تعتمد معظم محطات الطاقة النووية العاملة اليوم على استخدام مفاعلات الماء الخفيف كمصدر للحرارة في توليد البخار لإدارة مولدات التوربين البخاري التقليدي. يطلق على هذا النوع من المفاعلات تسمية مفاعلات الماء الخفيف، وذلك لتمييزها بشكل رئيس من مفاعلات الماء الثقيل، إذ يستخدم الماء العادي كوسيط وكمبرد لسحب الحرارة وإنتاج البخار. أما الماء الثقيل فهو ماء يحتوي الديوتيريوم (Deuterium)، وهو نظير الهيدروجين بوجود نيوترون بالإضافة إلى البروتون في نواته على عكس الهيدروجين الذي لديه بروتون فقط في النواة هذا الشكل الخاص للماء لديه قابلية على أن يكون وسيطاً فاعلاً جداً للتفاعل النووي الانشطاري، وسوف يناقش بتفصيل أكثر في الفقرة التالية. بما إن لدى الماء العادي أو الماء «الخفيف قابلية ضعيفة ليعمل كوسيط في تفاعل الانشطار النووي، لذلك يجب زيادة تخصيب اليورانيوم الانشطاري المستخدم كوقود في مفاعلات الماء الخفيف لزيادة تركيز اليورانيوم 235 U النظير الانشطاري من الناحية العملية، يتألف قلب مفاعل الماء الخفيف النووي من وقود مخصب يتم احتواؤه في سلسلة من قضبان الوقود التي تتم إحاطتها بعد ذلك بالماء العادي أو الخفيف الذي يعمل كوسيط. إن وجود هذا الوسيط المحيط بقضبان الوقود يمكن من حدوث تفاعل انشطاري مستمر مؤدياً إلى توليد كميات كبيرة من الحرارة. إذا ترك قلب المفاعل من دون تبريد لفترة من الوقت فإن هذه الحرارة سوف ترفع درجة حرارة المفاعل بشكل سريع جداً إلى حد كبير، ما يجعل القضبان تنصهر. ويتم تجنّب هذه الحالة بتمرير ماء التبريد عبر القلب، الذي يستخدم بعدئذ لتوليد البخار من أجل استخدامه في توربين بخاري في بعض الحالات يستخدم الماء نفسه كمبرد ووسيط في الوقت نفسه في مفاعل مبرد مباشرة، بينما في مفاعلات أخرى توجد مصادر منفصلة للماء لكل من الماء المبرد والماء الوسيط في تصميم لمفاعل مبرد بشكل غير مباشر.

إن أبسط أنواع مفاعلات الماء الخفيف هو «مفاعل الماء المغلي» المبرد مباشرة أو (Boiling Water Reacter) أو (BWR) الذي يُستخدم فيه الماء نفسه كوسيط وكمبرد، وكبخار لإدارة توربين المولد يبيّن الشكل (1) مخططاً لهذا النوع من المحطات (2006 ,US. Nuclear Regulatory Commission )في هذه البنية يتم ضخ الماء من مكثف المحطة إلى وعاء المفاعل (وعاء ضغط فولاذي كبير) بواسطة مضخات التغذية عندما يمر الماء عبر قلب المفاعل فإن جزءاً منه يغلي ويرتفع بخار الماء المتشكل إلى قمة الوعاء حيث يتم سحبه وإعادته ثانية لتغذية التوربين البخاري ليوفر القوة الدافعة لإنتاج الكهرباء. لنضمن دوراناً جيداً للماء حول القلب وتبريد مناسب لقضبان الوقود، يتم أيضاً تأمين عدد من مضخات التدوير. يمكن أيضاً رؤية عدد من قضبان التحكم مارةً عبر قاعدة وعاء المفاعل وداخلة إلى قلب المفاعل. تُصنع هذه القضبان من مواد مثل الكادميوم أو البورون الذي يمتص النيوترونات بقوة ويمكن أن تستخدم

الشكل (1) مفاعل الماء المغلي (BWR).

المصدر : US Nuclear Regulatory Commission .

