المبادئ العلمية التي ترتكز على أداء المفاعلات النووية

فيزياء الإغراء

الطاقة الملزمة والقوة النووية

وتحتفظ النواة الذرية معا بالقوة النووية القوية التي تقاوم التكرار الكهربائي بين البروتونات المشحونة بالثقوب، وتتفاوت الطاقة الملزمة لكل نواة مع الكتلة الذرية؛ وعندما تقسم نواة ثقيلة جدا (مثل اليورانيوم - 235) إلى نواة متوسطة الحجم، فإن الطاقة الملزمة الإجمالية للمنتجات أكبر من الطاقة النووية الأصلية، ويُطلق الفارق بأنه فائض في الطاقة الكنسية.

ووفقاً لصيغة الكتلة شبه التجريبية [(FLT:0)]، فإن أكثر النواة استقراراً بالقرب من الحديد 56؛ والعناصر أثقل من الحديد يمكن أن تولد الطاقة بالنسيج.() وتشمل وقود المفاعلات العملية اليورانيوم - 235 (النظير الإنشطاري الوحيد الذي يحدث بصورة طبيعية) وغاز البلوتونيوم - 239 المنتج بصورة اصطناعية.()

النيترون للاختراق ومنتجات الإيجاز

(أ) عندما يمتص النيترون الحراري بنواة اليورانيوم - 235، فإنه يشكل نواة اليورانيوم المتحمس - 236، التي تقسم على الفور تقريباً، وتتكون أصناف الطاقة الخفيفة من نواة غير متكافئة، مثل الكولتون - 92 والباريوم - 141، إلى جانب خامين أو ثلاث ملوثات كهربائية سريعة - هذه الشظايا غير مستقرة بدرجة عالية وتخضع للإشعاع.

رد الفعل الشاطع ودرجة حرجيته

To create a sustained power source, the neutrons emitted from one fission must induce further fissions in neighbouringing nuclei. For a reactor to operate at steady power, exactly one neutron from each fission event must go on to cause another fission — this is called a self-sustaining chain reaction.

• k_]eff = 1 ⁇ critical (الطاقة الثابتة)
• k_]eff < 1 ⁇ Subcritical (power decreases)
• k_]eff > 1 ⁇ supercritical (power increases)

وفي مفاعل، تعدل نظم التحكم عامل التكاثر للحفاظ على _eff] إلى حد بعيد يصل إلى 1.0، ويتحقق ذلك باستيعاب النيوترونات الزائدة بقنابل التحكم، باختلاف تركيز سموم النيتروز في المبرد، وبواسطة الهندسة المولدة من كميات كبيرة من الوقود(35).

العناصر الرئيسية لركيزة المفاعل النووي

والجوهر هو قلب المفاعل، الذي يحتوي على جميع العناصر الأساسية لرد الفعل المتسلسل، ويؤدي كل عنصر دورا محددا، ويجب أن يوازن تصميمه بين النقل الحراري، والاقتصاد النيوتروني، والسلامة.

وقود رودز

ويُعد الوقود عادة في شكل خزائن سماوية (ثاني أكسيد اليورانيوم، وثاني أكسيد اليورانيوم (₂) مُربية داخل أنبوب السبيكة الطويلة، وتُدرَج مفاعلات الوقود المُجمَّع بسهولة إلى كثافة عالية وتُثرى إلى 35 في المائة من اليورانيوم - 235 (اليورانيوم الافتتاحي 0.7 في المائة من اليورانيوم 235).

Moderator

ويخفض الموصل طاقة حركية من النيوترونات السريعة إلى الطاقات الحرارية من خلال التصادم الفلكي، كما أن الموصل المثالي له كتلة ذرية منخفضة (تفقد نيوترونات طاقة أكبر من التصادم) ومفاعلات ضوئية منخفضة الاستيعاب تشمل مياها عادية (ماء خفيفة) ومياه ثقيلة (D_([FLT:]).

