المفاعل النووي هو جهاز هندسي ضخم يستخدم لتوليد تفاعل نووي متسلسل مستمر والتحكم في معدل سير هذا التفاعل بحيث يمكن السيطرة عليه والاستفادة من طاقته لفترة طويلة. تتولد الطاقة فيه على شكل طاقة حرارية ترفع درجة حرارة الماء المحيط في قضبان الوقود.
ما هي فوائد المفاعلات النووية؟
- إنتاج الطاقة
- أغراض بحثية
- دفع السفن والغواصات
أجزاء المفاعل بشكل عام بغض النظر عن نوعه:
- قلب المفاعل( Reactor Core ): وهو الجزء الذي يحتوي على وحدات الوقود النووي ويتم فيه التفاعل المتسلسل لإكمال التفاعل النووي، ويتخلله المهدئ.
يحتوي قلب المفاعل على: - الوقود (Fuel): هي عناصر يمكن تغييرها بسهولة وستطلق طاقة حرارية. اليورانيوم هو العنصر الأكثر شيوعًا كوقود نووي ، على الرغم من أن الثوريوم يمكن استخدامه أيضًا. يتم تصنيع وقود اليورانيوم في كريات وقود صغيرة (fuel pellets) وتعبأ في قضبان(fuel rods) وتحيط بها كسوة (cladding) لتجنب التسرب إلى المبرد. يتم تجميع قضبان الوقود هذه في حزمة وقود (fuel assemblies) .
يتكون اليورانيوم الطبيعي في الغالب من اليورانيوم 238 (99.3٪) ، واليورانيوم -235 (0.7٪) وكمية صغيرة جدًا من اليورانيوم -234 (0.0055٪). تتطلب معظم المفاعلات نسبة أعلى من اليورانيوم 235 من أجل الحفاظ على تفاعلات الانشطار النووي ، والتي يمكن القيام بها من خلال عمليات تخصيب اليورانيوم.
نحتاج إلى مصدر نيوتروني عندما يكون المفاعل جديد بوقود جديد لبدء التفاعل. عادةً ما يكون هذا المصدر هو البريليوم ممزوجًا بالبولونيوم أو الراديوم أو باعث ألفا آخر. تتسبب جسيمات ألفا الناتجة عن الاضمحلال في إطلاق النيوترونات من البريليوم أثناء تحولها إلى الكربون 12.
- المهدئ (Moderator) : تستخدم لإبطاء النيوترونات الناتجة عن الانشطار. هذا ضروري لأن العديد من أنواع الوقود النووي (اليورانيوم 235 ، على سبيل المثال) تتطلب من النيوترونات أن تكون بطيئة الحركة من أجل امتصاصها. تعتبر النوى ذات الأعداد الكتلية المنخفضة أكثر فاعلية في القيام بذلك ، لذلك غالبًا ما يتم استخدام مواد مثل الماء أو الجرافيت.
تستخدم معظم المفاعلات الماء الخفيف كمبطئات ، مثل مفاعلات الماء المضغوط ومفاعلات الماء المغلي. يعمل الكربون بالمثل ويستخدم في مفاعلات مثل RBMK. النوع الثالث من المهدئات المستخدمة في مفاعلات CANDU هو الماء الثقيل ، وهو ماء يتكون من هيدروجين ثقيل ، يسمى الديوتيريوم ، بدلاً من الهيدروجين العادي.
- المبرد (Coolant): يستخدم لإزالة الحرارة من قلب المفاعل ونقله إلى مكان مفيد ، مما يحافظ على الوقود من السخونة الزائدة والذوبان ، ونقل الحرارة إلى الماء لتكوين البخار. قد تعمل المبردات أيضًا كمهدئ ، كما هو الحال في العديد من المفاعلات التي يتم التحكم فيها بالماء. المبردات الأكثر شيوعًا للمفاعلات النووية هي الماء الخفيف والماء الثقيل.
- حاوية الضغط (Pressure Vessel): تحيط بقلب المفاعل والمهدئ، للإحتفاظ بضغط البخار عاليا، ولمنع تسرب الإشعاعات الناتجة من الانشطار النووي إلى الخارج والوقاية منها. وهو عبارة عن إناء أسطواني برأس سفلي ملحوم ورأس علوي نصف كروي حيث يمكن إزالة الرأس العلوي للسماح بإعادة التزود بالوقود للمفاعل أثناء الانقطاعات المخطط لها. يوجد فوهة مدخل (cold leg ساق باردة) و فوهة مخرج (hot leg ساق ساخنة) لكل حلقة نظام تبريد في المفاعل. يدخل مبرد المفاعل إلى وعاء المفاعل عند فوهة المدخل ويخرج من المفاعل في منطقة الأجزاء الداخلية العليا ، حيث يتم توجيهه خارج فوهة المخرج إلى الجزء الساخن للحلقة الأولية ثم ينتقل إلى مولد البخار. وعاء الضغط يحدد عُمر المفاعل النووي ، لذلك يجب أن يكون قادرًا على تحمل تأثيرات درجة الحرارة والضغط العاليين وأشعة جاما.
- مولد البخار(Steam Generator): عبارة عن مبادلات حرارية تستخدم لتحويل الماء إلى بخار من الحرارة الناتجة في قلب المفاعل النووي. والتي تقوم بعد ذلك بتشغيل مولدات التوربينات لإنتاج الكهرباء. يتم استخدامها في مفاعلات الماء المضغوط (PWR) بين حلقات المبرد الأولية والثانوية.
