مفاعل الماء الثقيل
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.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
استخدام الماء الثقيل
في المفاعل النووي ينشطر أنوية اليورانيوم بواسطة امتصاصها النيوترونات وينتج عن الانشطار نيوترونات جديدة، تصتدم هي الأخرى بأنوية جديدة منتجة اشطارا، وطاقة، ونيوترونات. وبهذ يستمر التفاعل الذي يسمى تفاعل تسلسلي. ويتطلب ذلك توزيع هندسي للمواد في قلب المفاعل وتحكم في سير التفاعل، بحيث لا تضيع النيوترونات هباء (إذا كان المفاعل صغير الحجم فهي تخرج منه بدون أن تحدث تفاعلا جديدا مع اليورانيوم، أو تمتصها مادة من المواد الأخرى الموجودة في المفاعل). وبالتحكم (بواسطة قضبان تمتص النيوترونات) لا يتزايد عددها تصاعديا في المفاعل فيؤدي إلى انفجار خطير.
فالغرض من التحكم في سير التفاعل التسلسلي هو المحافطة على سير التفاعل بمعدل محدد في حالة تسمي "الحالة الحرجة" للمفاعل.
ويتكون اليورانيوم الطبيعي من مخلوط لعدة نظائر ويغلب فيه النظير يورانيوم-238 ونسبة صغيرة من اليورانيوم-235 تبلغ 7و0 % فقط. ينشطر اليورانيوم-238 بالنيوترونات السريعة ذات طاقة أكبر من 1 مليون إلكترون فولت MeV. ولا يمكن أن يستمر التفاعل مع اليورانيوم-238 حيث يمتص نيوترونات أكثر مما يصدره منها بالانشطار. ومن ناحية أخرى فإن اليورانيوم-235 هو الذي يُجري تفاعل تسلسلي، ولكن نسبته في اليورانيوم الطبيعي قليلة، فلا يمكن لليورانيوم الطبيعي القيام بتفاعل تسلسلي والوصول إلى الحالة الحرجة بمفرده.
وللتحايل على أن يعمل المفاعل يأتي عن طريق تهدئة سرعة النيوترونات بحيث يرتفع احتمال اصتدامها بأنوية اليورانيوم-235 مما يتيح الفرصة لاستمرار التفاعل في المفاعل. ولهذا نحتاج إلى مهدئ لسرعة النيوترونات، الذي يقوم بامتصاص جزءا من طاقة حركة النيوترونات فتنخفض سرعتها إلى سرعة جزيئات المهدئ نفسها (الماء، أو الماء الثقيل). ولهذا نسمي النيوترونات في تلك الحالة "النيوترونات الحرارية " thermal neutron وكذلك "المفاعل الحراري" thermal reactors.
ويصلح الماء كمهدئ للنيوترونات حيث تعادل كتلة ذرة الهيدروجين كتلة النيوترون، فتكتسب منه جزءا كبيرا من سرعته كما يحدث في لعب البلياردو، وتنخفض سرعته. ولكن الماء في نفس الوق يمتص جزءا من النيوترونات.
فاستخدام الماء يكون مصحوبا بامتصاصه للنيوترونات وتبقى القليل منها للتفاعل مع كمية اليورانيوم-235 235U القليلة هي الأخرى في المفاعل، مما لا يسمح بالوصول إلى الحالة الحرجة في المفاعل (أن يؤدي كل نيوترون إلى تفاعل مع اليورانيوم-235 مع قيام 1 نيوترون من النيوترونات الناتجة عن الأنشطار بتفاعل ثان -رغما عن امتصاص النيترونات في المواد الأخرى وضياع بعضها بسبب انطلاقها خارج المفاعل - فيقوم هذا النيوترون بتفاعل تالي مع أحد أنوية اليورانيوم-235).
ولهذا يستخدم مفاعل الماء الخفيف يورانيوم مخصب، أي يورانيوم يحتوي على نسبة أعلى من اليورانيوم-235 تصل من 3% إلى 5 %. (ويسمي اليورانيوم المستهلك في عملية التخصيب يورانيوم منضب depleted uranium، حيث تنخفض فيه نسبة اليورانيوم-235 إلى نحو 07و0 %). وتعمل تلك ال 3% إلى 5 % من اليورانيوم-235 الموجودة في اليورانيوم المخصب على استمرار التفاعل في المفاعل والوصول إلى الحالة الحرجة .
