مفاعل نووي

فيديو التقنية الذكية تقنية ساك

مواقع المفاعلات النووية حول العالم.

اليورانيوم من الموسوعة العربية العالمية.

المكونات

• المكوّنات الرئيسية الشائعة في أكثر أنواع محطات الطاقة النووية هي:
• الوقود النووي
• قلب المفاعل

مفاعلات مهدئة بالماء

وفي السياق ذاته، مفاعلات مهدئة بالماء العادي هو مفاعل الماء الخفيف هي أغلب المفاعلات المستعملة في إنتاج الطاقة الكهربية في العالم. وهي تستعمل الماء العادي لتهدئة سرعات النيوترونات وكذلك في تبريد قضبان اليورانيوم حتى لا ترتفع درجة حرارتها عن نحو 1000 درجة مئوية. وعند تشغيل المفاعل وترتفع درجة حرارة الماء فإن كثافة الماء تنخفض، ويمر خلالها نيوترونات قليلة، وتهدأ سرعاتها بحيث تتسبب في تفاعلات أكثر مع الوقود النووي. هذا يجعل معدل التفاعل النووي مستقرا. تتميز مفاعلات الجرافيت ومفاعلات الماء الثقيل بأنها تهديء من سرعة النيوترونات بكفاءة أكبر من مفاعل الماء الخفيف. ونظرا لكفاءتها العالية في تهدئة سرعة النيوترونات، فإن تلك الأنواع من المفاعلات يمكنها استخدام اليورانيوم الطبيعي (اليورانيوم الطبيعي يحتوي على يورانيوم-235 بنسبة 7و0% فقط و 3و99% يورانيوم-238).

وفي هذا السياق، مفاعل الملح المنصهر وهي تهدأ باستخدام الليثيوم أو بريليوم والتي تشكل سبيكة ملحية، مثل فلوريد الليثيوم أو فلوريد البريليوم للمبرد/والمهدئ.

تصنيف المفاعلات طبقا لنوع المبرد

مفاعلات تهدأ بعناصر خفيفة.

علاوةً على ذلك، وهي تستعمل مهدئا ومبردا مخلوط من البزموت والرصاص، وقد تستعمل مهدئا من أكسيد البريليوم.

في هذا الإطار، ديدو – مفاعل مهدأ بالماء الثقيل (هي مفاعلات موجودة في كندا والهند الأرجنتين والصين وباكستان ورومانيا وكوريا الجنوبية.)

من جانب آخر، مفاعلات مهدأة بمواد عضوية وهي تستعمل بيفينيل أو ترفينيل كمهدئ ومبرد.

وفي السياق ذاته، مفاعل مهدأ بمعدن منصهر (مثل مفاعل سريع بتبريد الرصاص المنصهر)

نبذة تاريخية

وفي هذا السياق، يعتبر إنريكو فيرمي عالم الفيزياء من إيطاليا والذي حاز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1938 وغادر إيطاليا بعد صعود الفاشية على سدة الحكم واستقر في نيويورك في الولايات المتحدة من أوائل من اقترحوا بناء مفاعل نووي حيث أشرف مع زميله ليو زيلارد الذي كان يهوديا من مواليد هنغاريا 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 إنتاج الطاقة الكهربائية من مفاعل أيداهو في الولايات المتحدة، بينما قام الاتحاد السوفيتي ببناء أول محطة نووية في العالم لإنتاج الطاقة الكهربية وهي محطة أوبنينسك للطاقة النووية عام 1954

تصنيف طبقًا لنوع التفاعل

علاوةً على ذلك، نوعان أساسيان من التفاعل في الإطار النووي: انشطار نووي واندماج نووي. تفاعل الانشطار النووي هو النوع المستغل حاليًّا في مفاعلات القوى وفي كل المفاعلات الأخرى المستعملة اليورانيوم البلوتونيوم كوقود نووي. أما الاندماج النووي فلا يزال تحت البحث وربما يستغرق عشرات السنين وهو يستغل الهيدروجين الثقيل والتريتيوم كوقود وتلتحم فيه تلك العناصر لإنتاج الهيليوم وتنتج منه طاقة أكبر بكثير من طاقة انشطار اليورانيوم. الطاقة الناتجة من اندماج الهيدروجين بأنواعه هي السر وراء طاقة الشمس، فهي تفاعلات اندماج تولد تلك الطاقة الهائلة عبر بلايين السنين من دون توقف. لهذا يكون تقليدها على الأرض بالغًا الصعوبة، ولكن البحوث العلمية لإنتاج مفاعل اندماج نظائر الهيدروجين لإنتاج الطاقة في تقدم.

تاريخ الطاقة

ومن جهة أخرى، مثلًا المفاعل النووي الذي عمل بـطاقة 100% لمدة 100 ساعة ثم تراجع إلى معدل طاقة 20% لمدة 5 ساعات سينتج كمية مختلفة من حرارة الانحلال والمواد والغازات الناتجة عن الانشطار عن المفاعل المماثل الذي عمل بـطاقة 20% لمدة 105 ساعات لأن المفاعل الثاني له تاريخ طاقة أو تاريخ قدرة مختلف عن الآخر.

وفي هذا السياق، تاريخ الطاقة أو تاريخ تشغيل وقود نووي، هو مصطلح يدل على طاقة مفاعل نووي خلال فترة طويلة من الزمن، آخذة في الحسبان كذلك فترات توقفه عن التشغيل وفترات تشغيلة بقدرات مختلفة. هذا يؤثر على نوعية الوقود النووي الموجود فيه والمستخرج منه. تاريخ الطاقة مهم للحسابات والعمليات الخاصة بحرارة الانحلال والمواد المشعة الناتجة عن الانشطار وكذلك بالنسبة إلى تدوير ما الوقود النووي المتبقي فيه وإعادة استغلاله. إذا لم يتم تدوير الوقود النووي المستعمل في المفاعل فهو يعتبر نفايات وغازات مشعة، ويجب التخلص منها بطريقة تتفق مع المعاهدات الدولية، تحت إشراف من الهيئة الدولية للطاقة الذرية، بفينا.

