مفاعل نووي

إيكاتا، محطة الطاقة النووية، هي مفاعل ماء مضغوط يبرّد بتبادل تبريدي ثانوي مع المحيط.
مفاعل نووي
ثلاث سفن تدور بالطاقة النووية، (أعلى إلى أسفل) nuclear cruisers USS Bainbridge و USS Long Beach مع USS Enterprise أول حاملة طائرات تدور بالطاقة النووية في العالم في 1964. أعضاء الطاقم يفصّلون صيغة أينشتاين لـ تكافؤ الكتلة-الطاقة E = mc2 on the flight deck.

المفاعلات النووية هي منشآت ضخمة يتم فيها السيطرة على عملية الأنشطار النووي حيث يتم الأحتفاظ بالأجواء المناسبة لأستمرار عملية الانشطار النووي دون وقوع انفجارات اثناء الانشطارات المتسلسلة. يسخدم المفاعلات النووية لأغراض خلق الطاقة الكهربائية وتصنيع الأسلحة النووية وازالة الأملاح والمعادن الأخرى من الماء للحصول على الماء النقي وتحويل عناصر كيميائية معينة إلى عناصر اخرى وخلق نظائر عناصر كيميائية ذات فعالية اشعاعية وأغراض أخرى.

يعتبر إنريكو فرمي عالم الفيزياء إيطالي حاز جائزة نوبل في الفيزياء عام 1938 وغادر ايطاليا بعد صعود الفاشية على سدة الحكم واستقر في نيويورك في الولايات المتحدة من اوائل من اقترحوا بناء مفاعل نووي حيث اشرف مع زميله ليو زيلارد اليهودي المجري 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 انتاج 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.

لمعرفة الدول ذات القدرة النووية اقرأ المقال الرئيسي الأسلحة النووية.

Historical and projected world energy use by energy source, 1980-2030, Source: International Energy Outlook 2007, EIA.
Nuclear power installed capacity and generation, 1980 to 2007 (EIA).
The status of nuclear power globally. Click image for legend.
The CANDU Bruce Nuclear Generating Station is the second largest nuclear power plant in the world.

تاريخ

كان إنريكو فرمي E.Fermi و ليو شيلارد L. Szilard أول من بنى مفاعلاً نووياً في جامعة شيكاغو في عام 1942. واستخدمت المفاعلات النووية الأولى في أربعينيات القرن العشرين لتوليد البلوتونيوم [ر] للأسلحة النووية. ثم استخدمت مفاعلات أخرى في البحرية لتسيير الغواصات. وفي منتصف الخمسينيات من القرن العشرين أُجريت في الاتحاد السوڤييتي وفي دول غربية أخرى أبحاث حول استخدام المفاعلات النووية لأغراض غير عسكرية. وفي عام 1951 أنتجت طاقة كهربائية لأول مرة من مولدات تعمل بالطاقة النووية. وكان أول مفاعل يولد الكهرباء لأغراض تجارية قد بني في روسيا في عام 1954. وبدأ تشغيل أول مفاعل نووي لتوليد الكهرباء في الولايات المتحدة في عام 1957.

Constructing the core of B-Reactor at Hanford Site during the Manhattan Project.

وبعد أن أنشئت مئات المفاعلات في بلدان كثيرة توقف بناؤها في بعض البلدان، ومنها الولايات المتحدة (في الثمانينيات)، وكان ذلك لأسباب اقتصادية ثم أعادت النظر في ذلك في عام 2004، وسوف تبنى مفاعلات نووية جديدة لتوليد الكهرباء لأنها لا تتسبب في إطلاق غازات ضارة بالبيئة.

الشكل (1)مخطط يبين مبدأ عمل محطة نووية لتوليد الكهرباء فيها مفاعل يعمل باليورانيوم المخصب والماء المضغوط

يتكون اي مفاعل نووي من الأجزاء التالية:

  • السائل المتحكم في حرارة المركز ويستعمل الماء عادة للتحكم في سرعة عمليات الأنشطار النووي وكواقي من الأشعاع المنبعث من العملية.
  • حاويات تحيط بمركز المفاعل و السائل المتحكم في حرارة المركز لمنع تسرب الأشعاعات الناتجة من الأنشطار النووي.
  • محولات حرارية للتحكم في حرارة السائل المتحكم في حرارة المركز.
  • مولدة كهربائية عملاقة.