للتحكم بدرجة التفاعل بواسطة تحريك هذه القضبان إلى داخل قلب المفاعل أو إلى خارجه ويعادل تحريك قضبان التحكم خارج القلب يعادل زيادة معدل التفاعل الانشطاري في محطة الوقود الأحفوري التقليدية، بينما تحريكهم كلياً إلى قلب المفاعل يسبب وقوف التفاعل الانشطاري كلياً. عادةً يكون وعاء المفاعل والتجهيزات المساعدة كمضخات تمرير الماء وآلية قضبان التحكم محتواة في بناء إسمنتي، ذي جدران سميكة تعمل على امتصاص أي زيادة إشعاعية يمكن أن تمر عبر جدران وعاء المفاعل نفسه. وعلى الرغم من أن مفاعلات الماء المغلي (BWRS) بسيطة جداً من حيث المبدأ، إلا أن تغير طور الماء من سائل إلى بخار ضمن قلب المفاعل يقدم بعض تحديات يُبيّن الشكل (2) مخططاً لمفاعل الماء المضغوط (PWR) (2005 ,US DE-EI)، ويشير إلى أنه تم استخدام دارتي ماء منفصلتين في هذا النوع من التصميم، وبذلك يتم نقل الحرارة، المتولدة في قلب المفاعل بشكل غير مباشر إلى الدارة البخارية المستخدمة لإدارة المولد التوربيني. يتم تمرير الماء في دارة المبرد الأولية تحت ضغط عال باستمرار عبر قلب المفاعل بواسطة عدد  من مضخات المبرد. ويتم الحفاظ على هذا المبرد الأولي الذي يعمل أيضاً كوسيط، تحت ضغط عال كاف بحيث لا يغلي أبداً عند درجات حرارة يتم الوصول إليها في وعاء المفاعل. بهذه الطريقة، يتم تجنّب مشاكل التحكم المترافقة مع الماء الخاضع لطور التحول من سائل إلى بخار، ما يؤدي إلى نظام تحكم مبسط مقارنة بذلك المستخدم في تصميم مفاعل الماء المغلي. تقوم مضخات المبرد بتمرير ماء المبرد الأولي باستمرار عبر قلب المفاعل وخارجاً إلى سلسلة من المبادلات الحرارية التي تستخدم لنقل الحرارة من المبرد الأولي إلى نظام مبرد مائي ثانوي الذي تتم المحافظة عليه تحت ضغط أقل، وبالتالي يغلي ماء المبرد الثانوي موفراً مصدراً ثابتاً من البخار لإدارة مولد التوربين البخاري. لقد برهن هذا الفصل بين المبردين الأولي والثانوي على أنه تصميم فاعل جداً، لذا نرى أن مفاعل الماء المضغوط (PWR) هو النوع الأكثر شيوعاً لمحطات المفاعل النووي المستخدم حالياً. وهو النوع الأكثر انتشاراً في الولايات المتحدة، أكبر منتج عالمي للكهرباء النووية، والمستخدم حصرياً في فرنسا، ثاني أكبر منتج عالمياً. في الحقيقة، من ضمن 440 مفاعلاً تقريباً، العاملة حالياً في العالم، هناك أكثر من نصف هذه المفاعلات من نوع الماء المضغوط (PWRs).

الشكل (2): مفاعل الماء المضغوط (PWR).

