المفاعلات النووية Nuclear reactors
تعريفه :
المفاعلات النووية هي منشآت ضخمة يسيطَر فيها على عملية الأنشطارالنووي حيث تحتفَظ الأجواء المناسبة لأستمرار عملية الأنشطارالنووي دون وقوع انفجارات أثناء الأنشطارات المتسلسلة. يسخدم المفاعلات النووية Nuclear reactors لأغراض إنتاج الطاقة الكهربائية وتصنيع الأسلحة النووية وازالة الأملاح والمعادن الأخرى من الماء للحصول على الماء النقي وتحويل عناصر كيميائية معينة إلى عناصر أخرى وإنتاج نظائرعناصر كيميائية ذات فعالية اشعاعية وأغراض أخرى.
Nuclear reactors
يعتبر إنريكو فيرمي عالم في الفيزياء من إيطاليا والذي حاز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1938 وغادر إيطاليا بعد صعود الفاشية على سدة الحكم واستقر في نيويورك في الولايات المتحدة من أوائل من اقترحوا بناء مفاعل نووي حيث اشرف مع زميله ليو زيلارد Leó Szilárd الذي كان يهوديا من مواليد هنغاريا على بناء أول مفاعل نووي في العالم عام 1942 وكان الغرض الرئيسي من هذا المفاعل هو تصنيع الأسلحة النووية. في عام 1951 تم وللمرة الأولى إنتاج الطاقة الكهربائية من مفاعل أيداهو في الولايات المتحدة.
يتوقع بعض الخبراء نقصا في الطاقة الكهربائية في المستقبل البعيد نتيجة ظاهرة انحباس حراري سببتها أنشطة بشرية مثل تكرير النفط ومحطات الطاقة وعادم السيارات وغيرها من الأسباب وهناك اعتقاد سائد ان الطاقة النووية هو السبيل الأمثل لسد هذا النقص في المستقبل.
مما يتكون المفاعل النووي ؟
يتكون المفاعل النووي من الأجزاء التالية:
1. مركز المفاعل أو قلب المفاعل وهو الجزء الذي يحتوي على وحدات الوقود النووي وتتم فيه سلسلة الانشطار النووي.
2. السائل المهدئ moderator ويستعمل الماء عادة لخفض سرعة النيوترونات وبالتالي معدل الانشطار النووي كما أنه ينقل الحرارة الناتجة من التفاعل النووي ويتحول جزء منه إلى بخار عال الضغط، يستغل في تشغيل التوربين.
3. حاويات تحيط بقلب المفاعل والماء، مصنوعة من الحديد الصلب ذات جدران سميكة(نحو 25 سم)، للاحتفاظ بضغط البخار عاليا، ولمنع تسرب الأشعاعات الناتجة من الأنشطار النووي إلى الخارج والوقاية منها. يخرج بخار الماء بضغط يبلغ 400 ضغط جوي وتكون درجة حرارته نحو 450 درجة مئوية بواسطة أنابيب متينة من حاوية المفاعل، وهي تسمى أحيانا خزان الضغط للمفاعل .
4. مبادلات حرارية يأتي البخار عالى الضغط من المفاعل إلى المبادلات لفصل دائرتي الماء، الدائرة الأولية التي تلف في المفاعل وهذه تكون عالية الإشعاع نظرا لتلامسها مع الوقود النووي. لذلك تُفصل عن الدائرة الثانوية للماء الساخن المضغوط، ويتحول هذا الماء في الدائرة الثانوية عند مغادرته المبادل الحراري إلى بخار ماء عالي الضغط والحرارة ويوجه إلى توربين لتوليد الكهرباء.
5. مولد كهربائي عملاق يديره التوربين ويولد التيار الكهربائي.
بذلك تتحول الطاقة النووية إلى طاقة حرارية ثم إلى طاقة حركة للتوربين
والمولد الكهربائي الذي يحولها إلى طاقة كهربائية لشغيل المصانع وإنارة المنازل.
مفاعل الماء المغلي بالإنجليزية: ( Boiling Water Reactor)
هو نوع من مفاعل نووي يشبه مفاعل الماء المضغوط وينتمي الإثنان إلى فصيلة مفاعلات المياة الخفيفة. وبينما يحتوي مفاعل الماء المضغوط على دائرتين للماء والبخار - واحدة منها مشعة والأخرى غير مشعة، وبينهما مبادل حراري، فيتكون مفاعل الماء المغلي من دورة واحدة للماء وبخار الماء.