لغرض تحفيز سلسلة عمليات الأنشطار النووي في مركز المفاعل النووي يستعمل ما يسمى بالوقود النووي والتي هي في الغالب اليورانيوم-235 او البلوتونيوم-239 والفكرة تكمن في تحفيز انشطار في انوية ذرات اليورانيوم-235 او البلوتونيوم-239 لايصالهما إلى مرحلة ما يسمى الكتلة الحرجة.

لتوضيح مفهوم الكتلة الحرجة تصور ان هناك كرة بحجم قبضة اليد مصنوع من مادة اليورانيوم-235 ، بعد تحفيز اولي لعملية الأنشطار النووي بواسطة تسليط حزمة من النيوترون على الكرة سيتولد 2.5 نيترون جراء هذا الأنشطار الأول لنواة ذرة اليورانيوم-235 وهذا يكون كافيا لبدأ انشطار ثاني في كل الأجزاء المتكونة من الأنشطار الأول واثناء هذه السلسلة المتعاقبة من الأنشطارات في نواة الذرات يفقد الكثير من النيوترونات المتكونة إلى سطح الشكل الكروي ولكن كمية النيوترونات المتكونة في الداخل كافية لادامة عمليات الأنشطار وهنا يأتي دور الكتلة الحرجة التي يمكن تعريفها بالحد الأدنى من كتلة مادة معينة كافية لتحمل سلسلات متعاقبة من الأنشطارات .

اذا كان العنصر المستخدم في عملية الأنشطار النووي ذو كتلة يتطلب تسليطا مستمرا بالنيوترونات لتحفيز الأنشطار الأولي للنواة فان هذه الكتلة تسمى الكتلة دون الحرجة.

The first light bulbs ever lit by electricity generated by nuclear power at EBR-1 at what is now Idaho National Laboratory.

اذا كان العنصر المستخدم في عملية الأنشطار النووي ذو كتلة قادرة على تحمل سلسلات متعاقبة من الأنشطار النووي حتى بدون اي تحفيز خارجي بواسطة تسليط نيوترونات خارجية فيطلق على هذه الحالة الكتلة الفوق حرجة وهي المرحلة المطلوبة لتصنيع القنبلة النووية.

الكعكة الصفراء

تعتبر أستراليا ، كازاخستان ، كندا ، جنوب أفريقيا ، البرازيل ، ناميبيا من اكبر الدول المصدرة لليورانيوم وتباع عادة بسعر يتراوح من 80 - 100 دولار للكيلوغرام الواحد وبعد الحصول عليه يتم طحنه وتحويله إلى مايسمي بالكعكة الصفراء التي يتم تحويلها فيما بعد إلى يورانيوم هيكسافلوريد uranium hexafluoride ويتم بعد ذلك عملية اخصاب اليورانيوم.

الحوادث والأمان

Nine nuclear power plant accidents with more than US$300 million in property damage, to 2011[1][2][3]
Date Location Description Cost
(in millions
2006 $)
December 7, 1975 Greifswald, East Germany Electrician's error causes fire in the main trough that destroys control lines and five main coolant pumps US$443
February 22, 1977 Jaslovské Bohunice, Czechoslovakia Severe corrosion of reactor and release of radioactivity into the plant area, necessitating total decommission US$1,700
March 28, 1979 Middletown, Pennsylvania, US Loss of coolant and partial core meltdown, see Three Mile Island accident and Three Mile Island accident health effects US$2,400
March 9, 1985 Athens, Alabama, US Instrumentation systems malfunction during startup, which led to suspension of operations at all three Browns Ferry Units - operations restarted in 1991 for unit 2, in 1995 for unit 3, and (after a $1.8 billion recommissioning operation) in 2007 for unit 3 US$1,830
April 11, 1986 Plymouth, Massachusetts, US Recurring equipment problems force emergency shutdown of Boston Edison's Pilgrim Nuclear Power Plant US$1,001
April 26, 1986 Chernobyl, near the town of Pripyat, Ukraine Steam explosion and meltdown with 4,057 deaths (see Chernobyl disaster) necessitating the evacuation of 300,000 people from the most severely contaminated areas of Belarus, Russia, and Ukraine, and dispersing radioactive material across Europe (see Chernobyl disaster effects) US$6,700
March 31, 1987 Delta, Pennsylvania, US Peach Bottom units 2 and 3 shutdown due to cooling malfunctions and unexplained equipment problems US$400
September 2, 1996 Crystal River, Florida, US Balance-of-plant equipment malfunction forces shutdown and extensive repairs at Crystal River Unit 3 US$384
March 10, 2011 Fukishima, Japan Earthquake followed by tsunami cause Fukushima I Nuclear Power Plant to lose ability to cool nuclear reactors. Explosion of secondary containment wall occurs during live TV. 50,000 people from vicinity evacuated. Rising

