المفاعلات النووية أنواعها ومكوناتها وكيفية تشغيلها
يتزايد الاهتمام بقضايا التسلح النووي في العالم بصفة عامة وفي الشرق الأوسط بصفة خاصة، ومنذ منتصف القرن العشرين دارت الجهود الدولية حول مجابهة انتشاره من خلال معاهدة وقف التجارب النووية فوق الأرض أو تحتها، وكذلك من خلال معاهدة عدم انتشار الأسلحة النووية ومايرتبط بها من ضمانات·
ومن البديهي أن ازدياد المصداقية حيال تعامل الدول مع المواد النووية هو نتيجة للالتزام الدقيق بتنفيذ نظام الضمانات الشاملة، سواء من جانب الدول أو من جانب >الوكالة الدولية للطاقة الذرية<، ولكن اختلاف مستوى المصداقية وازدواجية معايير الدول الخمس ذات القدرات النووية (دول السلاح النووي الخمس التي لاتخضع لنظام الضمانات) أدى إلى خلل في تداول المعلومات والمعدات المستخدمة في التقنية النووية ·
أوضح اكتشاف النشاطالإشعاعي عام 1896 أن عنصري الثوريوم واليودانيوم (اليود المشع) يطلقان قدراً من الطاقة بصورة تلقائية، ويصحب عملية انطلاق الطاقة حدوث سلسلة من التحولات ذات النشاط الإشعاعي يتم خلالها انطلاق جسيمات وأشعة من الذرات- تتغير بناءً على ذلك الطبيعة الكيميائية لهذه الذرات- ويتسم معدل انطلاق الطاقة بالضعف مما يترتب عليه تعذر الاستفادة بهذه الطاقة بشكل عملي ·
تطور الأمر عام 1911 عندما اكتشف العالمالبريطاني رذرفورد أن بإمكان جسيمات >ألفا< تحطيم نواة الذرة، وتوصلت الأبحاث المستفيضة إلى اكتشاف النيوترون عام 1932، ثم إلى شطر ذرة اليورانيوم عام 1938،وأصبح واضحاً آنذاك أنه يمكن إحداث سلسلة من التفاعلات النووية باستخدام اليورانيوم، وأنه يمكن أن يكون ذلك بمثابة الوسيلة الملائمة لانطلاق كميات هائلة من الطاقة، كما يمكن بهذه العملية التفاعلية الحصول على عنصر جديد هو البلوتونيوم،وأصبح التوصل إلى إنتاج القنبلة الذرية إثر ذلك ممكناً·
وبهدف إنتاج البلوتونيوم اللازم لهذه القنبلة تم إنشاء >مصنع هانفورد< على نهر كولومبيا في الولايات المتحدة، وفيه تم إنتاج أول مفاعل نووي في العالم، ثم أقيم على نطاق صناعي لإنتاج البلوتونيوم عام 1944، وكان يتم التخلص من الحرارة الناتجة من التفاعلات النووية في هذا المفاعل باستخدام مياه نهر كولومبيا دون استخدامها لإنتاج الطاقة، وبدأت الخطوة التالية إثر ذلك بهدف التوصل إلى تصميم مفاعل نووي يمكن من خلاله تحويل الحرارة الناتجة فيه إلى صورة استخدام مفيدة من الطاقة، وهو مايعني التشغيل عند درجة حرارةأعلى، وتطور إنشاء المفاعلات وصناعات الطاقة النووية، وأُطلق عليها بعد ذلك >الصناعات النووية< ·
الاكتشافات الموازيةفي عام 1954 بدأت أولغواصة نووية أمريكية (نوتيلوس) رحلاتها التجريبية، أما في بريطانيا فقد تم إنشاءأول مفاعل نووي في (كالدرهول) لهدف مزدوج: إنتاج البلوتونيوم وتوليد الكهرباء، وبدأ تشغيل أول محطة للطاقة النووية في الاتحاد السوفييتي عام 1957، وأصبح هناك حوالي 250 قطعة بحرية تجوب محيطات العالم تستخدم الدفع النووي، كما وصل عدد المفاعلات النووية إلى 120 مفاعلاً أُقيمت على نطاق صناعي كامل، وأصبح عددها يقترب من 500مفاعل مع بداية القرن الحادي والعشرين ·