Control Rods

وتتكون قضبان التحكم من مواد ذات شقين عاليي الامتصاص بالنيترون، مثل البورون - ٠١ )في كثير من الأحيان في شكل كربيد البورون، و B₄C)، والكادم، والهافنيوم، وتدرج في اللب لاستيعاب النيوترونات الزائدة، مما يقلل من عامل الخفض.

رائع

كما أن المبردات توزع من خلال اللب لإزالة الحرارة الناتجة عن الانشطار، وهي تعمل في معظم مفاعلات الطاقة، كما أنها تعمل كسائل لخلق البخار، وتشمل المبردات المشتركة المياه الخفيفة (سواء بروت وBWR) والمياه الثقيلة (CANDU) وصوديوم السائل (مفاعلات الغاز الحرفي) والهيليوم (مفاعلات الغاز العالي الحرارة) ويجب أن يكون للمبرد خصائص جيدة لنقل الحرارة، ومقاومة للأضرار الإشعاعي.

المواد الهيكلية والمراجع

ويُحتفظ بالنواة مع مكونات هيكلية مثل البراميل الأساسية، ولوحات الشبكة، وأعمدة الدعم، وكلها مصممة لتحمل درجات الحرارة العالية والقصف النيوتروني المكثف.

Moderator Types and How they Shape Reactor Design

إن اختيار مدير المناقشة هو أحد أهم قرارات التصميم لمفاعل نووي.

• Light water (H2O)]: Used in PWRs and BWRs, the most common reactor types worldwide. Light water is effective at slowing neutrons but absorbs a noticeable fraction, requiring enriched fueled fuel (3-5% U-235). The same water typically doubles as coolant and moderator, which simplifies design but means.
• Havy water (D2O)]: found in CANDU and other PHWRs. Deuterium has a much lower absorption crosssection than hydrogen, so natural uranium (0.7% U235) can achieve criticality. This eliminates the need for enrichment but adds significant cost for heavy water production.
• Graphite]: مستخدم في مفاعلات RBMK، وAGRs، وتصميمات ماغنوكس السابقة.

نقل النفايات وتحويل الطاقة

ويرفع حرارة الإلحاق درجة حرارة الوقود إلى أكثر من 000 1 درجة مئوية في وسط البراميل، ويجب إزالة هذه الحرارة باستمرار لمنع الذوبان وتوليد طاقة مفيدة، وتستخدم المفاعلات عادةً حلقتين أو ثلاث من المبردات:

1. الحلقة الجزائية : يعمم المبرد من خلال اللب، ويمتص الحرارة، وفي PWR، يُبقي الماء الأولي تحت ضغط كبير (~ 155 بار) لمنع الغسيل، ويمر عبر مولد البخار، وينقل الحرارة إلى حلقة ثانوية.
2. Secondary cycle]: المياه في الحلقة الثانوية تغلي في البخار، مما يقود توربيناً متصلاً بمولد كهربائي، وبعد التربين، يعاد البخار إلى الماء ويعاد إلى مولد البخار.
3. Condenser cooling (tertiary cycle)]: Heat from condensing steam is rejected to a cooling tower, river, or ocean.

وفي مركز بحوث المياه، تكون الحلقة الأولى أبسط: تغلي المياه مباشرة في القاع، وترسل البخار مباشرة إلى التربين، غير أن هذا يعني أن التربين يصبح مشعا، ويتطلب احتياطات إضافية للتحمية والصيانة.

المفاعلات الرئيسية واختلافاتها العلمية

وقد تم تسويق عدة تصميمات للمفاعلات، وكل منها له طرق فريدة لتنفيذ المبادئ الأساسية.