وصف المفاعل

يتألف المفاعل النووي من ثلاثة أجزاء (الشكل 1):

  • جزء فعّال هو قلب المفاعل reactor core
  • أجهزة تحكم وأمان.
  • حاوية محكمة تستطيع تحمل ضغوط عالية.

1- قلب المفاعل: تختلف المفاعلات عن بعضها تبعاً للعناصر الرئيسة الثلاثة التي تميز القلب وهي : الوقود fuel والمهدّئ moderator والمبرّد coolant (أو المائع الحامل للحرارة). أ - الوقود النووي: ويمكن أن يكون من اليورانيوم، وهو الأكثر استخداماً، أو من البلوتونيوم. واليورانيوم يمكن أن يكون إما بشكله الطبيعي (الذي يحتوي على 0.7 في المئة من اليورانيوم 235 وعلى 99.3 في المئة من اليورانيوم 238) أو مخصّباً enriched زيدت فيه نسبة اليورانيوم 235 إلى نحو 3 إلى 4 في المئة.

يستخدم اليورانيوم الطبيعي أكثر ما يستخدم على شكل قضبان مصمتة أو مجوفة (أنابيب) من اليورانيوم المعدني نصف قطرها عدة سنتمترات وطولها عشرات السنتمترات. أما اليورانيوم المخصّب فيستخدم عادة على شكل أكسيد اليورانيوم UO2 بصورة أسطوانات صغيرة قطرها عدة مليمترات وارتفاعها نحو 15 مليمتر توضع فوق بعضها في أنابيب معدنية.

A 2008 synthesis of 103 studies, published by Benjamin K. Sovacool, determined that the value of CO2 emissions for nuclear power over the lifecycle of a plant was 66.08 g/kWh, based on the mean value of all the 103 studies. Comparative results for wind power, hydroelectricity, solar thermal power, and solar photovoltaic were 9-10 g/kWh, 10-13 g/kWh, 13 g/kWh and 32 g/kWh respectively.[4]

يتعرض اليورانيوم المعدني للأذى بسبب الإشعاع وهذا يُحِد من عمره التشغيلي في المفاعل، إلا أنه يمكن تحسين متوسط عمره المتوقع نوعاً ما بوساطة المعالجة الحرارية، وأكثر من ذلك بإضافة عناصر أخرى إليه مثل الزركونيوم أو الملبدينيوم. أما أكسيد اليورانيوم فمقاومته لأذى الإشعاع أكبر، فضلاً عن أنه يقاوم التآكل في الماء. ولكن ناقليته الحرارية وكثافته أخفض من تلك التي للمعدن، وهذا يجعله أسوأ من المعدن في بعض التطبيقات.

يحاط الوقود، لمنع تسرب نواتج الانشطار التي تتشكل فيه ولتجنب التلوث الخارجي، بغلاف محكم الإغلاق يحميه كذلك من التآكل والتحات الذي يسببه المائع الحامل للحرارة المحيط به. ويشكل هذا الغلاف كذلك دعامة ميكانيكية له. ويمكن أن يكون الغلاف من المغنسيوم أو من الفولاذ غير القابل للصدأ أو من سبيكة من الزركونيوم.

أما البلوتونيوم 239 فينتج بوساطة أسر نترون إضافي في اليورانيوم 238 ما بعد اليورانيوم فهو ناتج ثانوي في مفاعلات توليد الكهرباء النووية. وقد أنتجت اليابان وحدها، على سبيل المثال، 10 طن من البلوتونيوم نتيجة لبرنامج مفاعلاتها التجارية. لكن البلوتونيوم لا يزال، كوقود نووي تجاري، في مرحلة التجريب والاختبار في أوربا و اليابان، أما في الولايات المتحدة فقد استبعدت إلى أجل غير مسمى منذ عام 1977 عملية تدوير البلوتونيوم من الوقود المستنفد.