• اقرأ كذلك
• مفاعل الماء الخفيف
• مفاعل الماء الثقيل
• مفاعل الماء المغلي

تصنيف المفاعلات طبقا لنوع المهدئ

مفاعلات مهدئة بالجرافيت

مفاعلات النيوترونات الحرارية البطيئة:

انشطار نووي

وعلى صعيد آخر، مفاعل النيوترونات السريعة وهي مفاعلات لا يكون فيها مهدئ لسرعة النيوترونات بصفة أساسية، أو يكون الموجود من المهدئ قليلا. ويلزم لاستمرار التفاعل هنا بين النيوترونات السريعة وأنوية اليورانيوم أن يكون اليورانيوم مخصبا بنسبة عالية (نحو 20% من اليورانيوم-235، وتتفاعل النيوترونات السريعة مع اليورانيوم-238 الذي يشكل أغلبية اليورانيوم - وتنتج الطاقة. ميزة مفاعل النيوترونات السريعة هو أنه ينتج مواد مشعة أقل من مفاعل النيوترونات البطيئة - أي تنتج نفايات مشعة أقل بسبب سرعة النيوترونات.

وفي السياق ذاته، مفاعلات نيوترونات حرارية بطيئة وهي الأنواع الغالبة، تهدأ فيها سرعات النيوترونات لتصبح مناسبة لتفاعلها مع أنوية اليورانيوم أو البلوتونيوم. تحوي تلك المفاعلات مهدئات للنيوترونات وهي مواد تهديء من سرعة النيوترونات، مثل الماء فهو يهديء من سرعة النيوترونات. تلك النيوترونات هادئة السرعة تتفاعل مع اليورانيوم-235 والبلوتونيوم-239 وكذلك مع البلوتونيوم-241، واما تفاعلها مع أنوية اليورانيوم-238 فيكون أقل من تفاعل النيوترونات السريعة معه النيوترونات السريعة هي التي تتولد أصلا من الانشطار. وتهدئتها في الماء مثلا يجعلها تتفاعل مع أنوية اليورانيوم-235 والبلوتونيوم -239 فتنشطر تلك الأنوية وتطلق حرارة. النيوترونات البطيئة تتفاعل مع اليورانوم-235 فينشطر، ويقل تفاعلها مع أغلبية اليورانيوم-238.

إضافةً إلى ذلك، تعمل مفاعلات القوى التي تولد الكهرباء بطريقة الانشطار النووي. وهي تستعمل اليورانيوم وما ينتج منه من البلوتونوم كوقود نووي، كما أن استخدام الثوريوم-233 من الممكن كذلك حيث يمكن انشطار أنويته عن امتصاصها نيوترونات. وتصنف مفاعلات الانشطار النووي إلى نوعين من حيث طاقة النيوترونات المستعملة فيها لاستمرارية التفاعل المتسلسل:

في هذا الإطار، تنتقل الحرارة الناتجة من التفاعل إلى ماء التهدئة فيسخن تحت ضغط عالي مما يرفع من درجة غليان الماء. يوجد الوقود النووي والماء المهدئ في خزان المفاعل (الغلاية)، فضلًا عن محسات وأجهزة للتحكم في سير التفاعل. يحيط بخزان المفاعل - الذي يبلغ سمك جداره 12 سنتيمتر من الفولاذ - ويحيط به مانع خرساني سميك لحجب الإشعاعات عن العاملين، إلى جانب المبنى الخرساني للمفاعل من الخارج، يصل سمك جدرانه 5و1 متر.

من جهة ثانية، ولكن مفاعلات النيوترونات السريعة تكلف كثيرا، بالتالي يكون ثمن الكهرباء منها عاليا بالمقارنة بإنتاج الكهرباء في مفاعل النيوترونات البطيئة. لهذا فأغلب مفاعلات القوى من نوع مفاعلات النيوترونات الحرارية البطيئة. وتستغل بعض السفن الحربية الروسية مفاعل النيوترونات السريعة لتحركها. كما يقوم الفيزيائيون بتطوير مفاعل النيوترونات السريعة لإنتاج وقود نووي - مفاعل استنسال سريع - وهو يمثل الجيل الرابع من مفاعلات القوى. مفاعلات الجيل الرابع تمثل مفاعلا ينتج الطاقة وفي نفس الوقت ينتج وقودا جديدا في هيئة بلوتونيوم-239 من اليورانيوم-238 يمكن تدويره.

تصنيف المفاعلات النووية

وفي هذا الصدد، تصنف المفاعلات النووية بطرق مختلفة، سنأتي أسفله ببعض منها للتوضيح.

الانشطار النووي

وفي هذا الصدد، يتم الانشطار النووي لليورانيوم مثلا عندما يصتدم بها نيوترونا بطيئا (بطيء السرعة). ولكن بعد الانشطار تنتج من 2 إلى 3 من النيوترونات السريعة، تلك النيوترونات السريعة لا تستطيع انوية اليورانيوم امتصاصها. لهذا يستعمل الماء أولا لتقليل سرعة النيوترونات بحيث يمكنها مشاركة في التفاعل واستمراريته ووالوظيفة الثانية للماء هي نقل الحرارة المتولدة لإنتاج الكهرباء. (تعمل نحو 74.8٪ من المفاعلات في العالم بالماء العادي، ويسمى الماء «مهدئ»). نفس خاصية الماء كمهدئ للنيوترونات يحملها الجرافيت، لهذا كانت أول المفاعلات على الأطلاق هي مفاعلات اليورانيوم التي تستعمل الجرافيت تسمى «كومة ذرية» Atomic pile.