أنواع مفاعلات الماء المغلي
الجيل الأول :
أنشأ الجيل الأول للمفاعلات في ألماني من مفاعلات الماء المغلي بالعمل المشترك بين جينرال إلكتريك وشركة AEG الأمانية في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي. وقد قامت الشركتان ببناء 4 مفاعلات آنذاك من هذا النوع. وقد انتهت مدة تشغيل تلك المفاعلات ن وعم في سبيل الهدم وإعادة الأرض خضراء كما كانت.
كما يوجد في سويسرا مفاعل من هذا النوع من صنع جينرال إليكتريك وهو لا يزال يعمل.
طراز 69:
قامت شركة Kraftwerk Union الألمانية عام 69 بتطوير هذا الطراز ويتميز هذا الطراز بتحويط خزان المفاعل بوعاء ضخم في شكل الكرة من الفولاذ تسع له، بالإضافة إلى البناء السميك الخرساني. وطبقا لهذا التصميم للمفاعل أصبح بناء المفاعل يستطيع تحمل صدمة طائرة مقاتلة سؤعتها فوق الصوت من دون أن يصاب المفاعل نفسه بخلل. صنعت أربعة مفاعلات من هذا الطراز في ألمانيا وعي لا تزال تعمل، وآخرهم من هذا النوع مفاعل كروميل قرب هامبورج وهو أكبر مفاعل ماء مغلي في العالم.[1]
طراز 72:
وهو آخر طراز منفذ في ألمانيا وصمم عام 1972. ويتخذ شكل بناء المفاعل في هذا الطراز الشكل الأسطواني. ويعتبر الطراز 72 تطوير للطراز 69 حيث تم تطوير أنظمة الأمان وتطوير المباني. [2]
تطور عام 2009
قامت شركة أريفا Areva NP الفرنسية بالاشتراك مع شركة E.ON الألمانية بتطوير مفاعل جيد اعطوه اسم KERENA وهو تطوير لطراز 72، وهو من نوع مفاعل الماء المغلي وذو قدرة تصل إلى 1250 ميجاوات. وقد أعربت ولاية برونسفيك ب كندا إلى شركة أريفا عن عزمها في طلب بناء واحد من مفاعلات النوع الجديد KERENA..
مفاعل ماء خفيف :
مفاعل الماء الخفيف (بالإنجليزية: light water reactor) هو نوع من المفاعلات النووية الحرارية thermal reactor يستخدم الماء العادي كمهدئ للنيوترونات وللتبريد، بعكس إالمفاعلات التي تستخدم الماء الثقيل لتهدئة سرعة النيوترونات وكمبرد. ومفاعلات الماء الخفيف هي أكثر أنواع المفاعلات انتشارا والتي تستخدم لإنتاج الطاقة الكهربائية من الطاقة النووية.
وتوجد ثلاثة أنواع من مفاعل الماء الخفيف، مفاعل الماء المضغوط ، ومفاعل الماء المغلي والمفاعل الذي يسمى مفاعل الماء فوق الحرج supercritical water reactor.
تصميم المفاعل :
ينتج مفاعل الماء الخفيف الكاقة الحرارية عن طريق التفاعل الانشطاري المتحكم فيه. ويتكون المفاعل من قلب المفاعل الذي يحتوي على وحدات الوقود النووي. وهو يحتوي أيضأعلى قضبان للتحكم في سير التفاعل. ويتكون الوقود النووي من قضبان من الوقود النووي يبلغ قطرها 1 سم وطولها نحو 7و3 متر، وهي مجمعة في حزم تسمى وحدات الوقود ويكون شكلها شكل القفص.
ويوجد في داخل كل قضيب وقود أقراص من اليورانيوم في شكل أكسيد اليورانيوم ، بيلغ طول القرص نحو 5و2 سم وهي مرصوصة داخل قضيب الوقود (أنبوب) فوق بعضها. وتوجد في قلب المفاعل أيضا قضبان التحكم وهي تحتوي على مادة مثل الهافنيوم أو الكادميوم وهي تتميز بامتصاصها للنيوترونات. وعند تغتيص قضبان التحكم في قلب المفاعل فلا يمكن للتفاعل النووي أن يأخذ مجراه بسبب عدم وجود النيوترونات.