مشكلة التخصيب
يحتاج تخصيب اليورانيوم إلى بناء مصنع للتخصيب وهو أولا يتكلف مبالغ باهظة وثانيا يحتاج إلى تصريح في إطار المعاهدة الدولية لمنع انتشار السلاح النووي. وذلك لأنه يمكن تكبير المصنع بحيث ينتج ليس فقط يورانيوم مخصب بدرجة 5% وإنما أيضا بنسبة 90% من اليورانيوم-235 والذي تصنع منه القنابل الذرية.
استخدام اليورانيوم الطبيعي
ويمكن حل مشكلة التخصيب واليورانيوم المخصب باستخدام اليورانيوم الطبيعي الذي يحتوي على 7و0% يورانيوم-235 مع الماء الثقيل كمهدئ لسرعة النيوترونات، وهو لا يمتص النيوترونات بالدرجة التي يمتصها الماء. ولذلك يصلح الماء الثقيل إيضا للعمل في مفاعل استنسال لإنتاج البلوتونيوم أو الليثيوم وهي مواد تدخل في صناعة الأسلحة الذرية.
مفاعل كاندو CANDU
صمم المفاعل الكندي المسمى CANDU اختصارا ل CANada Deuterium Uranium reactor ليعمل بالماء الثقيل المضغوط كمهدئ واليورانيوم الطبيعي لإنتاج الطاقة الكهربائية من الطاقة النووية.
رسم توضيحي لمفاعل كاندو، الدورة الابتدائية باللونين الأصفر والبرتقالي، والدورة الثانوية بالأزرق والأحمر. وترى قضبان التحكم (3) ساقطة جزئيا في قلب المفاعل.
تصميم المفاعل
1 حزمة الوقود 8 ألة تموين الوقود 2 قلب المفاعل 9 الماء الثقيل 3 قضبان التحكم 10 أنبوب الضغط 4 خزان الماء الثقيل 11 بخار خارج لتشغيل التوربين 5 مولد البخار 12 عودة الماء البارد من التوربين 6 طلمبة ماء عادي 13 مبني المفاعل لمنع الإشعاع إلى الخارج 7 طلمبة الماء الثقيل ويماثل مفاعل الماء الثقيل المضغوط تقريبا مفاعل الماء المضغوط المعتاد، إلا أنه يختلف عنه في بعض التفاصيل.
يقوم التفاعل النووي بتوليد حرارة في قلب المفاعل وتعتبر تلك الدورة هي الدورة الابتدائية ذات ضغط مرتفع. ويعمل المبادل الحراري على نقل الحرارة إلى الدورة الثانوية التي تعمل بالماء العادي وإنتاج البخار، وهو الذي يقوم بتدوير التوربين المتصل بمولد كهربائي.
بعد خروج بخار الماء من التوربين يُكثف في مكثف للبخار بواسطة ماء كثير مأخود من نهر مجاور، ويعاد الماء ثانيا إلى المبادل الحراري لتكملة الدورة. ويمكن الاستعاضة عن التبريد بواسطة ماء النهر وذلك باستخدام برج تبريد.
الغرض من استخدام الماء الثقيل
إن مفتاح الحفاظ على تفاعل تسلسلي نووي داخل مفاعل نووي هو استخدام ، في المتوسط ، بالضبط واحد من النيوترونات المنبعثة من كل حدث انشطار نووي لتحفيز حدث انشطار نووي آخر (في نواة أخرى قابلة للانشطار). من خلال التصميم الدقيق لهندسة المفاعل ، والتحكم الدقيق في المواد الموجودة من أجل التأثير على التفاعل ، يمكن تحقيق تفاعل تسلسلي مستدام ذاتيًا أو " الحرجية " والمحافظة عليه.