مكونات المفاعل النووي يتألف المفاعل النووي الحراري من مكونات، الهدف منها استمرار التفاعل المتسلسل الذي من خلاله تكون كمية وترتيب مادة الانشطار النووي، وكذلك المادة غير الانشطارية الوسيطة داخل قلب المفاعل ·
ويتكون المفاعل النووي من سبعة أجزاء هي :
1- وعاءالمفاعل وهو عبارة عن خزان من الصلب السميك، يوضع في الجزء السفلي منه قلب المفاعل وقضبان التحكم الممتدة حتى أعلى الوعاء، ويحافظ وعاء المفاعل المغلق على عدم خروج الإشعاع من قلب المفاعل، كذلك يحوي المادة المبردة داخل السطح الداخلي المتعرج ·
2- الوقود النووي تستخدم معظم المفاعلات النووية وقوداً صلباً تكون فيه المادةالانشطارية من عنصر اليورانيوم أو سبيكة من اليورانيوم والألمنيوم، أو أقراص منأكسيد اليورانيوم أو كربيد اليورانيوم داخل فراغات الجرافيت، وتوضع عناصر المادةالمشعة (الوقود) داخل حافظة معدنية تغطي الوقود وتمنع نواتج الانشطار ولاتتأثرسريعاً بالنيوترونات ·
ويتميز التفاعل الانشطاري داخل المفاعل باستخدام اليورانيوم235 المستخرج من خام اليورانيوم الذي يستهلك في المفاعل، ويتحول جزء منه إلى البلوتونيوم239 الذي يتشكل من اليورانيوم 238، ويمكن أن يعمل المفاعل دون إجراء عملية إحلال سريعة للوقود النووي، وللمزيد من الاقتصاد في تشغيل المفاعل يفضل إزالة نواتج الانشطار من المفاعل دورياً، إذ إن النيوترونات من نواتج الانشطار تبقى عالقة، وبالتالي يقل عدد النيوترونات المتاحة لاستمرار سلسلة التفاعل مع إنتاج المزيد من البلوتونيوم، وكذلك يتم إزالة البلوتونيوم من المفاعل (دورياً أيضاً)،حيث يمكن تنقيته للاستخدام كوقود انشطاري في مفاعلات أو أغراض أخرى، وبالإضافة إلى ذلك يتم تغيير اليورانيوم وإحلاله قبل أن يستهلك تماماً، أو إصابة الوقود بعيوبلتجنب فقد القدرة علىاستمرارية سلسلة التفاعل ·
وبالتالي فإن اليورانيوم المستخدم في المفاعلات عادة مايتصل بحلقة أخرى أوسع لإعادة تشغيله في مصنع أو معمل قريب من المفاعل، وفي هذا المصنع يتم تنقية اليورانيوم والبلوتونيوم لتوفير وقود جديد للمفاعلات، كذلك يتم تشغيل منتجات الانشطار للحصول على عناصر مشعة مختلفة، ثبت أن قيمتها عالية في استخدامات أخرى، وهذا يُطلق عليه >الصناعات النووية< ·
3- المادة المخصبة إحدى المشاكل التي تواجه استخدام المفاعلات هي الفقد المنتظم للمادة الانشطارية مع استمرار عمل المفاعل، ويمكن تقليل آثار المشكلة باستخدام وقود يحتوي على المادة الانشطارية، وقدر من مادة مخصبة لها القدرة على التحول إلى مادة انشطارية، ومن أمثلة ذلك يستخدم الثوريوم 232 كمادة مخصبة ولها القدرة على التحول إلى وقود انشطاري يورانيوم 233 بامتصاص نيوترون ·