Calder Hall nuclear power station in the United Kingdom was the world's first nuclear power station to produce electricity in commercial quantities.[5]
The Shippingport Atomic Power Station in Shippingport, Pennsylvania was the first commercial reactor in the USA and was opened in 1957.

ب - المهدئ: لابد لاستمرار التفاعل المتسلسل من تهدئة النترونات الناتجة من التفاعل والتي تبلغ سرعتها نحو 20000 كم/ثا إلى سرعة تبلغ تقريباً 2 كم/ثا فقط. وتدعى عندئذ نترونات حرارية. وهذا هو دور المهدئ الذي يمكن أن يسمى أيضاً مبطّئأً. يتألف المهدئ من ذرات خفيفة بحيث إن النترونات التي تصطدم بنوى هذه الذرات اصطدامات مرنة متتالية، مثلها في ذلك مثل كرات البلياردو، تفقد جزءاً كبيراً من طاقتها الحركية من دون أن تؤسر. ويزداد احتمال أن يتسبب نترون في انشطار نواة من مادة الوقود ازدياداً كبيراً حين تكون سرعة هذا النترون صغيرة، ولذلك تستخدم معظم المفاعلات مهدئاً لتحويل النترونات السريعة إلى نترونات حرارية (أي بطيئة). وهذا يتيح استخدام مقادير أقل وتراكيز أصغر من المواد القابلة للانشطار. وأكثر المواد استخداماً كمهدئ هو الغرافيت والماء العادي والماء الثقيل والبريليوم أو سوائل عضوية معينة.

ج- المبرّد (أو المائع الحامل للحرارة): إن معظم الطاقة التي يحررها انشطار الوقود النووي هي طاقة حركية، تحملها شظايا الانشطار، تتحول بدورها إلى حرارة لدى تباطئها ومن ثم توقفها. وترحََّل هذه الحرارة من قلب المفاعل إلى خارجه بوساطة مائع تحركه مضخة. وينبغي أن تتوافر في هذا المائع الصفات الآتية:

  • أن يكون مستقراً من الناحية الكيمياوية.
  • ألا يأسر من النترونات إلا أقل ما يمكن.
  • أن تكون سعته وناقليته الحراريتان كبيرتين لدرجة كافية.
  • ألا يسبب تآكلاً إن في غلاف الوقود أو في مكونات المفاعل الأخرى.

ويمكن أن يكون هذا المائع إما غاز الكربون (كما في مفاعلات اليورانيوم الطبيعي)، أو من الصوديوم المنصهر (كما في المفاعلات السريعة الولودة)، أو من الهليوم، أو من الماء الثقيل، أو من سوائل عضوية (كما في الأنواع الأخرى من المفاعلات).

2- أجهزة التحكم والأمان: يكون المفاعل حرجاً critical حين يكون معدل إنتاج النترونات فيه مساوياً معدل امتصاصها في القلب وتسربها إلى خارجه. ويكون دون الحرج subcriticalإذا كان عدد النترونات المنتجة أقل من عدد المستهلك منها، وهذا يؤدي إلى توقف التفاعل المتسلسل، ويكون فوق الحرج supercritical إذا كان عدد النترونات المنتجة أكبر من عدد المستهلَك منها. لذلك يحتاج التحكم بالمفاعل إلى قياس الشروط الحرجة قياساً مستمراً وضبطها. ويتم التحكم بالمفاعل بوساطة ضبط التوازن بين إنتاج النترونات واستهلاكها، أي الحفاظ على التفاعل النووي المتسلسل في مستوى محدد. ويجري التحكم باستهلاك النترونات عادة بوساطة تغيير امتصاصها أو تسربها، لكن يمكن كذلك التحكم بمعدل توليد النترونات بوساطة تغيير كمية المادة القابلة للانشطار في قلب المفاعل.

يتكون جهاز التحكم من قضبان تحكم (وأمان) control rodsمصنوعة من مواد لها خاصة امتصاص النترونات ( مثل الكدميوم والبور) يجري ضبط إدخالها في قلب المفاعل ضمن شروط متحكم بها بصرامة. وينبغي أن تكون هذه القضبان مرتبة بحيث تزيد التفاعلية reactivity (أي تزيد عدد النترونات) ببطء وبتحكم جيد، كما ينبغي أن تكون قادرة على إنقاص التفاعلية إنقاصاً بطيئاً وإنقاصاً سريعاً إذا اقتضى الأمر.