ومن جهة أخرى، للسيطرة على مثل هذا التفاعل النووي التسلسلي، تستعمل قضبان من الكادميوم لامتصاص النيوترونات الزائدة بحيث يبقى تشغيل المفاعل في الحيز الآمن. المفاعلات النووية عموما لديها أنظمة تلقائية لتنظيم معدل تفاعلات النيوترونات في "كومة" اليورانيوم " حتى لا يخرج معدل التفاعل عن الحيز الآمن.

وفي هذا السياق، عندما تمتص نواة ذرية انشطارية كبيرة مثل اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم -239 النيوترون، فإنها قد تخضع للانشطار النووي. وتنقسم النواة الثقيلة إلى نويتين أخف أو أكثر، (منتجات الانشطار). وتطلق الطاقة الحركية الحرارية، وإشعاع غاما، والنيوترونات الحرة. ويمكن لاحقًا لبعض النيوترونات الحرة أن تمتصها أنوية انشطارية أخرى، ويؤدي إلى المزيد من أحداث الانشطار، التي تطلق المزيد من النيوترونات (لأنه عندما تمتص نواة انشطارية نيوترونا يخرج من هذا التفاعل نيوترونين أو ثلاث يمكنها نظريا احداث تفاعلات انشطارية متتابعة)؛ ويعرف ذلك بتفاعل نووي متسلسل.

من جهة ثانية، طبقا لتقرير الوكالة الدولية للطاقة الذرية في سنة 2019 توجد في العالم 454 مفاعل قوى نووي وعدد 226 مفاعل للأبحاث تعمل.

توليد الحرارة

ومن جهة أخرى، كما أن الاضمحلال الإشعاعي من المنتجات الانشطار تنتج حرارة. يبقى الاضمخلال الإشعاعي مصدرا للحرارة لفترة طويلة حتى بعد إيقاف تشغيل المفاعل.

من جهة ثانية، يتم تحويل الطاقة الحركية من منتجات الانشطار إلى الطاقة الحرارية عندما تصطدم هذه النوى مع الذرات القريبة.

من جانب آخر، الكيلوغرام من اليورانيوم-235 (U-235) المنشطر أثناء التفاعلات النووية يطلق طاقة تزيد بثلاثة ملايين مرة على وجه التقريب عما ينتجه 1 كيلوجرام من الفحم المحترق تقليديا (7.2 × 1013 جول لكل كيلوغرام من اليورانيوم 235 مقابل 2.4 × 107 جول لكل كيلوغرام من الفحم).

يولّد قلب المفاعل الحرارة بعدة طرق:

من جانب آخر، يمتص المفاعل بعض أشعة غاما المنتجة أثناء الانشطار ويحول طاقتها إلى حرارة.

مفاعل الماء المغلي

من جهة ثانية، تتميز مفاعلات الماء المغلي بأن يحوط الماء المغلي بالوقود النووي في قلب المفاعل، أي في غلاية المفاعل الأولية وهي تكون تحت ضغط. يستعمل مفاعل الماء المغلي اليورانيوم-235 الموجود في سبيكة ثاني أكسيد اليورانيوم الطبيعي بنسبة تخصيب 7و3%. ويشكل هذا الوقود في هيئة كبسولات موجودة في أنابيب من الزركونيوم وترص في وحدات من الفولاذ وتغطس في قلب المفاعل ويحيطها الماء. يتسبب الانشطار النووي الحادث في اليورانيوم-235 عن طريق النيوترونات في غليان الماء فينشأ بخار تحت ضغط عالي. يوجه هذا البخار في أنابيب شديدة الصلابة وكبيرة إلى توربينات. يدير البخار تحت الضغط العالي التوربينات، فتدير التوربينات بدورها المولد الكهربائي الضخم وينتج الكهرباء. خلال التشغيل المعتاد يضبط الضعط بالتحكم في كمية البخار الخارجة من خزان المفاعل والذاهبة إلى التوربينات.

مفاعل الحوض

اندماج نووي

وفي هذا الصدد، Farnsworth-Hirsch fusor يستعمل لإنتاج فيض نيوترونات تستعمل في البحث العلمي، وليس لإنتاج الطاقة الكهربائية.

في هذا الإطار، مفاعل الاندماج النووي مثل توكاماك هو تقنية تجريبية، وهو يستعمل أساسا الهيدروجين الثقيل كوقود. ولا يزال غير ممكنا استغلاله في إنتاج الطاقة ؛ إذ أن التفاعل حتى الآن لا يستمر لفترة طويلة بل ينقطع الاندماج النووي بعد جزء من الثانية. يحاول العلماء مد فترة التفاعل عن طريق استخدام تقنيات ضخمة مستحدثة، ويوجد منه نوع يسمى

الآلية

من جهة ثانية، ومثلما تولد محطات الطاقة التقليدية الكهرباء عن طريق تسخير الطاقة الحرارية المنبعثة من حرق الوقود الأحفوري، تحول المفاعلات النووية الطاقة التي يطلقها الانشطار النووي الخاضع للتحكم إلى طاقة حرارية؛ تلك الحرارة تسخن الماء الذي يتحول جزء منه إلى بخار تحت ضغط عال يٌدير توربينا وبالتالي مولد كهربائي.

التبريد

إضافةً إلى ذلك، يتم تبريد المفاعل النووي - عادة بالماء، ولكن في بعض التصميمات تنقل الحرارة بغاز مثل الهيليوم أو الرصاص السائل أو الصوديوم السائل أو الملح المنصهر. هذه الحرارة تنتقل بواسطة مبادل حراري إلى الماء الذي يولد البخار المضغوط للتوربينات. أغلب أنظمة المفاعلات تستعمل نظام تبريد ونقل الحرارة في دورتين، مثل مفاعل الماء المضغوط. ومع ذلك، في بعض المفاعلات يتم غليان الماء للتوربينات البخارية مباشرة في قلب المفاعل؛ مثلًا مفاعل الماء المغلي.

