المفاعل النووی هو عبارة عن جهاز یستخدم لبدء تفاعل نووی متسلسل مُسْتَدَام و للتحکم فیه، أو بتعبیر أدق للسیطرة علیه. فمن خلال السیطرة على عملیات الإنشطار النووی المتسلسلة داخل قلب المفاعل مع الحفاظ على الأجواء المناسبة لاستمرار تلک العملیات بشکل دائم دون وقوع انفجارات، تنساب الطاقة النوویة من المفاعل بشکل تدریجی.
بشکل عام، هناک نوعان من المفاعلات النوویة، نوع یستخدم فی محطات الطاقة النوویة لتوفیر الطاقة اللازمة لإنتاج الکهرباء، کما یستخدم أیضاً فی تسییر السفن. وتعمل تلک المفاعلات عند درجات حرارة عالیة. وفیها یتم تمریر الحرارة الناتجة من الانشطار النووی إلى سوائل التشغیل (ماء أو غاز)، التى تمر بدورها عبر توربینات. وتقوم تلک التوربینات بتحریک مراوح السفینة أو بتدویر المولدات الکهربائیة. ویمکن استخدام البخار المتولد من تلک المفاعلات من حیث المبدأ فى الأغراض الصناعیة أو استخدام الحرارة المتولدة لتدفئة المناطق المدنیة.
أما النوع الآخر من المفاعلات فتعمل على توفیر الإشعاع الذرى، والذی یستخدم لإنتاج الوقود النووی أو لعمل نظائر مشعة لاستخدامها فى الطب أو لأغراض صناعیة. کما یستخدم لأغراض البحث العلمى و لأغراض أخرى مثل تحویل عناصر کیمیائیة معینة إلى عناصر أخرى أو لإزالة الأملاح والمعادن من الماء للحصول على الماء النقی أو لإنتاج البلوتونیوم لتصنیع الأسلحة النوویة.
نموذج لمفاعل نووی ویظهر فیه صهریج وقلب المفاعل وقضبان التحکم فى التفاعل وسوائل التبرید.
جمیع المفاعلات النوویة تتکون من وعاء ثقیل یشبه الصهریج أو الخزَّان یحوى داخلة "قلب" Core من الوقود النووی. معظم المفاعلات تحتوی أیضاً على "مُهَدِّئ" Moderator لإبطاء سرعة النیوترونات إلى النقطة التی یمکن عندها جعل التفاعل المتسلسل یدوم دون أن یتوقف أو یزید عن الحد. کل المفاعلات تحتوى أیضاً على "مُبَرِّد" Coolant للتخلص من الحرارة الناتجة عن التفاعل النووی، ما عدا المفاعلات ذات الطاقة المنخفضة جداً. ویتم تنظیم سرعة التفاعل النووی أو "السیطرة علیه" من خلال "نظام للتحکم" Control System. کما تُفْرَض احتیاطات للسلامة صارمة جداً فى تشغیل المفاعلات، ومعالجة منتوجات التفاعل الثانویة المشعة والتخلص من النفایات الخطرة.
ویتوقع بعض الخبراء نقصاً فی الطاقة الکهربائیة فی المستقبل البعید نتیجة ظاهرة الإنحباس الحرارى التى تسببها الإنبعاثات الناتجة عن الأنشطة البشریة مثل الإنبعاثات الناتجة عن عملیات تکریر النفط ومحطات تولید الطاقة و عوادم السیارات وغیرها. لذا فهناک اعتقاد سائد بان الطاقة النوویة هى السبیل الأمثل لسد هذا النقص فی المستقبل.
نبذة تاریخیة :
یعتبر إنریکو فیرمی عالم فی الفیزیاء من إیطالیا والذی حاز على جائزة نوبل فی الفیزیاء عام 1938 وغادر إیطالیا بعد صعود الفاشیة على سدة الحکم واستقر فی نیویورک فی الولایات المتحدة من أوائل من اقترحوا بناء مفاعل نووی حیث اشرف مع زمیله لیو زیلارد Leó Szilárd الذی کان یهودیا من موالید هنغاریا على بناء أول مفاعل نووی فی العالم عام 1942 وکان الغرض الرئیسی من هذا المفاعل هو تصنیع الأسلحة النوویة. فی عام 1951 تم وللمرة الأولى إنتاج الطاقة الکهربائیة من مفاعل أیداهو فی الولایات المتحدة.یتکون المفاعل النووی من الأجزاء التالیة:
• مرکز المفاعل أو قلب المفاعل وهو الجزء الذی یحتوی على وحدات الوقود النووی وتتم فیه سلسلة الانشطار النووی.
• السائل المهدئ moderator ویستعمل الماء عادة لخفض سرعة النیوترونات وبالتالی معدل الانشطار النووی کما أنه ینقل الحرارة الناتجة من التفاعل النووی ویتحول جزء منه إلى بخار عال الضغط، یستغل فی تشغیل التوربین.