History of the use of nuclear power (top) and the number of active nuclear power plants (bottom).

ويمكن تشغيل سواقات التحكم إما آلياً أو بوساطة المشغّل. وهذه السواقات يمكن أن تكون كهرميكانيكية أو هدروليكية تسبب حركة إدخال قضبان التحكم إلى القلب وإخراجها منه. ويتيح جعل هذه القضبان تسقط بسرعة داخل القلب تحت تأثير ثقلها إيقاف المفاعل فجأة scram في حال الخطر.

Washington Public Power Supply System Nuclear Power Plants 3 and 5 were never completed.

3- الحاوية المُحكمة: ينبغي أن تتحمل الحاوية التي تضم قلب المفاعل وأجهزة التحكم ضغطَ المائع الحامل للحرارة. وهي إما أن تكون من الخرسانة المسبقة الإجهاد سمكها عدة أمتار (كما في المفاعلات العاملة على اليورانيوم الطبيعي والغرافيت والغاز)، أو أن تكون معدنية يبلغ سمكها نحو 15 سم مبطنة من الداخل بالفولاذ غير القابل للصدأ (كما في مفاعلات الماء العادي).

تخصيب اليورانيوم

عملية التخصيب عبارة عن عزل نظائر عناصر كيميائية محددة Isotope separation من عنصر ما لغرض زيادة تركيز نظائر اخرى للحصول على مادة تعتبر مشبعة بالنظير المطلوب على سبيل المثال عزل نظائر معينة من اليورانيوم الطبيعي للحصول على اليورانيوم المخصب و اليورانيوم المنضب. وتتم عملية التخصيب على مراحل حيث يتم في كل مرحلة عزل كميات اكبر من النظائر الغير مرغوبة حيث يزداد العنصر تخصيبا بعد كل مرحلة لحد الوصول إلى نسبة النقاء المطلوبة.

على سبيل المثال اليورانيوم المخصب عبارة عن يورانيوم تمت زيادة نسبة نظائر اليورانيوم-235 فيه وازالة النظائر الأخرى. وعملية التخصيب هذه صعبة و مكلفة وتكمن الصعوبة ان النظائر الذي يراد ازالتها من اليورانيوم شبيهة جدا من ناحية الوزن للنظائر الذي يرغب بالابقاء عليها و تخصيبها ويتم عملية التخصيب باستخدام الحرارة عبر سائل او غاز لتساهم في عملية عزل النظائر الغير المرغوبة وهناك طرق اخرى اكثر تعقيدا كاستعمال الليزر او الأشعة الكهرومغناطيسية.

وتبلغ نسبة اليورانيوم-235 الذي يراد تخصيبه من اجمالي ذرة اليورانيوم الطبيعي نسبة 0.7% فقط ولكن هذا الجزء هو المرغوب فيه لكونه اخف من ناحية الكتلة من الأجزاء الأخرى من اليورانيوم الطبيعي . الجزء المتبقي من اليورانيوم الطبيعي بعد استخلاص جزء اليورانيوم-235 يسمى اليورانيوم-238 . تم تخصيب اليورانيوم لأول مرة في الولايات المتحدة بعد الحرب العالمية الثانية حيث تم بناء 3 من المفاعلات النووية في ولايات تينيسي و أوهايو و كنتاكي وكانت الطريقة المستعملة عبارة عن ضخ كميات كبيرة من اليورانيوم على شكل غاز يورانيوم هيكسافلوريد uranium hexafluoride إلى حواجز ضخمة تحوي على ملايين الثقوب الصغيرة جدا وبهذه الطريقة يتم انتشار اليورانيوم-235 (وهو الجزء المطلوب) بسرعة اكبر نسبة إلى اليورانيوم-238 (وهو الجزء الغير مرغوب فيه لكونه اثقل) وتم استغلال الفرق في سرعة الأنتشار وجمع كميات هائلة من اليورانيوم-235 وتمتلك الولايات المتحدة يورانيوم مخصب من النوع العالي الخصوبة بنسبة 90%.

The nuclear fuel cycle begins when uranium is mined, enriched, and manufactured into nuclear fuel, (1) which is delivered to a nuclear power plant. After usage in the power plant, the spent fuel is delivered to a reprocessing plant (2) or to a final repository (3) for geological disposition. In reprocessing 95% of spent fuel can be recycled to be returned to usage in a power plant (4).