تخصيب اليورانيوم

ومن جهة أخرى، مثلًا اليورانيوم المخصب عبارة عن يورانيوم تمت زيادة نسبة نظائر اليورانيوم-235 فيه وازالة النظائر الأخرى مثل اليورانيوم-238. وعملية التخصيب هذه صعبة ومكلفة وتكمن الصعوبة في أن النظائر الذي يراد ازالتها من اليورانيوم شبيهة جدا من ناحية الكتلة الذرية والخواص الكينميائية للنظائر الذي يرغب بالإبقاء عليها وتخصيبها. وتتم عملية التخصيب باستخدام بطرق متعددة، كلها تعتمد على الحرارة العالية. الطريقة الأمريكية المتبعة في مشروع مانهاتن لغنتاج القنابل الذرية كانت بطريقة النغاذية ؛ حيث تختلف نفاذية اليورانيوم -235 عن نفاذية اليورانيوم-238 في السيراميك مثلا. الطريقة الثانية التي يكثر استخدامها هي طريقة الطرد المركزي. وهناك طرق أخرى أكثر تعقيدا كاستعمال الليزر أو الأشعة الكهرومغناطيسية ولكنها ليست للأغراض الصناعية. معامل الفصل بين النظيرين عبر مرحلة واحدة هو 1.3 للطريقة الطرد المركزي بالمقارنة بمعامل 1.005 للانتشار الحراري عبر حاجز، وهي نسبة تعادل 1:50 من وجهة الطاقة المستعملة. طريقة الطرد المركزي تتبع في تخصيب 54% من اليورانيوم المخصب في العالم.

وفي السياق ذاته، عملية تخصيب اليورانيوم عبارة عن عزل نظير معين من مخلوط نظائر، وهذا النظير المعين هو اليورانيوم-235 الذي يصلح لإنتاج الطاقة الكهربائية في مفاعل نووي. اليورانيوم الطبيعي يحتوي على 7و0% من اليورانيوم-235 أما باقي اليورانيوم فهو اليورانيوم -238. والمطلوب من عملية التخصيب هو رفع نسبة اليورانيوم-235 في اليورانيوم الطبيعي إلى 5و3% حتى يمكن استخدامه في مفاعل نووي يعمل بالماء الخفيف. اليورانيوم المخصب إذا يمكن أن يكون ذو نسبة 5و3% من اليورانيوم-235 أو أعلى من ذلك (إنتاج أسلحة نووية يحتاج إلى تخصيب أعلى من 90%)، ويسمى الجزء من اليورانيوم المنزع منه اليورانيوم-235 «اليورانيوم المنضب». وتتم عملية التخصيب على مراحل حيث يتم في كل مرحلة عزل كميات أكبر من النظير المرغوب فيه (اليورانيوم-235) حيث يزداد اليورانيوم تخصيبا بعد كل مرحلة لحد الوصول إلى نسبة النقاء المطلوبة (5و3% لإنتاج الطاقة الكهربائية في مفاعلات نووية ؛ أو 90% لإنتاج أسلحة نووية).

في هذا الإطار، وتبلغ نسبة اليورانيوم-235 الذي يراد تخصيبه من اجمالي ذرات اليورانيوم الطبيعي نسبة 0.7% فقط ولكن هذا الجزء هو المرغوب فيه لكونه يصلح للانشطار بواسطة تسليط نيوترون منخفض السرعة عليه ؛ وهذا ما يتم في مفاعل نووي يعمل بالماء الخفيف. أما اليورانيوم الطبيعي فيمكن من حيث المبدأ استخدامه في مفاعل نووي مع استخدام الماء الثقيل لتهدئة سرعة النيوترونات قبل اصتدامها باليورانيوم-235. أغلبية الجزء المتبقي من اليورانيوم الطبيعي بعد استخلاص جزء اليورانيوم-235 هو اليورانيوم-238 (أو «اليورانيوم المنضب» الذي يحتوي على نسبة أقل من 7و0% يورانيوم-235). تم تخصيب اليورانيوم لأول مرة في الولايات المتحدة أثناء الحرب العالمية الثانية لصناعة قنبلة هيروشيما التي ألقيت على اليابان في أغسطس 1945. القنبلة النووية الثانية التي ألقيت على نجازاكي كانت من البلوتونيوم-239، وبهما انتهت الحرب بين الولايات المتحدة واليابان بلا قيد ولا شرط. تم بناء 3 من المفاعلات النووية في ولايات تينيسي وأوهايو وكنتاكي وكانت الطريقة المستعملة عبارة عن ضخ كميات كبيرة من اليورانيوم على شكل غاز يورانيوم هيكسافلوريد في درجة حرارة عالية إلى حواجز ضخمة تحوي على ملايين الثقوب الصغيرة جدا وبسرعة نفاذية اليورانيوم -235 بالمقارنة بسرعة نفاذية اليورانيوم-238 في الحواجز تزداد نسبة اليورانيوم-235 في المخلوط على الناحية الخلفية من الحاجز. وبتتابع تلك العمليات الواحدة تلو الأخرى يمكن الوصول إلى نسبة يورانيوم-235 أعلى من 90% تصلح لصناعة قنبلة هيروشيما. استغلال الفرق في سرعة النفاذية مكّن الولايات المتحدة من صناعة قنبلة هيروشيما، وتمتلك الولايات المتحدة يورانيوم مخصب من النوع العالي الخصوبة بنسبة 90%.

من جهة ثانية، وتقاس قدرة محطات تخصيب اليورانيوم في شروط نسبة فصل اليورانيوم -235 عن اليورانيوم-238. فبالنسبة لإنتاج الطاقة الكهربائية من مفاعل نووي يعمل بالماء الخفيف يكفي أن تكون نسبة اليورانيوم-235 نحو 5و3 %. كما تحتاج بعض مفاعلات البحوثيورانيوم مخصبا إلى درجة 20% بغرض الحصول على فيض كثيف من النيوترونات يستعمل في إجراء البحوث العلمية وفحص المواد. أما إنتاج أسلحة نووية فيحتاج إلى نسبة تخصيب أعلى من 90% من اليورانيوم-235.

