد كبير من الحزم أو مجمعات الوقود المربعة ، والعديد من مفاعلات الماء المضغوط تستعمل مجمعات تتكون من مصفوفات 15*15 قلم وقود ، وفي مفاعلات الماء المضغوط الحديثة 17*17 قلم، أقلام الوقود مثبتة بواسطة حلزون يفصل في مشبك المجمعات بواسطة تراكيب في قمة وقعر المجمع .

جميع المجمعات في المفاعل يمكن أن يكون لها نفس التصميم الميكانيكي متضمنة" مكانا" لتجمعات قضبان السيطرة ، عند غياب قضبان السيطرة في مجمع الوقود فان مكانها يمكن أن يشغل بمصادر الكترونية .

قدرة هذا المفاعل حوالي 100 Mw اذا كان محتويا" على200 مجمع أي حوالي40 ألف قلم (الى 50ألف قلم ) تتضمن حوالي 110 طن من uo2 .

تتكون معظم قضبان السيطرة من الفضة Ag الانديوم In الكادميوم Cd الماصة للنترونات ممتدة على طول قلب المفاعل ، في حال حدوث أي خلل يمكن أن تسقط هذه القضبان بسهولة في قلب المفاعل نتيجة لوزنها ، حيث تكون نصف مجمعات السيطرة جاهزة لمثل هذا الاطفاء ، والمتبقي يستعمل للسيطرة التشغيلية , بعض قضبان السيطرة تكون المادة الماصة للنترونات فيها في الربع الأخير فقط تستعمل لتعديل توزيع القدرة باتجاه المحور العمودي على المقطع العرضي للقلب ، ومن بعض الوسائل المستخدمة في السيطرة ادخال حامض البوريك في دورة التبريد الابتدائية .

ان كل ما سبق ذكره موضوع مع الوقود في وعاء الضغط الكبير الذي صمم ليتحمل ضغوط عالية في درجات حرارة اشتغال المفاعل حيث ان الضغط في وعاء المفاعل يبلغ 17Mpa تكون جدران وعاء المفاعل من الكربون الفولاذي سمكه حوالي 20 سنتيمتر أو أكثر وارتفاع الوعاء حوالي 12 متر وبقطر حوالي 4 متر وتكون جميع السطوح الداخلية الملامسة لمائع التبريد مغطاة بالفولاذ غير القابل للصدأ.

يبلغ الضغط في منظومة التبريد الابتدائية حوالي وهذا الضغط يكفي لمنع تكوين البخار , يتولد البخار في منظومة التبريد الثانوية من خلال انتقال الحرارة من مائع التبريد ذي الضغط العالي الى الماء الثانوي ذوالضغط المنخفض ، حيث يحدث الانتقال الحراري من خلال جدران عدد كبير من الأنابيب التي يمر خلالها مائع التبريد في مولدات البخار , ويمر كذلك البخار المتولد خلال نواقل لازالةالرطوبة فيه الى أقل من لغرض ارساله الى المولد التوربيني من أجل انتاج الكهرباء.

المنظومات المساعدة :

منظومة السيطرة على الكيمياء والحجم تجهيز الماء لمنظومة التبريد الابتدائية وتقليل التآكل , وكمية نواتج الانشطار في مائع التبريد ) وتقوم بضبط تركيز حامض البوريك عند استخدامه لأغراض السيطرة على المفاعلية ، وتعمل أيضا" على الترابط مع مولدات الضغط للمحافظة على ضغط حجم مناسب لمائع التبريد وفق ظروف الاشتغال العادي ,ويمكن للمنظومة أن تحافظ على تراكيز معينة للغازات المنحلة بصورة خاصة غاز الهيدروجين المتواجد في مائع التبريد .

وتعتبر منظومة الكيمياء والسيطرة على الحجم مصدرا" للغاز الذي يعامل في منظومة معاملة النفايات الغازية .

منظومة النفايات الغازية : لخزن الغاز واعادته الى منظومة المفاعل في الحالات الضرورية .

منظومة النفايات السائلة : معاملة السوائل الناتجة من منظومات التصريف المختلفة , ففي حالة احتواء السائل على التريتيوم كما هو في المائع الابتدائي فانه يمكن تنقية السائل واعادته الى منظومة الكيمياء والسيطرة على الحجم .