وعلى العكس عند سحب قضبان التحكم من قلب المفاعل تدريجيا تبدأ النيوترونات الاصتدام بأنوية ذرات اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239 وعي المواد الانشطارية، ويبدا التفاعل التسلسلي يأخذ مجراه رويدا رويدا ويشتد. وتوجد جميع تلك الأجزاء في خزان ضغط أو غلاية ضغط محكمة مليئة بالماء، ويسمى خزان صغط المفاعل.
وتحول الحرارة المتولدة عن الانشطار في مفاعل الماء المغلي الماء إلى بخار، وهو يوجه مباشرة إلى تشغيل توربينات لتوليد الكهرباء. أما في مفاعل الماء المضغوط فتحول الحرارة الناشئة عن الانشطار النووي إلى دائرة ماء لأخرى تسمى الدائرة الثانوية عن طريق مبادل حراري، والبخار المتولد في الدورة الثانوية هو الذي يستخدم لتشيل التوربينات.وفي كلتا الحالتين يعود البخار بعد إدارته للتوربينات إلى مكثف للماء لإعادة الدورة.
مفاعل الماء الثقيل المضغوط :
مفاعل الماء الثقيل المضغوط (بالإنجليزية: pressurised heavy water reactor) هو نوع من مفاعل نووي لإنتاج الطاقة الكهربائية، يستعمل عادة اليورانيوم الطبيعي (غير مخصب) كوقود نووي ويستخدم الماء الثقيل D2O (أكسيد الديوتيريوم)كمهدئ ومبرد في المفاعل. وطبقا لتصميم هذا المفاعل يبقى الماء الثقيل تحت ضغط عالي من أجل رفع درجة حرارة غليانه بحيث يمكن تسخينه إلى درجات حرارة أعلى بدون أن يغلي، وذلك كما يحدث في مفاعل الماء المضغوط.
وبينما يتكلف الماء الثقيل تكلفة باهظة عن الماء العادي إلا أن له ميزات بالنسبة إلى خصائصة بالنسبة إلى النيوترونات، فهو يمتص النيوترونات قليلا مما يجعله صالحا لتشغيل المفاعل باليورانيوم الطبيعي بدون تخصيب.
وتُستخدم مفاعلات الماء الثقيل المضغوط لتوليد الطاقة الكهربائية من الطاقة النووية.
تعريفه :
المفاعلات النووية هي منشآت ضخمة يسيطَر فيها على عملية الأنشطارالنووي حيث تحتفَظ الأجواء المناسبة لأستمرار عملية الأنشطارالنووي دون وقوع انفجارات أثناء الأنشطارات المتسلسلة. يسخدم المفاعلات النووية Nuclear reactors لأغراض إنتاج الطاقة الكهربائية وتصنيع الأسلحة النووية وازالة الأملاح والمعادن الأخرى من الماء للحصول على الماء النقي وتحويل عناصر كيميائية معينة إلى عناصر أخرى وإنتاج نظائرعناصر كيميائية ذات فعالية اشعاعية وأغراض أخرى.
Nuclear reactors
يعتبر إنريكو فيرمي عالم في الفيزياء من إيطاليا والذي حاز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1938 وغادر إيطاليا بعد صعود الفاشية على سدة الحكم واستقر في نيويورك في الولايات المتحدة من أوائل من اقترحوا بناء مفاعل نووي حيث اشرف مع زميله ليو زيلارد Leó Szilárd الذي كان يهوديا من مواليد هنغاريا على بناء أول مفاعل نووي في العالم عام 1942 وكان الغرض الرئيسي من هذا المفاعل هو تصنيع الأسلحة النووية. في عام 1951 تم وللمرة الأولى إنتاج الطاقة الكهربائية من مفاعل أيداهو في الولايات المتحدة.
يتوقع بعض الخبراء نقصا في الطاقة الكهربائية في المستقبل البعيد نتيجة ظاهرة انحباس حراري سببتها أنشطة بشرية مثل تكرير النفط ومحطات الطاقة وعادم السيارات وغيرها من الأسباب وهناك اعتقاد سائد ان الطاقة النووية هو السبيل الأمثل لسد هذا النقص في المستقبل.
مما يتكون المفاعل النووي ؟
يتكون المفاعل النووي من الأجزاء التالية:
1. مركز المفاعل أو قلب المفاعل وهو الجزء الذي يحتوي على وحدات الوقود النووي وتتم فيه سلسلة الانشطار النووي.