• Pressurized Water Reactor (PWR)]: أكثر التصميم شيوعا (أكثر من 270 وحدة)، ومشغل/مشغل الماء الخفيف تحت ضغط مرتفع، ويعزل تصميم اثنين من الأجهزة المزودة بالرقبات من المياه المشعة.
• Boiling Water Reactor (BWR)]: single-loop design where steam is produced directly in the core. Simpler but with the turbine exposed to radioactive steam.
• CANDU (Canada Deuterium Uranium)]: مُسَرِّد مياه ثقيلة ووقود اليورانيوم الطبيعي المبرد، وقدرة على الوقود على خطوط التزود بالوقود تتيح التشغيل المستمر.
• Advanced Gas‐cooled Reactor (AGR): Graphite moderator, carbon dioxide coolant, enriched uranium fuel.
• Fast Breeder Reactor (FBR)]: لا يوجد مدير - يستخدم النيوترونات السريعة للحفاظ على رد الفعل المتسلسل، عادة ما يستخدم المبرد المعدني السائل (السوديوم، الرصاص) ويمكن أن يكون " مبتدئا " أكثر من الوقود الإنشطاري (البلوتونيوم) من اليورانيوم الخصب - 238 مما يستهلك.
• Small Modular Reactor (SMR)]: تصميمات جديدة (مثلاً، شركة NuScale، شركة رولز - رويس SMR) التي تتضمن سمات متطورة للسلامة وتصنيع المصنع، والكثير منها مبني على أساس PWR، ولكن بعضها يستخدم الملح المميت أو الغاز العالي الحرارة.

مراقبة رد الفعل في ديبث

(أ) الإبقاء على الكم [(FLT:0]eff[ = يتطلب تعديلاً مستمراً لأن عدد النيوترونات في المفاعل يتغير مع حروق الوقود ودرجة الحرارة وتراكم السم، ويستخدم مشغلو المفاعلات أساليب زائدة متعددة.

Control Rods

(بورون - 10) لديه تقاطع عالٍ لاستيعاب النيوترونات، وتُنقل قضبان التحكم بواسطة آليات قيادة فوق وعاء المفاعل، وأثناء العملية العادية، يُدرج جزء صغير من القضبان جزئياً إلى طاقة محسنة، ولإغلاق جميع القضبان.

مركبات الكربون الكيمائية والمركبات المحترقة

ويضاف الكثير من عمليات إعادة التأهيل الأحادي الطرف حمض البوريك (H3BO4) إلى المبرد الرئيسي، إذ يستوعب البورون النيوترونات، وبالتالي، فإن المشغلين يستطيعون التعويض عن استنفاد الوقود وتراكم السم في Xenon-135.() أما الممتصات القابلة للحرق (مثلاً، الغادولينيوم أو الإرغيوم المختلط في فولات الوقودية) فتصبح تدريجياً مستنفدةً مع استخدام دورة الوقود في المساء.

Neutron Poisons: Xenon —135 and Samarium —149

فزنون - 135 منتج انشطاري له تقاطع هائل لاستيعابه (2.7 مليون بارون للنيترونات الحرارية) وبعد إغلاق المفاعل، يتراكم إكينيون - 135 من كتلة اليود - 135، مما يسبب " حفرة للزبد " تجعل المفاعل شبه حري مؤقتا.

نظم السلامة: الهندسة المريخية والدفاعية - الدوث

(ب) أن السلامة النووية تقوم على مبدأ الدفاع بعمق ، الذي يوفر مستويات متعددة مستقلة من الحماية، والهدف الرئيسي هو الحفاظ على برودة الوقود واحتواء المواد المشعة، حتى في ظروف الحوادث.

• ] Inherent safety features]: في LWRs, if coolant temperature rises, the water expands, causing a negative void coefficient (in PWRs) This means the moderator becomes less dense, slowing the chain reaction. In BWRs, voids (steam bubbles) form more as power increases, inherently reducing reactivity -
• Control rods and shutdown systems: لدى جميع المفاعلات وسيلة متنوعة لإدخال التفاعل السلبي - وغالباً ما تكون مجموعتان مستقلتان من القضبان، إحداهما تستخدم الجاذبية والأخرى تحتوي على حقن نشط للمواد الكيميائية التي تستخدم النيوترونات - سبينغ (المياه المطفأة).
• Emergency core cooling systems (ECCS)]: If a loss —ofcoolant accident occurs (e.g., a pipe break), ECCS pumps flood the core with water. High-pressure injection, accumulators, and low —pressure sprays ensure continuous cooling.
• Containment building]: A fish reinforced concrete structure (steel —lined in many cases) attacheds the reactor vessel. It is designed to withstand internal pressure from a steam release or even an external aircraft impact. Multiple barriers prevent fission product release to the environment.