وتختلف صور خلط الوقود بالمادة المخصبة من دولة إلى أخرى ومن مفاعل لآخر، حيث تستخدم بعض المفاعلات مخلوطاً متجانساً من الأكاسيد عالية التخصيب من اليورانيوم 235 والثوريوم في حاويات من الصلب غير القابل للصدأ على شكل أنابيب، ومع اليورانيوم المخصب يتحول جزء من اليورانيوم 238 إلى بلوتونيوم 239 وفي هذه الحالة يزيد حجمالمادة الانشطارية، وهناك طريقة أخرى هي تشكيل اليورانيوم في شكل حبيبات صغيرة من الوقود عالي التخصيب في تجاويف قضبان الوقود من اليورانيوم الطبيعي، ويمكن بعد ذلكإحلال الحبيبات، حيث تكون قد فقدت قدرتها الإشعاعية، ولكن يمكن ترك التجاويف على حالها لفترة طويلة ويعاد استخدامها بكفاءة عالية ·
4- الوسيط (المهدىء)
يستخدم في قلب المفاعل النووي >وسيط< لإبطاء سرعة النيوترونات المنطلقة بسرعتها الابتدائية، ويتم اللجوء إليه لأن الطاقة الأقل للنيوترونات توفرالاحتمال الأكبر لامتصاصها في الوقود النووي لإنتاج المزيد من الانشطار نظراًللحاجة إلى النيوترونات البطيئة لإحداث سلسلة التفاعل، حيث يمسك الوسيط بقليل من النيوترونات، وبقدر الزيادة في كمية مادة الوسيط يرتفع معدل الطاقة في إنتاجالنيوترونات ·
وليس لدى العناصر الأثقل من الكربون القدرة على أن تكون وسيطاً،لأن قدرتها على إبطاء النيوترونات ليست جيدة، وإذا تم استخدام أحد هذه العناصرالأكثر ثقلاً كوسيط، فإن النيوترونات يمكن امتصاصها في الوسيط أو تفقد في الوسط المحيط، قبل أن تتوفر الطاقة الكافية لتحويل النيوترونات السريعة إلى نيوترونات حرارية، ويمثل الهيدروجين الثقيل والبريليوم والكربون وبعض مركبات هذه العناصر أفضل المواد المستخدمة عملياً للوسيط ·
5- المبرّد يتم امتصاص الحرارة الناتجة من سلسلة الانشطار من المفاعل بواسطة >مبرّد<، ويعتمد عمله على المياه العادية أو المياه الثقيلة أو المعادن السائلة أو الأملاح المصهورة أو الغاز، وتسمى المياه النقية العادية المياه الخفيفة، وتستخدم كمبرد في مفاعلات المياه الساخنة،كما تستخدم المياه الثقيلة كمبرد في المفاعلات التي تستخدم المياه الثقيلة كوسيط ·
6- السيطرة على عمل المفاعل أبسط طرق السيطرة على سلسلة التفاعل هي استخدام مادة عالية القدرة على الإمساك بالنيوترونات، ويعد الكادميوم مادة لها هذه القدرة، واستخدمت ألواح الكادميوم في أول مفاعل انشطار متسلسل أُقيم في جامعة شيكاغو عام 1942، ومنذ ذلك الحين يتم وضع قضبان الكادميوم وخفضها داخل المفاعل لتحديد المعدل الذي يتم عليه الانشطار، كما تستخدم قضبان من بورون الصلب غير المغطىبالجرافيت في المفاعلات التي تستخدم الجرافيت كمادة وسيطة، أو يستخدم بورون الصلب المغطى في حالة تعرضه للتآكل، وقد تستخدم قضبان السيطرة من المواد التي توجد في الطبيعة ذات القدرة على امتصاص النيوترونات، وقد تستخدم السوائل في أنابيب القضبان، وفي مثل هذه الحالات تتغير قدرة السيطرة مع تغير مستوى السوائل ·