2. السائل المهدئ moderator ويستعمل الماء عادة لخفض سرعة النيوترونات وبالتالي معدل الانشطار النووي كما أنه ينقل الحرارة الناتجة من التفاعل النووي ويتحول جزء منه إلى بخار عال الضغط، يستغل في تشغيل التوربين.
3. حاويات تحيط بقلب المفاعل والماء، مصنوعة من الحديد الصلب ذات جدران سميكة(نحو 25 سم)، للاحتفاظ بضغط البخار عاليا، ولمنع تسرب الأشعاعات الناتجة من الأنشطار النووي إلى الخارج والوقاية منها. يخرج بخار الماء بضغط يبلغ 400 ضغط جوي وتكون درجة حرارته نحو 450 درجة مئوية بواسطة أنابيب متينة من حاوية المفاعل، وهي تسمى أحيانا خزان الضغط للمفاعل .
4. مبادلات حرارية يأتي البخار عالى الضغط من المفاعل إلى المبادلات لفصل دائرتي الماء، الدائرة الأولية التي تلف في المفاعل وهذه تكون عالية الإشعاع نظرا لتلامسها مع الوقود النووي. لذلك تُفصل عن الدائرة الثانوية للماء الساخن المضغوط، ويتحول هذا الماء في الدائرة الثانوية عند مغادرته المبادل الحراري إلى بخار ماء عالي الضغط والحرارة ويوجه إلى توربين لتوليد الكهرباء.
5. مولد كهربائي عملاق يديره التوربين ويولد التيار الكهربائي.
بذلك تتحول الطاقة النووية إلى طاقة حرارية ثم إلى طاقة حركة للتوربين
والمولد الكهربائي الذي يحولها إلى طاقة كهربائية لشغيل المصانع وإنارة المنازل.
مفاعل الماء المغلي بالإنجليزية: ( Boiling Water Reactor)
هو نوع من مفاعل نووي يشبه مفاعل الماء المضغوط وينتمي الإثنان إلى فصيلة مفاعلات المياة الخفيفة. وبينما يحتوي مفاعل الماء المضغوط على دائرتين للماء والبخار - واحدة منها مشعة والأخرى غير مشعة، وبينهما مبادل حراري، فيتكون مفاعل الماء المغلي من دورة واحدة للماء وبخار الماء.
أنواع مفاعلات الماء المغلي
الجيل الأول :
أنشأ الجيل الأول للمفاعلات في ألماني من مفاعلات الماء المغلي بالعمل المشترك بين جينرال إلكتريك وشركة AEG الأمانية في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي. وقد قامت الشركتان ببناء 4 مفاعلات آنذاك من هذا النوع. وقد انتهت مدة تشغيل تلك المفاعلات ن وعم في سبيل الهدم وإعادة الأرض خضراء كما كانت.
كما يوجد في سويسرا مفاعل من هذا النوع من صنع جينرال إليكتريك وهو لا يزال يعمل.
طراز 69:
قامت شركة Kraftwerk Union الألمانية عام 69 بتطوير هذا الطراز ويتميز هذا الطراز بتحويط خزان المفاعل بوعاء ضخم في شكل الكرة من الفولاذ تسع له، بالإضافة إلى البناء السميك الخرساني. وطبقا لهذا التصميم للمفاعل أصبح بناء المفاعل يستطيع تحمل صدمة طائرة مقاتلة سؤعتها فوق الصوت من دون أن يصاب المفاعل نفسه بخلل. صنعت أربعة مفاعلات من هذا الطراز في ألمانيا وعي لا تزال تعمل، وآخرهم من هذا النوع مفاعل كروميل قرب هامبورج وهو أكبر مفاعل ماء مغلي في العالم.[1]
طراز 72:
وهو آخر طراز منفذ في ألمانيا وصمم عام 1972. ويتخذ شكل بناء المفاعل في هذا الطراز الشكل الأسطواني. ويعتبر الطراز 72 تطوير للطراز 69 حيث تم تطوير أنظمة الأمان وتطوير المباني. [2]
تطور عام 2009
قامت شركة أريفا Areva NP الفرنسية بالاشتراك مع شركة E.ON الألمانية بتطوير مفاعل جيد اعطوه اسم KERENA وهو تطوير لطراز 72، وهو من نوع مفاعل الماء المغلي وذو قدرة تصل إلى 1250 ميجاوات. وقد أعربت ولاية برونسفيك ب كندا إلى شركة أريفا عن عزمها في طلب بناء واحد من مفاعلات النوع الجديد KERENA..