المصدر : DOE EIA

إن أحد العوامل المشتركة لكل من تصاميم مفاعلات الماء المغلي (BWR) ومفاعلات الماء المضغوط (PWR) هو الحاجة إلى أوعية ضغط قوية وكبيرة جداً، وهي ضرورية من أجل احتواء قلب المفاعل، وأيضاً لتحمل درجات الحرارة العالية والتدفقات الإشعاعية المتأصلة في توليد مستويات طاقة عالية. يمكن لوعاء المفاعل أن يكون بقطر خمسة أمتار تقريباً، وبارتفاع 15 متراً، وبسماكة جدارية أكثر من 20 سم. إن أي تصدّعات أو تشققات في وعاء المفاعل والأنابيب المرافقة يمكن أن يؤدي إلى فقدان المبرد وفقدان المقدرة على سحب الحرارة من قلب المفاعل، الذي هو أحد احتياطات الأمان الأكثر أهمية في تشغيل المحطة النووية. هناك بعض المؤسسات القليلة في العالم يمكن أن يتم بواسطتها إنشاء مثل هذه الهياكل الفولاذية الكبيرة وفق معايير عالية جداً مطلوبة لتضمن تكامل قلب المفاعل وسلامته. كذلك، إن استخدام الماء العادي كوسيط، الذي يميل إلى امتصاص الكثير من النيوترونات المحررة خلال تفاعل الانشطار، في النوعين من المفاعلات يعني أن تفاعلاً متسلسلاً مستمراً لا يمكن أن يتم الحصول عليه بجزء صغير (0.7 في المئة) من اليورانيوم 1235 القابل للانشطار الذي يوجد عادة في اليورانيوم الطبيعي. ولكي نوفر كمية كافية من النيوترونات للمحافظة على استمرارية تفاعل الانشطار يحتاج وقود اليورانيوم إلى تخصيب بحيث یزداد تركيز اليورانيوم U235 في وقود اليورانيوم ليصل إلى ما بين 3 و5 في المئة تقريباً. وعملية التخصيب المستخدمة لزيادة تركيز 0235 الانشطاري هي من حيث المبدأ بسيطة جداً، لكن اليورانيوم بسبب وجود اختلافات فيزيائية وكيميائية صغيرة بين نظيري اليورانيوم تصبح العملية معقدة جداً من الناحية العملية. كما تحتاج عملية فصل النظيرين إلى الاعتماد على الاختلاف البسيط في عدد النيوترونات المحتواة في نواتي ذرتيهما، الذي يؤدي إلى تغيّر صغير جداً في كتلتيهما الذريتين الخاصتين بهما. ويمكن تنفيذ التخصيب باستخدام تقنيات الانتشار الغازي، أو طريقة الطرد المركزي للغاز. ففي عملية الانتشار الغازي يتم أولاً تحويل المادة الخام من اليورانيوم سداسي الفلوريد (Uranium hexafluoride) إلى طور غازي بواسطة التسخين وبعد ذلك يتم دفعها عبر سلسلة من الأغشية المسامية الخاصة التي تسمح بشكل مفضل بعبور النظير الأخف اليورانيوم 0235. أما عملية الطرد المركزي للغاز فتستخدم عدداً كبيراً من أجهزة الطرد المركزي ذات السرعة العالية والتي تدفع بشكل أفضل النظير الأثقل : اليورانيوم U238، باتجاه بعيد عن مركز الوعاء الدوّار، حيث يمكن استخلاصه وإبقاء الغاز المتبقي مخصباً باليورانيوم 235. هناك بلدان قليلة جداً فقط لديها تجهيزات التخصيب هذه، وبسبب قابلية اليورانيوم المخصب لاستخدامه في إنتاج الأسلحة النووية، تتم مراقبة هذه التجهيزات عن قرب بواسطة المجتمع الدولي.

اخر الاخبار

اخبار العتبة العباسية المقدسة

وزارة التعليم العالي تكرم جامعة العميد لحصولها على جائزة المكتبة الأكاديمية المتميزة

جمعية العميد تناقش استعداداتها لانطلاق فعاليات المؤتمر العلمي الرابع لإحياء تراث أمير المؤمنين (عليه السلام)

أكاديمية التطوير الإداري تواصل برنامج الخطة الخمسينية لعدد من ملاكات العتبة العباسية المقدسة

المجمع العلمي يواصل تقديم دورته التطويرية لعدد من الملاكات التربوية في الديوانية

المزيد

الآخبار الصحية

الرياضة وحدها لا تكفي.. كيف يؤثر الجلوس الطويل على الصحة؟

دراسة: بدائل السكر ليست آمنة على الكبد

تفاحة قبل النوم.. عادة بسيطة مفيدة أم خطر على الصحة؟

احذر مشاركتها مع الآخرين.. 3 أدوات شائعة قد تنقل أمراض خطيرة

المزيد

الآخبار التكنلوجية

الهنغاري لاسلو كراسناهوركاي يفوز بجائزة نوبل للآداب 2025

رسميا.. إعلان الفائز بجائزة نوبل للسلام لعام 2025

باحثون: تشات جي بي تي ونماذج الذكاء الاصطناعي يمكن "تسميمها"

عالمان في الأعصاب يرفعان دعوى قضائية ضد شركة آبل

المزيد

مواضيع ذات صلة

الطاقة النووية: كثافة طاقة عالية وقضايا أمنية واقتصادية

أنواع أخرى من المفاعلات

تصاميم مفاعلات متقدمة

انواع المفاعلات النووية

اضطرابات السمت

لماذا طاقات أعلى؟

معجلات الطاقة الفائقة الإرتفاع

التطوير التاريخي للمعجلات

الحقل المغناطيسي وتأثيراته في البلازما والحقول الأخرى

انعطاف صغير عند النجوم

ما الحرارة في الاندماج النووي

التسخين بالحقن بذرات متعادلة