من جانب آخر، ومن أساليب التخصيب الأخرى الأسلوب الذي يعرف بطريقة الطرد المركزي، وفيه يلزم كذلك تكرار الطرد المركزي في مرات عديدة.

الكتلة الحرجة

وفي هذا الصدد، لتوضيح مفهوم الكتلة الحرجة تصوّر أن هناك كرة بحجم قبضة اليد مصنوعة من يورانيوم-235، بعد تحفيز أولي لعملية الانشطار النووي بواسطة تسليط حزمة من النيوترون على الكرة سيتولد في المتوسط عدد 2.5 من النيوترونات جراء هذا الانشطار الأول لنواة ذرة اليورانيوم-235. وهذا يكون كافياً لبدء انشطار ثانٍ في نواة أخرى من اليورانيوم-235. وأثناء هذه التفاعلات التسلسلية من الانشطارات في اليورانيوم يُفقد الكثير من النيوترونات الناتجة عن التفاعل وتخرج من سطح كرة اليورانيوم، وبفقد تلك النيوترونات يتوقف التفاعل النووي. لهذا يجب أن يكون معدل توليد النيوترونات داخل الكرة مساوٍ على الأقل لعدد النيوترونات المتسربة إلى الخارج حتى تستمر عمليات الانشطار، وتسمى تلك الحالة الحالة الحرجة. وهنا يأتي دور الكتلة الحرجة التي يمكن تعريفها بالحد الأدنى من كتلة مادة نووية معينة كافية لدوام سلسلات متعاقبة من الانشطارات.

وفي هذا السياق، إذا كان العنصر المستعمل في عملية الانشطار النووي ذو كتلة يتطلب تسليطاً مستمراً بالنيوترونات لتحفيز الانشطار الأولي للنواة فإن هذه الكتلة تسمى بالكتلة دون الحرجة.

وعلى صعيد آخر، إذا كان العنصر المستعمل في عملية الانشطار النووي ذو كتلة قادرة على تحمل سلسلات متعاقبة من الانشطار النووي حتى بدون أي تحفيز خارجي بواسطة تسليط نيوترونات خارجية فيطلق على هذه الحالة الكتلة فوق الحرجة وهي المرحلة المطلوبة لتصنيع القنبلة النووية.

وعلى صعيد آخر، بهدف تحفيز سلسلة عمليات الانشطار النووي في مركز المفاعل النووي، يستعمل ما يسمى بالوقود النووي وهو في الغالب اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239. ومن أجل تسيير التفاعل المتسلسل يحتاج المفاعل أو القنبلة النووية لكمية من اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239 أكبر مما يسمى الكتلة الحرجة. قنبلة اليورانيوم-235 تحتاج إلى نحو 50 كيلوجرام، وقنبلة البلوتونيوم-239 تحتاج إلى كتلة حرجة أكبر من 6 كيلوجرام، فيهما يسير التفاعل المتسلسل بلا توقف ويؤدي للانفجار. أما في المفاعل النووي فإن الوقود النووي يتكون من اليورانيوم الطبيعي المحتوي على 5و3% من اليورانيوم-235 ولهذا يسمى «يورانيوم مخصب». ومن الممكن الحصول على وقود نووي من اليورانيوم الطبيعي المخلوط ببلوتونيوم-239 بنسبة 4% واستخدامها في المفاعل النووي الذي يسير فيه التفاعل بتحكم فلا ينفجر. كمية الوقود النووي التي تستعمل لتوليد الكهرباء تصل ما بين 50 طن إلى 110 طن. يساعد الماء كمهدئ للنيوترونات إلى جانب قضبان امتصاص النيوترونات الزائدة على التحكم في سير التفاعل، فيسير هادئا ببطء ولا ينفجر المفاعل.

وفي هذا السياق، تعتبر كل من أستراليا وكازاخستان وكندا وجنوب أفريقيا والبرازيل وناميبيا من أكبر الدول المصدرة لليورانيوم، ويباع عادة بسعر يتراوح من 80 - 100 دولار للكيلوغرام الواحد وبعد الحصول عليه يتم طحنه وتحويله إلى ما يسمى بالكعكة الصفراء التي يتم تحويلها فيما بعد إلى هيكسافلوريد اليورانيوم ويتم فيما بعد عملية تخصيب اليورانيوم.

المفاعلات المبكرة

من جهة ثانية، وإلى جانب الاستخدامات العسكرية للمفاعلات النووية، كانت هناك أسباب سياسية لاستخدام المدنيين للطاقة الذرية. وألقى الرئيس الأمريكي دوايت آيزنهاور خطابه الشهير «الذرات من أجل السلام» إلى الجمعية العامة للأمم المتحدة في 8 كانون الأول / ديسمبر 1953. وأدت هذه الدبلوماسية إلى نشر تكنولوجيا المفاعلات إلى المؤسسات الأمريكية وفي جميع أنحاء العالم .

كذلك، في العام التالي تلقت حكومة الولايات المتحدة مذكرة فريشش-بيرلز من المملكة المتحدة، التي ذكرت أن كمية اليورانيوم اللازمة لسلسلة من ردود الفعل كانت أقل بكثير مما كان يعتقد سابقا. وكانت المذكرة نتاجا للجنة مود، التي كانت تعمل على مشروع القنبلة الذرية في المملكة المتحدة، والمعروفة باسم سبائك الأنبوبة، في وقت لاحق أن تندرج ضمن مشروع مانهاتن.

ومن جهة أخرى، بعد فترة وجيزة من شيكاغو بايل، طور الجيش الأمريكي عددا من المفاعلات النووية لمشروع مانهاتن ابتداءً من عام 1943. وكان الغرض الرئيسي لأكبر المفاعلات (الموجود في موقع هانفورد في ولاية واشنطن) هو الإنتاج الضخم للبلوتونيوم للأسلحة النووية. قدم فيرمي وسيلارد طلبا للحصول على براءة اختراع على المفاعلات في 19 ديسمبر 1944. وتأخر إصدارها لمدة 10 سنوات بسبب السرية في زمن الحرب.