مفاعل ماء خفيف :
مفاعل الماء الخفيف (بالإنجليزية: light water reactor) هو نوع من المفاعلات النووية الحرارية thermal reactor يستخدم الماء العادي كمهدئ للنيوترونات وللتبريد، بعكس إالمفاعلات التي تستخدم الماء الثقيل لتهدئة سرعة النيوترونات وكمبرد. ومفاعلات الماء الخفيف هي أكثر أنواع المفاعلات انتشارا والتي تستخدم لإنتاج الطاقة الكهربائية من الطاقة النووية.
وتوجد ثلاثة أنواع من مفاعل الماء الخفيف، مفاعل الماء المضغوط ، ومفاعل الماء المغلي والمفاعل الذي يسمى مفاعل الماء فوق الحرج supercritical water reactor.
تصميم المفاعل :
ينتج مفاعل الماء الخفيف الكاقة الحرارية عن طريق التفاعل الانشطاري المتحكم فيه. ويتكون المفاعل من قلب المفاعل الذي يحتوي على وحدات الوقود النووي. وهو يحتوي أيضأعلى قضبان للتحكم في سير التفاعل. ويتكون الوقود النووي من قضبان من الوقود النووي يبلغ قطرها 1 سم وطولها نحو 7و3 متر، وهي مجمعة في حزم تسمى وحدات الوقود ويكون شكلها شكل القفص.
ويوجد في داخل كل قضيب وقود أقراص من اليورانيوم في شكل أكسيد اليورانيوم ، بيلغ طول القرص نحو 5و2 سم وهي مرصوصة داخل قضيب الوقود (أنبوب) فوق بعضها. وتوجد في قلب المفاعل أيضا قضبان التحكم وهي تحتوي على مادة مثل الهافنيوم أو الكادميوم وهي تتميز بامتصاصها للنيوترونات. وعند تغتيص قضبان التحكم في قلب المفاعل فلا يمكن للتفاعل النووي أن يأخذ مجراه بسبب عدم وجود النيوترونات.
وعلى العكس عند سحب قضبان التحكم من قلب المفاعل تدريجيا تبدأ النيوترونات الاصتدام بأنوية ذرات اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239 وعي المواد الانشطارية، ويبدا التفاعل التسلسلي يأخذ مجراه رويدا رويدا ويشتد. وتوجد جميع تلك الأجزاء في خزان ضغط أو غلاية ضغط محكمة مليئة بالماء، ويسمى خزان صغط المفاعل.
وتحول الحرارة المتولدة عن الانشطار في مفاعل الماء المغلي الماء إلى بخار، وهو يوجه مباشرة إلى تشغيل توربينات لتوليد الكهرباء. أما في مفاعل الماء المضغوط فتحول الحرارة الناشئة عن الانشطار النووي إلى دائرة ماء لأخرى تسمى الدائرة الثانوية عن طريق مبادل حراري، والبخار المتولد في الدورة الثانوية هو الذي يستخدم لتشيل التوربينات.وفي كلتا الحالتين يعود البخار بعد إدارته للتوربينات إلى مكثف للماء لإعادة الدورة.
مفاعل الماء الثقيل المضغوط :
مفاعل الماء الثقيل المضغوط (بالإنجليزية: pressurised heavy water reactor) هو نوع من مفاعل نووي لإنتاج الطاقة الكهربائية، يستعمل عادة اليورانيوم الطبيعي (غير مخصب) كوقود نووي ويستخدم الماء الثقيل D2O (أكسيد الديوتيريوم)كمهدئ ومبرد في المفاعل. وطبقا لتصميم هذا المفاعل يبقى الماء الثقيل تحت ضغط عالي من أجل رفع درجة حرارة غليانه بحيث يمكن تسخينه إلى درجات حرارة أعلى بدون أن يغلي، وذلك كما يحدث في مفاعل الماء المضغوط.
وبينما يتكلف الماء الثقيل تكلفة باهظة عن الماء العادي إلا أن له ميزات بالنسبة إلى خصائصة بالنسبة إلى النيوترونات، فهو يمتص النيوترونات قليلا مما يجعله صالحا لتشغيل المفاعل باليورانيوم الطبيعي بدون تخصيب.
وتُستخدم مفاعلات الماء الثقيل المضغوط لتوليد الطاقة الكهربائية من الطاقة النووية.