يتكون اليورانيوم الطبيعي من مزيج من مختلف النظائر ، في المقام الأول 238 U وكمية أصغر بكثير (حوالي 0.72٪ من الوزن) من 235 U . [1] يمكن انشطار 238 يو فقط بواسطة نيوترونات نشطة نسبيًا ، حوالي 1 إلكترون فولت أو أعلى. لا يمكن جعل كمية 238 يو "حرجة" لأنها تميل إلى الامتصاص الطفيلي للنيوترونات أكثر مما تطلقه عملية الانشطار. من ناحية أخرى ، يمكن أن يدعم 235 U تفاعلًا متسلسلًا مستدامًا ذاتيًا ، ولكن بسبب الوفرة الطبيعية المنخفضة لـ 235 U ، لا يمكن لليورانيوم الطبيعي تحقيق الأهمية الحرجة بمفرده.
إن الحيلة لتحقيق الأهمية الحرجة باستخدام اليورانيوم الطبيعي أو منخفض التخصيب فقط ، والذي لا توجد له كتلة حرجة "عارية" ، هو إبطاء النيوترونات المنبعثة (دون امتصاصها) إلى الحد الذي قد يؤدي فيه ما يكفي منها إلى مزيد من الانشطار النووي في كمية صغيرة من 235 يو وهو متاح. ( 238 يو الذي يمثل الجزء الأكبر من اليورانيوم الطبيعي قابل للانشطار أيضًا بالنيوترونات السريعة.) وهذا يتطلب استخدام وسيط نيوتروني ، والذي يمتص فعليًا كل الطاقة الحركية للنيوترونات ، مما يبطئها إلى النقطة التي تصل فيها إلى التوازن الحراري. المواد المحيطة. لقد وجد أنه من المفيد للاقتصاد النيوتروني أن يفصل فعليًا عملية تعديل الطاقة النيوترونية عن وقود اليورانيوم نفسه ، حيث أن 238 يو لديها احتمالية عالية لامتصاص نيوترونات ذات مستويات طاقة حركية وسيطة ، وهو تفاعل يُعرف بامتصاص "الرنين". يعد هذا سببًا أساسيًا لتصميم مفاعلات بأجزاء منفصلة من الوقود الصلب ، محاطة بالوسيط ، بدلاً من أي هندسة من شأنها أن تعطي مزيجًا متجانسًا من الوقود والوسيط.
الماء يجعله وسيطًا ممتازًا ؛ و الهيدروجين أو عادية البروتيوم الذرات في جزيئات الماء هي قريبة جدا في الكتلة إلى نيوترون واحد، وذلك اصطدامها تؤدي إلى نقل فعالة جدا من الزخم، من الناحية النظرية على غرار تصادم اثنين من كرات البلياردو. ومع ذلك ، بالإضافة إلى كونه وسيطًا جيدًا ، فإن الماء العادي فعال أيضًا في امتصاص النيوترونات. وبالتالي فإن استخدام الماء العادي كمهدئ سوف يمتص بسهولة الكثير من النيوترونات التي يتبقى القليل منها للحفاظ على تفاعل متسلسل مع نوى 235 يو الصغيرة المعزولة في الوقود ، وبالتالي يستبعد الحرجية في اليورانيوم الطبيعي. لهذا السبب ، سيتطلب مفاعل الماء الخفيف تركيز نظير 235 U في وقود اليورانيوم الخاص به ، مثل اليورانيوم المخصب ، بشكل عام بين 3٪ إلى 5٪ 235 U بالوزن (المنتج الثانوي من عملية التخصيب هذه معروف كما اليورانيوم المنضب ، وهكذا تتكون أساسا من 238 U، نقي كيميائيا). تعتمد درجة التخصيب اللازمة لتحقيق الأهمية الحرجة باستخدام وسيط الماء الخفيف على الهندسة الدقيقة ومعايير تصميم المفاعل الأخرى.
تتمثل إحدى تعقيدات هذا النهج في الحاجة إلى مرافق تخصيب اليورانيوم ، وهي مكلفة بشكل عام في البناء والتشغيل. كما أنها تمثل مصدر قلق بشأن الانتشار النووي ؛ في نفس النظم المستخدمة لإثراء 235 U يمكن أن تستخدم أيضا لإنتاج أكثر من ذلك بكثير "نقية" لصناعة الأسلحة مادة (90٪ أو أكثر 235 U)، ومناسبة لإنتاج سلاح نووي . هذه ليست عملية تافهة بأي حال من الأحوال ، ولكنها عملية بما يكفي لأن منشآت التخصيب تشكل خطر انتشار نووي كبير.