وفي هذا الصدد، كانت أول محطة للطاقة النووية التي بنيت لأغراض مدنية محطة الطاقة النووية أوبينسك آم-1، التي أطلقت في 27 يونيو 1954 في الاتحاد السوفيتي. أنتجت نحو 5 ميغاواط كهربائية.

إضافةً إلى ذلك، في نهاية المطاف، تم بناء أول مفاعل نووي اصطناعي، شيكاغو بايل -1، في جامعة شيكاغو، من قبل فريق بقيادة إنريكو فيرمي، في أواخر عام 1942. بحلول هذا الوقت، تم الضغط على البرنامج لمدة عام من قبل دخول الولايات المتحدة في الحرب. حقق شيكاغو بايل أهمية حاسمة في 2 ديسمبر 1942 في 3:25 مساء. وكان هيكل دعم المفاعل من الخشب، الذي يدعم كومة (ومن ثم اسم) كتل الجرافيت، جزءا لا يتجزأ من الذي هو أكسيد اليورانيوم الطبيعي «بسيودوسفيرز» أو «قوالب».

من جهة ثانية، تم اكتشاف النيوترون في سنة 1932. وقد أدرك العالم المجري «ليو زيلارد» في عام 1933 مفهوم التفاعل النووي المتسلسل الناجم عن تفاعلات نووية تحدث بين النيوترونات مع أنوية ذرات أنشطارية مثل اليورانيوم لاحقًا بوقت قصير. وقدم براءة اختراع لفكرته عن المفاعل البسيط التالي بينما كان يعمل في الأميرالية في لندن. ومع ذلك، فإن فكرة زيلارد لم تدمج فكرة الانشطار النووي كمصدر نيوتروني، لأن هذه العملية لم تكتشف بعد. أثبتت أفكار زيلارد للمفاعلات النووية باستخدام تفاعلات السلسلة النووية بوساطة النيوترون في العناصر الخفيفة أنها غير قابلة للتطبيق.

إضافةً إلى ذلك، وقد جاء الإلهام لنوع جديد من المفاعلات باستخدام اليورانيوم من اكتشاف ليز مايتنر وفريتز شتراسمان وأوتو هان في سنة 1938 أن قصف اليورانيوم بالنيوترونات (الذي قدمه رد فعل الانصهار ألفا على البريليوم، وهو «هاوتزر النيوترون») أنتج باريوم بقايا، التي كان سببها تم إنشاؤها عن طريق الانشطار من نوى اليورانيوم. وكشفت الدراسات اللاحقة في أوائل عام 1939 (أحدها من قبل زيلارد وفيرمي) أن الكثير من النيوترونات تم إطلاقها كذلك أثناء الانشطار، مما أتاح الفرصة لتفاعل السلسلة النووية التي تصورها زيلارد قبل ست سنوات.

وفي هذا الصدد، «أول محطة للطاقة النووية في العالم» هي المطالبة التي أدلى بها علامات في موقع إبر-I، الذي هو الآن متحف بالقرب من أركو، ايداهو. كان يسمى أصلا «شيكاغو بايل -4»، تم تنفيذه تحت إشراف والتر زين لمختبر أرغون الوطني. هذا لمفر التجريبية التي تديرها لجنة الطاقة الذرية الأمريكية أنتجت 0.8 كيلوواط في اختبار في 20 ديسمبر 1951 و 100 كيلو واط (الكهربائية) في اليوم التالي، وجود تصميم تصميم 200 كيلوواط (الكهربائية).

وعلى صعيد آخر، بعد فترة وجيزة، غزت ألمانيا هتلر بولندا في عام 1939، بدءا من الحرب العالمية الثانية في أوروبا. الولايات المتحدة لم تكن رسميا في حالة حرب، ولكن في تشرين الأول / أكتوبر، عندما تم تسليم رسالة أينشتاين - زيلارد له، وعلق روزفلت أن الغرض من إجراء البحث هو التأكد من «النازيين لا تفجيرنا». وتابع المشروع النووي الأمريكي، على الرغم من بعض التأخير حيث ظلت هناك شكوك (بعضها من فيرمي) وأيضا عمل قليل من عدد قليل من المسؤولين في الحكومة الذين اتهموا في البداية بتحريك المشروع إلى الأمام.

ومن ناحية أخرى، في 2 أغسطس 1939 وقع ألبرت أينشتاين رسالة إلى الرئيس فرانكلين روزفلت (كتبها زيلارد) تشير إلى أن اكتشاف انبعاث اليورانيوم يمكن أن يؤدي إلى تطوير «قنابل قوية جدا من نوع جديد»، مما يعطي دفعة لدراسة المفاعلات والانشطار. كان زيلارد وآينشتاين يعرفان بعضهما البعض بشكل جيد، وقد عملا معا منذ سنوات، لكن أينشتاين لم يفكر مطلقا في هذه الإمكانية للطاقة النووية حتى ذكرت سيلارد له، في بداية سعيه لإنتاج رسالة أينشتاين - زيلارد لتنبيه الحكومة الأمريكية.

مفاعل مبرد بمعدن سائل

ومن جهة أخرى، نظرا لأن الماء يستعمل كمهدئ فهو لا يستعمل كمبرد في المفاعل السريع (أي مفعلات النيوترونات السريعة). المبرد المعدني السائل قد يكون صوديوم، أو مخلوط صوديوم وبوتاسيوم، أو رصاص، أو مخلوط رصاص وبزموث، وقد استعمل سابقا في المفاعلات الابتدائية الزئبق.