منظومة ازالة الحرارة : ازالة حرارة الاضمحلال المتولدة في منظومة التبريد الابتدائية عند اطفاء محطة القدرة النووية وتتكون من مبادلات حرارية ومضخات .

منظومات السلامة :

والغرض منها التقليل من الاخطار الناجمة في الحوادث المفاجئة في المفاعل والفعل المباشر لها بعد الحادث المفاجئ للايقاف السريع للتفاعل المتسلسل في الحادثة التي تسبب تصدعا" في منظومة التبريد الابتدائية أو التي تقلل من مائع التبريد فان منظومة الضخ الطارئ تقوم بالعمل مباشرة لضمان استمرارجريان المائع , وفي الحالة التي يحدث فيها انصهار الوقود الصلب في قلب المفاعل فان حاوية المواد المشعة ومنظوماتها الملحقة تعمل على تقليل كمية المواد المتسربة .

وهناك منظومات الرش والتبريد والمكثف تستخدم لغرض غسل النشاطية الاشعاعية المتحررة خارج حاوية المواد المشعة.
مفاعلات التوليد السريعة المبردة بالمعادن المنصهرة وأخواتها
هناك طريقان لغرض تحقيق مبدأ التوليد ضمن حدود الموازنة الاكتفائية في كميات المواد الإنشطارية المستهلكة أو المتوالدة أو عبور حدود الموازنة الذاتية:

1 المحافظة على النيترونات بمستوى عالٍ من الطاقة نسبياً بحيث يمكن الاستفادة من كميات النيترونات الناتجة على تفاعل pu 239 .

2 استخدام النور يوم 232 الذي يمكن استخدامه كمادة خصبة تولد u233 والتي تتميز بإنتاجية عالية للنيترونات .

وصل هذا النوع من المفاعلات مرحلة التجربة في بلدان عديدة .

وإذا ما تركت النيترونات السريعة بدون تهدئة فذلك سيساعد على الاستفادة من القيمة العالية لـ ( المردود النيتروني ) يتم توليد 7.2 نيترون لكل نيترون يتم اقتناصه من قبل pu239 . ولكن الصعوبة التي تواجهنا كون قيمة المقطع العرضي لتفاعل الانشطار وطئة جداً في حال النيترونات السريعة لذلك يجب توفير كميات كبيرة من المواد الإنشطارية وهذا ما يوضح سبب تحميل المفاعل بكميات كبيرة من المواد الإنشطارية .

التركيب النووي الأساسي متشابه لجميع مفاعلات التوليد السريعة .

يمكن أن يقسم قلب المفاعل الفعال active core غلاف خارجي blanket والتي ستكون من مادة خصبة وقلب المفاعل يدعى في بعض الأحيان بالبذرة seed والتي تمثل الكتلة الحرجة الحاوية على 15 % مادة انشطارية والباقي مادة خصبة .

وهناك خاصتان مهمتان لمفاعلات التوليد :

1 الحجم الصغير لقلب المفاعل يؤدي إلى الحصول على كثافة عالية للطاقة مقارنة بالمفاعلات الحرارية وهذا يتطلب استخدام نظام تبريد جيد وما يؤدي مواصفات جيدة .

2 تستخدم الـ FBR أقراصاً من أكاسيد الوقود مع أغلفة من الحديد المقاوم للصدأ بدلاً من الزركونيوم .



مفاعلات التوليد السريعة المبردة بالمعادن المنصهرة LMFBR

المعدن المنصهر المستخدم لهذا الغرض هو الصوديوم ، إن قلب المفاعل السريع قيد البحوث يحوي منظومات وقود صغيرة الحجم مقارنةً مع( l w r) والأعمدة أصغر قطراً أيضاً ، والمادة الإنشطارية هي pu239 لأنه من ناحية اقتصادية النيترونات أكثر فائدة بدلاً من u235 . إن قلب المفاعل يكون حاويا على أكاسيد pu و u ويحيط بها الغلاف المادي على u وستكون أغلبيته u239 الذي يعمل على توليد كميات من pu239 تفوق تلك التي تستهلك أثناء تفاعلات الانشطار .

تكون تفاعلات الانشطار في قلب المفاعل أما التوليد في قلب المفاعل والغلاف الخارجي وإن هذه المنظومات تحتاج إلى معاملة الوقود لاستخلاص المادة التي تولدت .