إدارة النفايات المشعة

وما زال الوقود المستعمل من المفاعلات مشعّاً للغاية لآلاف السنين، إذ إن إدارة هذه النفايات تشكل تحدياً علمياً وهندسياً.

خصائص الوقود المستهلك

وبعد حوالي 18-24 شهراً من النواة، لا يوجد سوى عدد قليل جداً من الذرات الانشطارية، كما يوجد عدد كبير جداً من منتجات الأنشطة التي تستهلك النيترون من أجل الحفاظ على رد فعل سلاسلي اقتصادي، وتُزال هذه التجمعات وتخزن في بركة تبريد لعدة سنوات للسماح بتفكك النظائر القصيرة الأجل، وفي نهاية المطاف يمكن وضعها في أكواخ جاف (المحترفة والفولية) للتخزين الطويل الأجل.

خيارات إعادة المعالجة

فبعض البلدان (ولا سيما روسيا وفرنسا واليابان) تعيد معالجة الوقود المستهلك إلى فصول البلوتونيوم واليورانيوم، ويمكن عندئذ اختلاق وقود أكسيد المختلط من البلوتونيوم، مما يقلل حجم النفايات العالية المستوى، غير أن إعادة المعالجة تثير شواغل تتعلق بالانتشار، وهي أكثر تكلفة من مرة من خلال دورات الوقود.

Disposal

والحل الطويل الأجل الأكثر اتفاقا على نطاق واسع هو دفن النفايات المهددة بالزئبق في تشكيلات جيولوجية مستقرة مئات الأمتار تحت الأرض، ومستودع أونكالو في فنلندا، قيد البناء، هو أول موقع دائم للتخلص من الوقود النووي المستهلك في العالم، ويعتمد على حواجز متعددة: شكل النفايات الكثيفة الزجاجية، وقطعة نحاسية، ومؤخرة بيتونيت، وقاعة السرب المحيطة.

الاتجاهات المستقبلية: المفاعلات التالية للتنميط

وتهدف تصميمات المفاعلات المتقدمة إلى تحسين السلامة والكفاءة والاستدامة، وقد اختار المنتدى الدولي للجيل الرابع عدة نظم واعدة:

• Very —High —Temperature Reactor (VHTR): Graphite —moderated, helium —cooled, output temperatures up to 1000 °C, enabling hydrogen production.
• Molten Salt Reactor (MSR) : Fuel dissolved in a rculating fluoride salt coolant. Inherently safe due to freeze plug and off-gas handling.
• Sodium — bined Fast Reactor (SFR): Fast spectrum, closing the fuel cycle by burning actinides. The Superphénix in France and the BN —800 in Russia are examples.
• Lead —cooled Fast Reactor (LFR)]: Similar science to SFR but using lead or lead —bismuth coolant, which is chemically inert with air and water.
• strong ⁇ Small Modular Reactors (SMRs)/strong ⁇ : Compact designs (typically MIS300 MWe) that can be factory —built and transported. Many incorporate passive safety features such as natural circulation cooling for decay heat removal.

وتتقاسم هذه التصميمات المبادئ العلمية المذكورة أعلاه، ولكنها تدفع حدود علوم المواد، ونقل الحرارة، ودورات الوقود النووي لتحقيق أداء أعلى والحد من مخاطر انتشار النفايات.

خاتمة

فالمفاعلات النووية هي انتصار للفيزياء التطبيقية، وهي تعتمد على الافتراءات الخاضعة للرقابة للذرات الثقيلة، التي تتواصل من خلال تفاعل متسلسل متوازن وتدار بواسطة مواد مختارة بعناية، وتتم نقل الحرارة المنتجة عن طريق حلقات مبردة إلى أجهزة توليد الطاقة التقليدية، وتتم تأمين سلامة المفاعلات من خلال طبقات متعددة من الهندسة - من معامل التغذية العكسية إلى التبريد في حالات الطوارئ، ومن خلال مبادئ السلامة.