مكثف الماء

• برج تبريد (غير مطلوب دائمًا ويمكن التبريد بمياه نهر أو بحر)
• نظام التحكم الوقائي (منع الانفجار)
• بناية الاحتواء
• غرفة المراقبة
• وسائل العمليات المستعجلة

أنتاج عناصر جديدة تحول نووي

في هذا الإطار، إنتاج النظائر المشعة مثل الأمريسيوم للاستخدام في مكشافات الدخان في الجو، وكذلك أنتاج الكوبالت-60، والموليبدنوم-99 وغيرها، حيث تستعمل في التصوير الطبي والعلاج الطبي بالأشعة النووية.

ومن جهة أخرى، مفاعل استنسال باليورانيوم تستطيع إنتاج وقود نووي أكثر مما تستهلكه. ويتم ذلك في مفاعل يورانيوم مخصوص يقوم أثناء عمله بتحويل اليورانيوم U-238 إلى بلوتونيوم Pu-239, أو تحويل الثوريوم Th-232 إلى اليورانيوم U-233. بذلك عند تشغيل مفاعل استنسال يعمل باليورانيوم يمكن تزويده بيورانيوم طبيعي أو يورانيوم منضب (ناتج من عملية التخصيب ويكون فقيرا في اليورانيوم-235 القابل للانشطار بالنيوترونات البطيئة)). كذلك مفاعل استنسال بالثوريوم يمكن تزويده بالثوريوم ؛ إلا أنه يحتاج مبدئيا على وقود نووي قابل للانشطار مثل اليورانيوم المخصب.

أنتاج أسلحة نووية مثل البلوتونيوم

وفي هذا الصدد، مفاعل نووي للأبحاث: هي مفاعلات صغيرة تستعمل لتدريب العاملين وفحص المواد وإنتاج العناصر المشعة التي تستعمل في الطب وفي الصناعة. كذلك يمكن إجراء البحوث العلمية على المواد ودراسة المواد عن طريق ضربها بفيض النيوترونات الناتج في المفاعل وقياس النيوترونات المنعكسة منها أو النيوترونات التي تتخلل العينة ويمكن بالنيوترونات تعيين البنية البلورية للمواد ودراسة خواص المواد المغناطيسية.

ومن جهة أخرى، لإنتاج فيض من النيوترونات مثلا للقيام بـ التحليل الكيميائي النيوتروني، وتقدير العمر بطريقة الكربون-14 (تأريخ بالكربون المشع) وطريقة تقدير العمر بالبوتاسيوم والأرجون (تأريخ الأرجون-أرجون)، ولإنتاج البوزيترونات التي تستغل في البحوث العلمية وفي الطب مثل تصوير مقطعي بالإصدار البوزيتروني)،

وفي هذا السياق، مفاعلات الأبحاث تكون أصغر كثيرًا من مفاعلات القوى أو المفاعلات لمسييرة للسفن أو الغواصات، وكثير من الجامعات يمتلك مفاعل أبحاث صغير للقيام بالبحث العلمي. يوجد في العالم نحو 280 مفاعل نووي للأبحاث العلمية موجودة في 56 دولة. بعض منها يعمل بيورانيوم عالي التخصيب (يصل إلى تخصيب 20% باليورانيوم-235)؛ ولكن توجد مساعي دولية لخفض تخصيبات اليورانيوم المستعملة في مفاعلات البحوث حتى لا تستعمل في استخدامات خطرة تضر بالمجتمع الوطني أو المجتمع الدولي.

مفاعل سريع مبرد بالصوديوم

• تصنيف حسب الاستخدام
• إنتاج الكهرباء
• مفاعل قوى نووي ومن ضمنها وحدات صغيرة
• التحريك، إدارة مراوح
• مفاعل نووي للسفن
• أنواع مقترحة لتسيير صاروخ
• إنتاج الحرارة
• تحلية الماء
• تسخين للأغراض التدفية والأغراض الصناعية
• إنتاج الهيدروجين لتقنية الهيدروجين

وفي السياق ذاته، مفاعل ملح منصهر مفاعل الملح المنصهر: وهي تبرد بواسطة تدوير ملح منصهر فيها، وعادة يكون الملح مخلوط من أملاح الفلور، مثل FLiBe. كما يمكن أن يستعمل مفاعل ملح منصهر سائلا منصهرا يحمل الوقود النووي مذابا فيه.

وفي السياق ذاته، مفاعل مبرد بغاز : وهي مفاعلات تبر عن طريق تمرير غاز خامل خلال وحدات الوقود النووي، ويستعمل غالبا غاز الهيليوم حيث أن تلك المفاعلات تعمل تنتج أعلى درجة حرارة في المفاعلات النووية. كما استعمل عغاز ثاني أكسيد الكربون في السابق في مفاعلات القوي القديمة في إنجلترا وفرنسا. كذلك استعمل النتروجين. ويتم استغلال الحرارة الناتجة بطريقة تعتمد على نوع المفاعل. فبعض المفاعلات تعمل على إنتاج غاز في درجة حرارة عالية جدا بحيث يوجه الغاز نفسه إلى توربين غازي مباشرة. وكانت التصميمات القديمة تمرر الغاز ذو درجة حرارة عالية في مبادل حراري فينتج منه بخار ماء تحت ضغط عالي يقوم بتدوير التوربينات.

مفاعل سريع مبرد بالرصاص مفاعل سريع بتبريد الرصاص

مفاعل مبرد بالماء

وعلى صعيد آخر، من أهم مواصفات مفاعل الماء المضغوط هو خزان الضغط أو خزان المفاعل. أغلب محطات القوي المنتجة للكهرباء والمفاعلات النووية المستعملة لتشغيل السفن البحرية تستعمل خزان الضغط لاحتواء قلب المفاعل. خلال فترة التشغيل يملأ خزان المفاعل جزئيا بالماء ليغمر الوقود النووي ويبقى فوقة حجم من البخار عن طريق تسخين الماء بواسطة سخانات. وأثناء التشغيل يوصل مولد الضغط بغلاية المفاعل (خزان المفاعل) وينظم مول الضغط حجم الماء وحجم البخار في المفاعل. بهذه الطريقة يمكن التحكم في مقدار الضغط داخل خزان المفاعل عن طريق زيادة أو خفض ضغط البخار في الضاغط باستخدام سخان الضاغط.