ومن تقنيات السيطرة الأخرى على المفاعلات استخدام مواد امتصاص النيوترونات الذاتية في مواد التبريد، ومن أمثلة ذلك حمض البوريك الذائب في مياه التبريد، للإبقاء على المفاعل تحت مستوى الحرارة الحرج خلال تغيير عبوة الوقود النووي، ويتم إخراج حمض البوريك من المبرد مع بدء عمل المفاعل، ومن الطرق الأخرى وضع مواد امتصاص النيوترونات داخل الوقود ذاته، بعد فترة من الوقت تصبح المادة أقل قدرة وتأثيراً على امتصاص النيوترونات وهو مايعادل فقد الانشطارية المستهلكة في الانشطار، وتزود بعض المفاعلات بنظام للسيطرة الذاتية بالنظر إلى تأثير الحرارة على فاعلية المفاعل ·
7- نظام الوقاية (التدريع)
يزداد الحجم الكلي للمفاعل النووي مع زيادةالحاجة لحماية العاملين من أضرار >إشعاع جاما< المصاحب للانشطار ومع زيادة الإشعاع التراكمي الناتج عن نواتج الانشطار النووي الذي تزداد فيه أشعة جاما بالإضافة إلى تسرب بعض النيوترونات من المفاعل، حيث لايتم امتصاص النيوترونا السريعة، والأفضل والأسهل تقليل طاقتها الحرارية بإحاطتها بمواد إضافية لامتصاص النيوترونات، وهذه النيوترونات الساخنة يمكن امتصاصها باستخدام كمية من المادةالوسيطة السميكة في مواد بناء المفاعل ·
وتتميز أشعة جاما بقدرتها على اختراق الأجسام، ويمكن امتصاصها بقدرة عالية باستخدام المعادن الثقيلة مثل الرصاص والتنجستين، ولأسباب اقتصادية من المعتاد استخدام الخرسانة المحيطة بالمفاعل بقدرزائد من السمك في البناء ·
وبالنظر إلى التأثير البيولوجي على الإنسان، يحتاج المفاعل البحثي الصغير إلى جدار محيطه ذات سمك يتراوح بين3.7-4.2 متر، وبارتفاع يتراوح بين 4.6 - 6 متر، وتُغطي مساحة المفاعل مابين 80 - 120 هكتاراً مربعاً، حتى أن إنشاءات الوقاية من الإشعاع في مفاعل نووي صغير ينتج 5 ميجاوات، تتكون من طبقات من الخرسانة المسلحة بسمك 8 -10 أقدام (3 أمتار) ومواد أخرى لتقوية الوقاية من الخرسانة والصلب والتي لايمكن اختراقها ·
وتتطلب إقامة المفاعل وجوده بجوار مصدرمياه وفير مثل نهر كبير أو بحيرة أو شاطىء البحر، حيث يحتاج كميات وفيرة من المياه الضرورية لأغراض التبريد ·
عمل المفاعل النووي عند تشغيل المفاعل النووي،يقوم الوقود النووي بإنتاج النيوترونات وامتصاصها مع إطلاق الحرارة داخل الوقود،ومع احتراق الوقود النووي تتغير طبيعته تدريجياً، ويعتبر النيوترون جسيماً نووياًلايحمل شحنة كهربائية، ويمكن للنيوترون أن يتخلل المادة ليصطدم بالنويات الذرية، وعند حدوث كل تصادم فإن النيوترون إما أن يرتد في اتجاه وإما أن تقتنصه الذرة لتتكون نواة مركبة ·