حل بديل لهذه المشكلة هو استخدام لمشرف أن لا لا تمتص النيوترونات كما بسهولة كما الماء. في هذه الحالة ، من المحتمل أن يتم تعديل جميع النيوترونات التي يتم إطلاقها واستخدامها في التفاعلات مع 235 U ، وفي هذه الحالة يوجد ما يكفي من 235 U في اليورانيوم الطبيعي للحفاظ على الأهمية الحرجة. أحد هذه المهدئات هو الماء الثقيل ، أو أكسيد الديوتيريوم. على الرغم من أنه يتفاعل ديناميكيًا مع النيوترونات بطريقة مشابهة للماء الخفيف (وإن كان نقل الطاقة أقل في المتوسط ، نظرًا لأن الهيدروجين الثقيل ، أو الديوتيريوم ، يبلغ حوالي ضعف كتلة الهيدروجين) ، إلا أنه يحتوي بالفعل على النيوترون الإضافي الذي يمكن أن يفعله الماء الخفيف. تميل عادة إلى الامتصاص.
المميزات والعيوب
يعد استخدام الماء الثقيل كمهدئ هو المفتاح لنظام PHWR (مفاعل الماء الثقيل المضغوط) ، مما يتيح استخدام اليورانيوم الطبيعي كوقود (على شكل سيراميك UO 2 ) ، مما يعني أنه يمكن تشغيله بدون تكلفة مرافق تخصيب اليورانيوم. يعتبر الترتيب الميكانيكي لـ PHWR ، الذي يضع معظم الوسيط في درجات حرارة منخفضة ، فعالاً بشكل خاص لأن النيوترونات الحرارية الناتجة "أكثر حرارة" من التصميمات التقليدية ، حيث يكون الوسيط عادةً أكثر سخونة. [ توضيح مطلوب ] تعني هذه الميزات أن PHWR يمكن أن تستخدم اليورانيوم الطبيعي وأنواع الوقود الأخرى ، وتقوم بذلك بكفاءة أكبر من مفاعلات الماء الخفيف (LWRs).
مفاعلات الماء الثقيل المضغوط لها بعض العيوب. تكلف المياه الثقيلة عمومًا مئات الدولارات للكيلوغرام الواحد ، على الرغم من أن هذه مقايضة مقابل انخفاض تكاليف الوقود. يستلزم انخفاض محتوى الطاقة في اليورانيوم الطبيعي مقارنة باليورانيوم المخصب استبدال الوقود بشكل متكرر ؛ يتم تحقيق ذلك عادةً عن طريق استخدام نظام التزود بالوقود على الطاقة. ينتج عن زيادة معدل حركة الوقود عبر المفاعل أيضًا كميات أكبر من الوقود المستهلك مقارنة بالمحطات التي تستخدم اليورانيوم المخصب. نظرًا لأن وقود اليورانيوم غير المخصب يراكم كثافة أقل من نواتج الانشطار مقارنة بوقود اليورانيوم المخصب ، فإنه يولد حرارة أقل ، مما يسمح بتخزين أكثر إحكاما. [2]
بينما مع حزم الوقود المشتقة من CANDU النموذجية ، يحتوي تصميم المفاعل على معامل تفاعلي إيجابي قليلًا ، وحزم وقود CARA المصممة في الأرجنتين والمستخدمة في Atucha I ، قادرة على المعامل السلبي المفضل.