أنواع المفاعلات

صورة مفاعل نووي للأبحاث العلمية وتُري فيه قضبان اليورانيوم وقضبان التحكم
صورة مفاعل إيكاتا باليابان

يطلق علي مفاعلات الإنشطار النووي The nuclear fission reactors في الولايات المتحدة الأمريكية مفاعلات الماء الخفيف "light water reactors" ومنها مفاعل الماء المغلي ومفاعل الماء المضغوط وهي منتشرة كثيرا في العالم الغربي وفي اليابان وكوريا، وهي تحتلف عن مفاعلات الماء الثقيل "heavy water reactors" التي تستخدم في كندا. والماء الخفيف هو الماء العادي الذي يستخدم في قلب المفاعل مع وحدات الوقود النووي كوسيط لتهدئة moderator سرعة النيوترونات، حيث يحتاج انشطار نواة ذرة اليورانيوم-235 أن تصدمها نيوترونات بطيئة وليست سريعة. ما يعمل الماء في نفس الوقت كمبرد وناقل للحرارة حيث يتحول في المفاعل إلى بخار ذو ضغط عالي. ويحدث ذلك في غلاية أو خزان كبير يسمى خزان الضغط للمفاعل وهو في شكل أسطواني رأسي، يبلغ قطرها 5 مترات بارتفاع 8 متر ذات جدار من الحديد الصلب بسمك 25 سنتيمتر. ويحتوي خزان الضغط وحدات الوقود النووي المخصب غاطسة في الماء وكذلك قضبان من مادة تمتص النيوترونات مثل سبيكة الصلب والبور أو الكادميوم، يمكن بواسطتها ضبط سير التفاعل النووي أو إيقافه. يُنتج التفاعل النووي طاقة حرارية كبيرة فيسخن الماء في خزان الضغط ويتحول إلى بخار ذو ضغط عالي. يرتفع ضغط البخار في خزان الضغط إلى نحو 350 ضغط جوي ويكون في درجة حرارة نحو 450 درجة مئوية. يوجه هذا البخار عن طريق أنابيب ضخمة ليدير زعانف التوربينات التي تدير بدورها مولدات القوي الكهربائية. بذلك تتحول الطاقة النووية إلى طاقة حرارية ثم إلى طاقة حركة التوربين إلى طاقة كهربائية لإدارة المصانع وإنارة البيوت.

واستعمال الماء العادي يتطلب تخصيب وقود اليورانيوم لدرجة بين 5و2 % إلى 5و3 % باليورانيوم-235، وكلا النوعين من المفاعلات اللذان يعملان بالماء الخفيف هما مفاعل الماء المضغوط (Pressurized water reactor (PWR وتتم فيه دورتين (دورة أولية ودورة ثانوية) للماء والبخار من خزان الضغط إلى التوربنات ويفصلهما مبادلات للحرارة فيكون بخار تشغيل التوربينات معزولا عن دورة الخزان. والنوع الثاني من مفاعلات الماء العادي تسمى مفاعل الماء المغلي (Boiling water reactor (BWR. يستخدم مفاعل الماء المغلي دورة واحدة للماء والبخار من خزان الضغط إلى التوربينات ثم إلى خزان الضغط.

ويطلق علي مفاعلات الإنشطار النووي في كندا مفاعلات الماء الثقيل حيث يعمل الماء الثقيل كوسيط بالمفاعل ويقوم الديوتيريوم deuterium، وهو الإيدروجين الثقيل الموجود في الماء الثقيل بتقليل سرعة النيترونات في التفاعل الإنشطاري المتسلسل.وهذا النوع من المفاعلات لايتطلب وقود يورانيوم مخصب بل طبيعي ويطلق علي هذه المفاعلات الكندية مفاعلات كاندو CANDU.

  • كما هناك نوع من المفاعلات النووية تعمل بدون ماءالتبريد، ويستخدم فيها غاز الهيليوم كوسط لخفض سرعة النيوترونات وكناقل للحرارة في نفس الوقت. من مميزات هذا النوع من المفاعلات الذرية أنها يمكن أن تعمل باليورانيوم الطبيعي أو الثوريوم وهو عنصر نووي توجد خاماته الأولية في كثير من البلاد. علاوة على ذلك فإن مفاعل الثوريوم يعمل في درجات حرارة عالية تصل إلى 900 درجة مئوية، ولهذا يتمتع بكفاءة حرارية عالية. كما يمكن استغلال تلك الحرارة العالية مباشرة في بعض الإنتاجات الصناعية التي تتطلب درجات حرارة عالية. وقد طـُور هذا النوع من المفاعلات التي تسمى مفاعلات الثوريوم عالية الحرارة بنجاح في ألمانيا.