أعمدة الوقود المكونة من لغلاف المفاعل ذات تركيب متجانس أما أعمدة وقود قلب المفاعل فهو مكون من قاعدتها وقمتها مادة خصبة وفي وسطها مادة انشطارية تمثل البذرة ، وبهذا يكون القلب محاطاً بصورة كلية بمادة خصبة ، وكبديل لهذا التصميم يمكن تصميم يعتمد على أساس تقسيم على مناطق صغيرة كل منها يحوي منظومات تحوي مادة انشطارية وأخرى تحوي مادة صلبة .

إن معدن الصوديوم يمكن أن يستخدم بحالته السائلة وعلى مدى واسع من درجات الحرارة وله إمكانية استخدام تحت ظروف الضغط الاعتيادي ، وبالتالي مسألة تصميم دورة التبريد هذه تصبح أمراً سهلاً بالإضافة إلى سهولة التصميم مما يجعل إمكانية تشغيل المفاعل في درجة حرارة عالية مسألة ممكنة ، ولكن يقابل ذلك أيضاً من جهة أخرى فاعلية الصوديوم الكيماوية وخطورته فيما إذا امتزج مع الماء حيث يحدث انفجاراً وفرقعة بسبب تأثير الحرارة العالية الناتجة عن التفاعل والتي تحرق الهيدروجين المتحرر ، مما يؤدي إلى توجب أخذ الاحتياطات الشديدة لمنع حدوث كسر أو تآكل في الأنابيب أو أي جزء من أجزاء دورة التبريد . إن lmfbr مصممة على أن دورة الصوديوم تسخن دورة وسطى للصوديوم ، وفائدة هذه الدورة تسرب أية مواد مشعة . وإن ذلك يستدعي توفير مبادل حراري وسطي بين دورتي الصوديوم الرئيسية ووظيفته عزل دورة الصوديوم الرئيسية عن أي احتمال للاختلاط بالماء في الدورة الأخيرة .

هناك نوعان رئيسيان من FBRقيد النقاش :

1 لدى مجموعة الدول الأوروبية ( النوع الحاوي على حوض pooltype ) والذي يكون قلب المفاعل وأجزاء أخرى واقعة ضمن الوعاء الرئيسي . أي تكون منظومة إعادة تحميل الوقود ومضخة التبريد الرئيسية بالإضافة إلى المبادل الحراري تقع داخل الوعاء الرئيسي للمفاعل وذلك يؤدي إلى اختصار في كميات الأنابيب الخارجية .

2 يستخدم نظام الدورة LOOPTUPE في الولايات المتحدة ، تكون أجزاء منظومة الانتقال الحراري خارج وعاء المفاعل .



مفاعلات التوليد السريعة المبردة بالغاز (GCFBR)

إن هذه المفاعلات مشابهة ل LMFBR من الناحية النيترونية ولكن منظرها الخارجي شبيه ب HTGR من حيث استخدامها الغاز لتبريد قلب المفاعل و تتميز باحتوائها على وعاء كونكريتي ، و أيضا من حيث منظومة الانتقال الحراري



ان GCFBR تتميز بنسبة توليد أعلى من LMFBR و إن هذا يعزى جزئيا إلى غاز الهليوم الذي لا يمتص النيترونات بكمية كبيرة وكذلك لا يهدئها الى حدود وطئة في الطاقة بسبب قلة كثافته مقارنة مع الصوديوم السائل

هنا في هذه الحالة يجب اتخاذ الاحتياطات اللازمة في حالة فقد الضغط لتأمين قيام He بتبريد قلب المفاعل حيث الطاقة المتحررة عالية ، وتصميم وعاء المفاعل بحيث لا يسمح بتسرب الغاز بكميات كبيرة

كما أن استخدام He يزيل خطر استخدام Na وتنفي الحاجة لاستخدام دورة تبريد وسيطة ، كما أن هناك كمية كبيرة من الصوديوم تحيط بقلب المفاعل و التي لها القابلية على امتصاص كمية كبيرة من الحرارة المتولدة مما يجعل استمرارية ضخ الصوديوم مسألة غير حرجة بسبب تيارات الحمل الذاتية.

اقرء المزيد