اساسيات الطاقة النووية

أساسيات الطاقة النووية(****)
إن معظم منشآت الطاقة النووية في العالم هي مفاعلات الماء المضغوط. وفي هذه المنظومات يستخدم الماء المضغوط ضغطا عاليا (155 وحدة ضغط جوي) لمنعه من الغليان، كمبرّد وكسائل عامل. وقد بدأ تشغيل أول مفاعل تجاري يعمل بالماء الخفيف المضغوط في عام 1957، وكان قد تم تطويره في البداية في الولايات المتحدة اعتمادا على الخبرة المكتسبة من برنامج مفاعل البحرية الأمريكية.
يتألف قلب مفاعل الماء المضغوط من صفيفات من قضبان الوقود المغلفة بسبيكة الزركونيوم والمحشوة بحبات pellets أسطوانية صغيرة من أكسيد اليورانيوم المزود بنسبة بسيطة من النظائر المنشطرة (المخصّب) وبأقطار تعادل قطر قطعة عملة العشرة سنتات الأمريكية. إن الصفيف النموذجي المربع مكون من 17 17x قضيب وقود تشكل تجميعة وقودية، وتُرتَّب نحو 200 تجميعة وقودية لتشكل قلب المفاعل. والقلوب النموذجية التي يبلغ قطرها 3.5 متر وارتفاعها 3.5 متر تكون محتواة داخل أوعية ضغط فولاذية تراوح ثخانتها بين 15 و 20 سنتيمترا.
تُنتج التفاعلات الانشطارية حرارة تُزال بواسطة الماء الدائر. يُضخ المبرد داخل القلب ودرجة حرارته 290 سيلزية ويخرج منه ودرجة حرارته 325 سيلزية. وللتحكم في مستوى القدرة power تُدخَل قضبان التحكم بين صفيفات الوقود. وهذه القضبان مصنوعة من مواد تهدئ التفاعل الانشطاري بواسطة امتصاص النترونات البطيئة (الحرارية) الصادرة أثناء الانشطار. ومن خلال رفع قضبان التحكم إلى أعلى أو خفضها إلى داخل القلب يتم التحكم في معدل التفاعل النووي. وعند استبدال الوقود أو في حالة وقوع حادث ما، تُنزل القضبان بأكملها داخل القلب لإيقاف التفاعل.
في حلقة تبريد المفاعل الأولية، يخرج الماء الحار من قلب المفاعل، ويجري من خلال مبادل حراري (يدعى مولد البخار) حيث يتخلى عن حرارته إلى حلقة بخار ثانوية تشتغل تحت مستوى ضغط أخفض. يتمدد البخار الناتج في المبادل الحراري بعدئذ في عنفة بخارية تدوِّر بدورها مولدا ينتج الكهرباء (عادة 900 إلى 1100 ميگاواط). ثم يُكثف البخار ويُضخ عائدا إلى المبادل الحراري لإكمال الحلقة. وفيما عدا المنبع الحراري فإن منشآت الطاقة النووية تشبه بصورة عامة محطات توليد الكهرباء التي تعمل بالفحم أو الوقود.
توجد عدة أشكال مختلفة من المفاعلات المبردة بالماء الخفيف، أجدرها بالملاحظة مفاعلات الماء المغلي التي تعمل تحت ضغط أخفض [عادة 70 وحدة ضغط جوي] وتولّد البخار داخل قلب المفاعل مباشرة دون الحاجة إلى المبادل الحراري الوسيط. وفي عدد أقل من منشآت الطاقة النووية يكون المائع المبرِّد هو الماء الثقيل [الذي يحتوي على الدوتيريوم، نظير الهدروجين] أو ثنائي أكسيد الكربون أو معدنا سائلا مثل الصوديوم.
يكون وعاء ضغط المفاعل عادة داخل قلعة خرسانية تعمل بمثابة درع ضد الإشعاع. وتكون القلعة بدورها محصورة في نطاق مبني من الخرسانة المسلحة بالفولاذ. ويصمم المبنى هذا ليمنع تسرب الغازات أو الموائع المشعة عند وقوع أي حادث. محررو ساينتفيك أمريكان

إن الحجم الصغير نسبيا والبساطة العامة في تصاميم مفاعل الوقود الحصوي يزيدان من جدواه الاقتصادية. فكل وحدة طاقة power module، تنتج 120 ميگاواط من الكهرباء، يمكن أن تُقام في وحدة يبلغ حجمها عُشر حجم منشآت المحطات المركزية الحالية، وهو ما يتيح المجال لتطوير مشروعات أكثر مرونة وأصغر حجما قد تقدم نتائج اقتصادية أفضل. فالمنظومات ذات الوحدات، على سبيل المثال، يمكن أن تصنّع في المصنع ثم تشحن إلى موقع البناء.

إن البساطة النسبية لمنظومة الوقود الحصوي، مقارنة بالتصاميم الحالية، لا تخلو من إثارة: فلا يوجد في هذه الوحدات سوى نحو 24 نظاما فرعيا للمنشأة الكبيرة مقارنة بنحو 200 نظام فرعي في مفاعلات الماء الخفيف. ومن المهم الإشارة إلى أن تشغيل هذه المنشآت يمكن أن يمتد إلى مدى من درجات الحرارة يسمح بانبعاثات الهدروجين المنخفضة (من الماء أو من مخزونات التغذية الأخرى) التي تُستخدم في خلايا الوقود وفي محركات وسائل النقل ذات الاحتراق النظيف، وهي تقانات يمكن أن يبنى عليها اقتصاد مستدام للطاقة التي أساسها الهدروجين [انظر الإطار في الصفحة 8].

وتضم مفاعلات الجيل التالي هذه عدة ميزات أمان مهمة كذلك. فالغاز المبرِّد (الهليوم) لكونه غازا نبيلا فإنه لا يتفاعل مع المواد الأخرى حتى عند درجات الحرارة العالية. وأكثر من ذلك، فإن عناصر الوقود وقلب المفاعل لا يمكن أن تنصهر لأنها مصنوعة من مواد مقاومة للحرارة، وهي لن تتقوض degrade إلا عند درجات الحرارة العالية جدا كتلك التي تحصل فجأة في حالات الحوادث (أعلى من 1600 درجة سيلزية)، وهذه خاصية تعطي هامشا كبيرا من الأمان عند التشغيل.
اساسيات الطاقة النووية SCI2002b18N5-6_H01_002330

اساسيات الطاقة النووية SCI2002b18N5-6_H01_002330

» جيل جديد من الطاقة النووية
» اساسيات الكيمياء التحليلية
» الطاقة الحيوية