تطبيقات المفاعلات

تستخدم المفاعلات النووية لأغراض متعددة أهمها ما يأتي:

  • توليد الحرارة وذلك إما لاستخدامها لتوليد الكهرباء في المحطات النووية أو لاستخدامها لتدفئة المنازل، أو لإزالة ملوحة المياه.
  • الدفع propulsion لتسيير الغواصات أو لدفع الصواريخ النووية الحرارية.
  • تحويل العناصر إلى أخرى مثل إنتاج البلوتونيوم (غالباً لاستخدامه في الأسلحة النووية أو اليورانيوم 233)، أو صنع نظائر مشعة مختلفة ( مثل الأمريسيوم المستخدم في صنع كواشف الدخان ونظائر أخرى، مثل الكوبالت 60، تستخدم في تعقيم الأطعمة والمنتجات الأخرى).
  • البحث العلمي والاختبار والتعليم (بوصف المفاعل مصدراً للنترونات).
  • تطوير التقانة النووية.
Diablo Canyon Power Plant in San Luis Obispo County, California, USA
Brunswick Nuclear Plant discharge canal
This graph illustrates the potential rise in CO2 emissions if base-load electricity currently produced in the U.S. by nuclear power were replaced by coal or natural gas as current reactors go offline after their 60 year licenses expire. Note: graph assumes all 104 American nuclear power plants receive license extensions out to 60 years.

ولعل أوسع التطبيقات انتشاراً هو استخدامها لتوليد الكهرباء، فهي تستخدم في المحطات النووية لتوليد الكهرباء بوساطة الحرارة الناتجة من التفاعلات النووية لتوليد البخار أو لتسخين الغازات لتدوير عنفات المولدات. ومع أن تحويل طاقة الانشطار النووي إلى عمل مفيد وممكن، إلا أنه لم يجر حتى اليوم تحقيقه بكفاية. ولذلك فإن محطة توليد الكهرباء النووية تشبه في عملها محطات التوليد الحرارية التي تستخدم الفحم الحجري أو الوقود النفطي أو الغاز الطبيعي فيما عدا أن المفاعل النووي يحلّ فيها محلّ المرجل العادي مصدراً للحرارة، الشكل (1). وتعطى استطاعة المفاعل عادة بالميغاواط الحراري MWth للتعبير عن معدل توليد الحرارة فيه. أما ما تولده محطة نووية من كهرباء فهو عادة نحو ثُلث الحرارة المولدة. ففي مفاعل استطاعته بين 1500 و2000 ميغاواط حراري تكون الاستطاعة الكهربائية التي تولدها المحطة النووية العاملة عليه بين 400 و 600 (وقد تصل إلى 1000) ميغاواط كهربائي.

المشاكل

المشكلة الكبرى تكمن في كيفية التخلص من المخلفات النووية في المفاعلات النووية وعادة ما يوضع المخلفات في احواض مائية كبيرة لمدة عشرات السنين لغرض ابطاء عمليات التحلل الأشعاعي ويتم بعد ذلك صب الفولاذ و الكونكريت على هذه الأحواض.

مصادر خارجية


انظر أيضاً

المصادر

  1. ^ Benjamin K. Sovacool (2009). The Accidental Century - Prominent Energy Accidents in the Last 100 Years
  2. ^ Benjamin K. Sovacool. The costs of failure: A preliminary assessment of major energy accidents, 1907–2007, Energy Policy 36 (2008), pp. 1802-1820.
  3. ^ Benjamin K. Sovacool. A Critical Evaluation of Nuclear Power and Renewable Electricity in Asia, Journal of Contemporary Asia, Vol. 40, No. 3, August 2010, pp. 369–400.
  4. ^ Benjamin K. Sovacool. Valuing the greenhouse gas emissions from nuclear power: A critical survey. Energy Policy, Vol. 36, 2008, p. 2950.
  5. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة Kragh

قراءات أخرى

وصلات خارجية