وتختلف عملية اقتناص النيوترونات باختلاف أنواع النويات، وتختلف نواة ذرة اليورانيوم الموجود في الطبيعة باختلاف نوع النظير، ويوجد لعنصراليورانيوم نظيران يختلف كل منهما عن الآخر في عدد الجسيمات التي تضمها النواة، وتضم نواة النظير الأول 238 جسيماً وتبلغ نسبة توافره 99.3% من اليورانيوم الذي يتم العثور عليه في الطبيعة، بينما تضم نواة النظير الآخر 235 جسيماً وتبلغ نسبته ,7% وقد جعل وجود هذا النظير عملية إنشاء المفاعلات النووية أمراً ممكناًعنداقتناص اليورانيوم 235 لأحد النيوترونات، فإن النواة المركبة الناتجة لليورانيوم 236 يمكن أن تظل سليمة، ولكن الاحتمال الأكبر يتمثل في انشطارها إلى نويّتينم تماثلتي الكتلة تقريباً، وتنطلق نتيجة لهذه العملية نيوترونات سريعة الحركة، ولذلك يسمى اليورانيوم 235 مادة قابلة للانشطار، بينما ينتج عن اقتناص ذرة اليورانيوم 238نواة أخرى مركبة لليورانيوم 239 وهذه النواة الناتجة غير قابلة للانشطار ·
ونظراً لإمكان تحول اليورانيوم 238 إلى مادة انشطارية فإنه يعد عنصراً خصباً، وتلعب العناصر الانشطارية والخصبة أدواراً هامة في تشغيل المفاعلات النووية، حيث تحدث سلسلة من تفاعلات الانشطار النووي بصورة منتظمة، إذا ما أمكن لأحد النيوترونات الناتجة عن كل انشطار تنشيط عملية انشطار جديدة، وتؤدي هذه العملية إلى ترك نيوترون أو نيوترونين بصفة احتياطية مع كل عملية انشطار، ويحدث امتصاص متعمد لبعض النيوترونات الاحتياطية في المفاعل النووي داخل قضبان تحكم يتم إدخالها جزئياً في المهدىء، ويُفقد بعضها بشكل لايمكن تجنب حدوثه ·
وتعمل بعض المفاعلات الحرارية بوقود من نظائر اليورانيوم الموجود في الطبيعة، ولكن معظم المفاعلات تعمل بوقود من اليورانيوم بعد فصل نظائره عن بعضها، ويتيح استخدام اليورانيوم المركز الذي يحتوي على نسبة 2 -4% من اليورانيوم235 حرية أكبر عند تصميم المفاعل، وعند التطبيق العمل يتكون نسبة عدد نويات البلوتونيوم 239 إلى عدد نويات اليورانيوم 235 في المفاعل الحراري أقل من واحد .
وإذا ماكان البلوتونيوم الناتج مطلوباً لصنع قنابل نووية يتم طرد الوقود في مرحلة مبكرة، أو يتم تركه المفاعل فترة تتراوح بين 3-5 سنوات يحترق خلالها جزء من البلوتونيوم 239 بفعل عمليات الانشطار، ويتحول بعضه إلى نظائرأعلى مثل البلوتونيوم 242/241/240 ولا يُعد قابلاً للانشطار منها سوى البلوتونيوم 241 ·
المفاعل المولِّد (السريع)
أجرى المختصون دراسات تهدف إلى تحسين طريقة الانتفاع بالوقود النووي، ولتحقيق ذلك اتجهت الدراسات في اتجاهين: الأول إحلال الثوريوم الذي يوجد منه في الطبيعة نظير واحد هو الثوريوم 232 بدلاً من اليورانيوم 238 كمادة خصبة، ويترتب على ذلك إنتاج اليورانيوم 232 كمادة انشطارية، وتتلاءم خواص هذه النواة بشكل أفضل مع ظروف تشغيل المفاعل الحراري عن خواص البلوتونيوم 239 ·