في تصميمات PWR النموذجية ، المبرد الأساسي هو ماء عالي النقاء ، يتم الاحتفاظ به تحت ضغط عالٍ حتى لا يغلي. يتم ضخ سائل التبريد الأساسي هذا عبر قلب المفاعل حيث يمتص الحرارة من قضبان الوقود. ثم يمر عبر مولد البخار ، حيث ينقل حرارته (عن طريق التوصيل عبر المعدن) إلى الماء ذو الضغط المنخفض الذي يُسمح له بالغليان. المواد التي يتكون منها مولد البخار مصنوعة خصيصًا لتحمل حرارة وإشعاع المفاعل. يجب أن تكون أنابيب المياه أيضًا قادرة على مقاومة التآكل من الماء لفترة طويلة من الزمن. - قضبان التحكم (Control Rods): يمكن إدخالها في قلب المفاعل لتقليل كمية الوقود التي تخضع لتفاعلات الانشطار. مصنوعة من مواد ماصة للنيوترونات مثل الكادميوم أو الهافنيوم أو البورون، من خلال امتصاص النيوترونات داخل قلب المفاعل ، فإنه يمنع تلك النيوترونات من التفاعل مع الوقود. تستخدم قضبان التحكم لضبط عدد التفاعلات التي تحدث في القلب ، أو إدخالها بالكامل لإغلاق المفاعل تمامًا.
يتم إدخال قضبان التحكم في PWR من الجزء العلوي لقلب المفاعل (core) ، و من الجزء السفلي في BWR
يتم تعليق قضبان التحكم فوق القلب ويتم تثبيتها هناك بواسطة مغناطيس كهربائي (مغناطيس يتطلب إمدادًا ثابتًا بالكهرباء لتشغيله). في حالة حدوث فقدان للطاقة.
البورون 10 ، على سبيل المثال ، يمتص النيوترونات عن طريق تفاعل ينتج جسيمات الليثيوم 7 وألفا:
- مبنى الاحتواء (Containment Building): هو هيكل من الفولاذ المقوى أو الرصاص يحيط بالمفاعل النووي. وهي مصممة ، لاحتواء تسرب البخار أو الغاز المشع. مبنى الاحتواء هو الحاجز الرابع والأخير أمام الإطلاق الإشعاعي ، الأول هو سيراميك الوقود نفسه، والثاني هو أنابيب تكسية الوقود المعدنية (Cladding) ، والثالث هو وعاء المفاعل ونظام التبريد. يلعب مبنى الاحتواء دورًا حاسمًا في أكثر حوادث المفاعلات النووية خطورة ، إلا أنه مصمم فقط لاحتواء أو تكثيف البخار على المدى القصير ولا يزال يجب توفيرالأنظمة لإزالة الحرارة على المدى الطويل .
- العاكس (Reflector) : يقلل من عدم انتظام توزيع الطاقة في مجموعات الوقود الطرفية ، ويقلل من تسرب النيوترون ومن تجاوز تدفق سائل التبريد في قلب المفاعل. يعكس العديد من النيوترونات التي كانت ستهرب (أي يقلل من تسرب النيوترونات) إلى قلب المفاعل. و بسبب أنه يقلل من تسرب النيوترونات ،فإنه يزيد من قيمة K ويقلل من كمية الوقود اللازمة للحفاظ على المفاعل حرجًا لفترة طويلة.
- مولد كهربائي: يولد الكهرباء
- أنظمة الأمان (Safety System): أنظمة الأمان موجودة لإغلاق المفاعل ومنع إطلاق المواد المشعة. تكون بعض الأنظمة سلبية ، مثل إسقاط قضبان التحكم في قلب المفاعل في مفاعلات CANDU. يجب أيضًا أن تحيط مباني الاحتواء القوية بالمفاعل لمنع أي تسرب إشعاعي أو أضرار خارجية للمفاعل. تتطلب أنظمة الأمان الأخرى التنشيط. مثال على هذا النظام هو إطلاق كميات كبيرة من الماء لإحاطة قلب المفاعل. يوفر هذا تبريدًا للنواة لتجنب الذوبان.
يمكن تصنيف المفاعلات النووية تبعا لعدة عوامل منها:
تصنيف المفاعلات حسب التفاعل النووي
- مفاعلات الانشطار النووي
- مفاعلات الاندماج النووي
تصنيف المفاعلات طبقا لنوع المهدئ
- مفاعلات مهدئة بالماء (تكون إما بالماء الثقيل او الخفيف)
- الماء الخفيف هو أكثر المهدئات انتشاراً والمفاعلات تستخدم الماء العادي لتهدئة سرعة النيوترونات وكذلك في تبريد قضبان اليورانيوم حتى لا ترتفع درجة حرارتها عن نحو 1000 درجة مئوية.
- مفاعلات مهدئة بالجرافيت
- مفاعلات مهدئة بعناصر خفيفة (مثل مفاعل الملح المنصهر أو المفاعلات التي تستخدم المعادن المنصهرة)
- مفاعلات مهدئة بمواد عضوية
تصنيف المفاعلات طبقا لنوع المبرد
- مفاعل مبرد بالماء وله ثلاثة أنواع : مفاعل الماء المضغوط ومفاعل الماء المغلي ومفاعل الحوض
- مفاعل مبرد بمعدن سائل (مثل الصوديوم او الرصاص)
- مفاعل مبرد بغاز خامل
- مفاعل مبرد بالملح المنصهر
تصنيف المفاعلات حسب الاستخدام
- إنتاج الكهرباء
- الدفع والتحريك (لدفع الغواصات والسفن)
- إنتاج الحرارة (لتحلية المياه أو إنتاج الهيدروجين أو لإغراض صناعية)
- إنتاج عناصر جديدة (باستخدام التحولات النووية)
- للأبحاث