الانتشار النووي
قد تشكل مفاعلات الماء الثقيل خطرًا أكبر للانتشار النووي مقابل مفاعلات الماء الخفيف المماثلة نظرًا لخصائص امتصاص النيوترونات المنخفضة للماء الثقيل ، التي اكتشفها هانز فون هالبان وأوتو فريش في عام 1937. [4] في بعض الأحيان ، عندما تتعرض ذرة من 238 يو للإشعاع النيوتروني ، فإن نواتها ستلتقط نيوترونًا ، وتغيره إلى 239 يو . في 239 U ثم يخضع بسرعة اثنين β - يضمحل - على حد سواء تنبعث منها الإلكترون و النيترون المضاد ، الأولى عن طريق تحويل 239 U إلى 239 أرستها ، والثانية عن طريق تحويل 239 أرستها إلى 239 بو . على الرغم من أن هذه العملية تتم مع وسيطات أخرى مثل الجرافيت شديد النقاء أو البريليوم ، فإن الماء الثقيل هو الأفضل على الإطلاق. [4]
239 البلوتونيوم مادة انشطارية مناسبة للاستخدام في الأسلحة النووية . ونتيجة لذلك ، إذا تم تغيير وقود مفاعل الماء الثقيل بشكل متكرر ، فيمكن استخلاص كميات كبيرة من البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة كيميائيًا من وقود اليورانيوم الطبيعي المشعَّع عن طريق إعادة المعالجة النووية .
بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي استخدام الماء الثقيل كوسيط إلى إنتاج كميات صغيرة من التريتيوم عندما تمتص نوى الديوتيريوم في الماء الثقيل النيوترونات ، وهو تفاعل غير فعال للغاية. يعتبر التريتيوم ضروريًا لإنتاج الأسلحة الانشطارية المعززة ، والتي بدورها تمكن من إنتاج أسهل للأسلحة النووية الحرارية ، بما في ذلك القنابل النيوترونية . من غير الواضح ما إذا كان من الممكن استخدام هذه الطريقة لإنتاج التريتيوم على نطاق عملي.
تجلى خطر انتشار مفاعلات الماء الثقيل عندما أنتجت الهند البلوتونيوم من أجل عملية بوذا المبتسم ، أول اختبار لها للسلاح النووي ، عن طريق الاستخراج من الوقود المستهلك لمفاعل أبحاث الماء الثقيل المعروف باسم مفاعل سيروس .
مراجع
Marion Brünglinghaus. "Natural uranium". euronuclear.org. مؤرشف من الأصل في 12 يونيو 2018. اطلع عليه بتاريخ 11 سبتمبر 2015. "An International Spent Nuclear Fuel Storage Facility - Exploring a Russian Site as a Prototype: Proceedings of an International Workshop". nap.edu. مؤرشف من الأصل في 21 يوليو 2015. اطلع عليه بتاريخ 11 سبتمبر 2015. "India's Nuclear Weapons Program: Smiling Buddha: 1974". مؤرشف من الأصل في 17 ديسمبر 2017. اطلع عليه بتاريخ 23 يونيو 2017.
^ ماريون برونجليهاوس. "اليورانيوم الطبيعي" . euronuclear.org . مؤرشفة من الأصلي في 12 يونيو 2018 . تم الاسترجاع 11 سبتمبر 2015 . ^ المجلس القومي للبحوث (2005). مرفق دولي لتخزين الوقود النووي المستهلك - استكشاف موقع روسي كنموذج أولي: إجراءات ورشة عمل دولية . دوى : 10.17226 / 11320 . رقم ISBN 978-0-309-09688-1.[ الصفحة مطلوبة ] ^ ليستاني ، ح. González، HJ؛ فلوريدو ، بيسي (2014). "معامل القدرة السلبية على PHWRS مع وقود CARA". الهندسة النووية والتصميم . 270 : 185–197. دوى : 10.1016 / j.nucengdes.2013.12.056 . ^ أ ب والثام ، كريس (يونيو 2002). "تاريخ مبكر للمياه الثقيلة". قسم الفيزياء والفلك ، جامعة كولومبيا البريطانية : 28. arXiv : physics / 0206076 . بيب كود : 2002physics ... 6076W . ^ "برنامج الهند للأسلحة النووية: بوذا المبتسم: 1974" . تم الاسترجاع 23 يونيو 2017 . اقتصاديات الطاقة النووية من مفاعلات الماء الثقيل برنامج الطاقة النووية - المرحلة الأولى - مفاعل الماء الثقيل المضغوط الوكالة الدولية للطاقة الذرية - سلسلة التقارير الفنية رقم 407