وقد يساعد استخدام الثوريوم على رفع نسبة المحترق من كميته الموضوعة في المفاعل، الاتجاه الثاني للدراسات هو التوصل إلى المفاعل المولد السريع الذي يعتمد في تشغيله على استخدام نظائر البلوتونيوم كمادة انشطارية واليورانيوم 238 كمادة خصبة دون استخدام مهدىء، وبالتشغيل بنيوترونات سريعة تتحسن خواص البلوتونيوم كثيراً، وتنخفض قابليته للتحول إلى نظائر غير قابلة للانشطار، وبذلك يمكن تحول أكثر من نواة واحدة من نويات اليورانيوم إلى بلوتونيوم 239 لكل نواة بلوتونيوم تم انشطارها ·
ويعمل المفاعل النووي السريع عبر انفصال نواة الذرة الموجبة، وخلال عملية الانشطار النووي ينفصل جزآ النواة حتى تتوقف فعالية قوة التجاذب المرتبطة بطاقة الربط، عندئذ يندفع كل من نصفي النواة الذي يحمل نصف الشحنة بعيداً عن الآخر بسرعة رهيبة بفعل التنافر الكهروستاتيكي، ويأخذ الجزء الأعظم من الطاقة التي انطلقت في عملية الانشطار صورة طاقة حركة لنواتج الانشطار، ومع بلوغ هذه النواتج حالة السكون وسط الوقود المحيط تتوزع الطاقة وتظهر على هيئة حرارة،ويتعاظم مقدار الحرارة الناتجة مع مرور نواتج الانشطار بعمليات تحول أخرى يصحبهانشاط إشعاعي ويقترب عدد أنواع هذه النواتج من ذرة لعناصر مختلفة ·
عناصرالوقود النووي تعتمد بعض المفاعلات في تشغيلها على استخدام عنصر >اليورانيوم الفلزي< كوقود نووي، ولكن ثبت فعالية أكسيد اليورانيوم وكربيد اليورانيوم في الاستمرار في العمل حتى درجات حرارة مرتفعة، وفي تراكم نواتج الانشطار، وتوضع قضبان مستديرة أو مربعة من الوقود بإحكام داخل مواسير معدنية رقيقة الجدران يتم تجميعها في بعض التصميمات على هيئة مجموعات، تضم كل منها 36 وحدة تمثل عنصر الوقود النووي،ويستخدم الجرافيت بدلاً من المعادن كغلاف يحيط بالقضبان عندما تكون درجة حرارة التشغيل مرتفعة ·
وتوضع عناصر الوقود داخل مجارٍ رأسية تنساب فيها تيارات منالمادة المبردة، ويشيع استخدام مواد معينة كمبردات أهمها غاز الهليوم وغاز ثاني أكسيد الكربون والماء العادي أو الثقيل (الذي يحتوي على ذرات نظير الهيدروجينالمسمى بالديوتيريوم بدلاً من ذرات الهيدروجين العادي) أو الصوديوم الفلزي المنصهر،وعند استخدام الماء فإنه يتم ذلك تحت ضغط مرتفع للاحتفاظ بالماء في حالته السائلة،أو يتم ضبط الضغط بحيث يتولد بخار الماء عند مرور المياه على عناصر الوقود، وفي هذه الحالة يتم تمرير بخار الماء مباشرة إلى توربينات، وفي حالات أخرى يمر وسط التبريدإلى مبادل حراري يقوم بنقل الحرارة المكتسبة في الوسط إلى تيار من الماء لتبخيرهواستكمال المراحل باستخدام التوربينات ·
ويراعى الاحتفاظ بالمادة المبردة تحتضغط مهما كانت نوعيتها، ويتحقق ذلك عادة بإحاطة الوقود والمادة المبردة داخل وعاء ضغط، وإن كانت هناك طريقة أخرى تعتمد على وضع الوقود والمادة المبردة وحدهما داخلمصفوفة من المواسير تحت ضغط، وفي جميع أنواع المفاعلات ينبغي إنشاء درع خرساني لحماية الأشخاص العاملين من خطر الإشعاع.
المشاركات
الله - الوطن - إنسان السودان الممتهن
0 التعليقات :
إرسال تعليق