• حاویات تحیط بقلب المفاعل والماء، مصنوعة من الحدید الصلب ذات جدران سمیکة(نحو 25 سم)، للاحتفاظ بضغط البخار عالیا، ولمنع تسرب الأشعاعات الناتجة من الأنشطار النووی إلى الخارج والوقایة منها. یخرج بخار الماء بضغط یبلغ 400 ضغط جوی وتکون درجة حرارته نحو 450 درجة مئویة بواسطة أنابیب متینة من حاویة المفاعل، وهی تسمى أحیانا خزان الضغط للمفاعل .
• مبادلات حراریة یأتی البخار عالى الضغط من المفاعل إلى المبادلات لفصل دائرتی الماء، الدائرة الأولیة التی تلف فی المفاعل وهذه تکون عالیة الإشعاع نظرا لتلامسها مع الوقود النووی. لذلک تُفصل عن الدائرة الثانویة للماء الساخن المضغوط، ویتحول هذا الماء فی الدائرة الثانویة عند مغادرته المبادل الحراری إلى بخار ماء عالی الضغط والحرارة ویوجه إلى توربین لتولید الکهرباء.
• مولد کهربائی عملاق یدیره التوربین ویولد التیار الکهربائی.
بذلک تتحول الطاقة النوویة إلى طاقة حراریة ثم إلى طاقة حرکة للتوربین والمولد الکهربائی الذی یحولها إلى طاقة کهربائیة لشغیل المصانع وإنارة المنازل.
الحالة الحرجة :
بهدف تحفیز سلسلة عملیات الانشطار النووی فی مرکز المفاعل النووی، یستعمل ما یسمى بالوقود النووی وهو فی الغالب الیورانیوم-235 أو البلوتونیوم-239. والفکرة تکمن فی تحفیز انشطار أنویة ذرات الیورانیوم-235 والبلوتونیوم-239 لایصالهما إلى مرحلة ما یسمى الکتلة الحرجة.لتوضیح مفهوم الکتلة الحرجة تصوّر أن هناک کرة بحجم قبضة الید مصنوعة من یورانیوم-235، بعد تحفیز أولی لعملیة الانشطار النووی بواسطة تسلیط حزمة من النیوترون على الکرة سیتولد فی المتوسط عدد 2.5 من النیوترونات جراء هذا الانشطار الأول لنواة ذرة الیورانیوم-235. وهذا یکون کافیاً لبدء انشطار ثانٍ فی نواة أخرى من الیورانیوم-235. وأثناء هذه التفاعلات التسلسلیة من الانشطارات فی الیورانیوم یُفقد الکثیر من النیوترونات الناتجة عن التفاعل وتخرج من سطح کرة الیورانیوم، وبفقد تلک النیوترونات یتوقف التفاعل النووی. لهذا یجب أن یکون معدل تولید النیوترونات داخل الکرة مساوٍ على الأقل لعدد النیوترونات المتسربة إلى الخارج حتى تستمر عملیات الانشطار، وتسمى تلک الحالة الحالة الحرجة. وهنا یأتی دور الکتلة الحرجة التی یمکن تعریفها بالحد الأدنى من کتلة مادة نوویة معینة کافیة لدوام سلسلات متعاقبة من الانشطارات.
إذا کان العنصر المستخدم فی عملیة الانشطار النووی ذو کتلة یتطلب تسلیطاً مستمراً بالنیوترونات لتحفیز الانشطار الأولی للنواة فإن هذه الکتلة تسمى بالکتلة دون الحرجة.
إذا کان العنصر المستخدم فی عملیة الانشطار النووی ذو کتلة قادرة على تحمل سلسلات متعاقبة من الانشطار النووی حتى بدون أی تحفیز خارجی بواسطة تسلیط نیوترونات خارجیة فیطلق على هذه الحالة الکتلة فوق الحرجة وهی المرحلة المطلوبة لتصنیع القنبلة النوویة.
الکعکة الصفراء
تعتبر کل من أسترالیا وکازاخستان وکندا وجنوب أفریقیا والبرازیل ونامیبیا من أکبر الدول المصدرة للیورانیوم، ویباع عادة بسعر یتراوح من 80 - 100 دولار للکیلوغرام الواحد وبعد الحصول علیه یتم طحنه وتحویله إلى ما یسمى بالکعکة الصفراء التی یتم تحویلها فیما بعد إلى هیکسافلورید الیورانیوم uranium hexafluoride ویتم بعد ذلک عملیة اخصاب الیورانیوم.المکوّنات الرئیسیة الشائعة فی أکثر أنواع محطات الطاقة النوویة هی:
1- الوقود النووی
2- قلب المفاعل
3- مهدئ النیوترون
4- قضبان تحکم (تمتص النیوترونات)
5- غلایة
6- عنفة بخاریة
7- مولد کهربائی
8- مکثف الماء
9- برج تبرید (غیر مطلوب دائما)
10- نظام وقائی (منع الانفجار)
11- بنایة الاحتواء
12- غرفة المراقبة
13- وسائل العملیات المستعجلة
14- حوض تخزین الوقود المستهلک
المصدر : تحقیق راسخون
/ج