وفي السياق ذاته، توجد 104 من المفاعلات الشغالة في الولايات المتحدة الأمريكية، من ضمنها 69 مفاعل ماء مضغوط PWR و 35 مفاعل ماء مغلي BWR.

وفي هذا السياق، مفاعل الماء الثقيل المضغوط وهو نوع من أنواع مفاعل الماء المضغوط، تشترك معها في حيازتهما على دورة لنقل الحرارة تحت ضغط ومعزولة، مع استخدامها ماء ثقيل بدلا من الماء العادي كمبرد ومهدئ في نفس الوقت؛ بهذا يرتفع عدد النيوترونات في المفاعل ويزداد التفاعل، لأن الماء الثقيل يهديء سرعة النيوترونات بطريقة أفضل كما أنه يمتص النيوترونات بدرجة أقل من امتصاص الماء العادي لها. نوع من مفاعل الماء الثقيل يستعمل خصيصا لتحويل اليورانيوم-238 إلى بلوتونيوم-239 الذي تصنع منه الأسلحة النووية.

في هذا الإطار، مفاعل الماء المضغوط منه أغلب محطات القوي النووية في العالم الغربي المستعملة في توليد الكهرباء.

مفاعل الماء المضغوط

• مفاعل القدرة لمائي - المائي ڤي ڤي إي آر (VVER)
• مفاعل الحرارة العالية
• مفاعل استنسال سريع
• مفاعل غوندريمنغن
• مفاعل سريع بتبريد الرصاص
• معدل استهلاك
• تفاعل تسلسلي
• تفاعل نووي
• قائمة بمحطات الطاقة النووية
• انشطار نووي
• توكاماك تجربة مفاعل اندماجي
• وقود نووي مستهلك
• محرك انشطاري آمن وميسور
• كيلوباور
• مراجع

التحكم في سير التفاعل

علاوةً على ذلك، يتم ضبط إنتاج الطاقة من المفاعل عن طريق التحكم في عدد النيوترونات القادرة على أن تمتصها الأنوية القابلة للانشطار فتؤدي إلى انشطارها مصحوبة بإنتاج الطاقة. الطاقة النووية الناتجة تتحول من ذاتها إلى طاقة حرارية بسبب تصادم نواتج الانشطار السريعة بجزيئات المهدئ.

من جهة ثانية، وفي المستوى الأول من السيطرة في جميع المفاعلات النووية، تعتبر عملية انبعاث النيوترونات المتأخرة من قبل عدد من نظائر الانشطار الغنية بالنيوترونات عملية هامة. وتمثل هذه النيوترونات المتأخرة قرابة 0.65٪ من مجموع النيوترونات المنتجة في الانشطار، بينما يطلق الباقي (المسمى «النيوترونات السريعة») مع الانشطار. إن منتجات الانشطار التي تنتج النيوترونات المتأخرة لها عمر نصف معين حيث تنحل من نفسها وتنتج نيوترونات سريعة. عمر النصف لتلك المواد وهي من مواد الوقود النووي يتراوح بين ميللي ثانية إلى عدة دقائق، ولذلك يستلزم بعض الوقت لتحديد بالضبط متى يصل المفاعل إلى الحالة الحرجة. إن حفظ المفاعل في منطقة التفاعل المتسلسل حيث تكون النيوترونات المتأخرة ضرورية لتحقيق حالة الكتلة الحرجة تسمح للأجهزة الميكانيكية أو المشغلين البشريين بالتحكم في سلسلة من التفاعلات في الوقت الحقيقي. وإلا فإن الوقت الفاصل بين إنجاز الحرجة والانهيار النووي نتيجة لانتشار القوة الهائل من تفاعل السلسلة النووية العادي، سيكون قصير جدا للسماح بالتدخل. هذه المرحلة الأخيرة، حيث لم تعد هناك حاجة النيوترونات تأخر للحفاظ على الحلة الحرجة، ويعرف باسم النقطة الحرجة السريعة. هناك مقياس لوصف الحرجة في الشكل العددي، حيث تعرف الحرجة العارية باسم الدولار الصفر والنقطة الحرجة الفورية هي دولار واحد، والنقاط الأخرى في عملية محرف في سنتا.

إضافةً إلى ذلك، ولا يمكن في كثير من الأحيان تشغيل المفاعلات المستعملة في الدفع البحري النووي (وخاصة الغواصات النووية) في قوة مستمرة على مدار الساعة بنفس الطريقة التي تعمل بها عادة مفاعلات الطاقة البرية، وعلاوةً على ذلك كثيرًا ما تحتاج إلى أن تكون لها حياة أساسية طويلة جدا دون التزود بالوقود. ولهذا السبب تستعمل الكثير من التصاميم اليورانيوم عالي التخصيب، ولكنها تتضمن سموم النيوترون القابل للاحتراق في قضبان الوقود. ويسمح ذلك بتشييد المفاعل بفائض من المواد الانشطارية التي تكون مع ذلك آمنة نسبيا في وقت مبكر من دورة حرق الوقود في المفاعل من خلال وجود المادة التي تمتص النيوترونات والتي تحل محلها في وقت لاحق سموم النيوترون طويلة العمر المنتجة (أطول بكثير من زنون-135) التي تتراكم تدريجيا على تشغيل حمولة الوقود.

من جانب آخر، في بعض المفاعلات، يعمل المبرد كذلك كمهدئ للسرعات النيوترونات، وتصبح نيوترونات حرارية، أي نيوترونات بطيئة. النيوترونات الحرارية هي أكثر عرضة من النيوترونات السريعة للتسبب في انشطار أنوية اليورانيوم-235 (أو البلوتونيوم-239). إذا كان المبرد هو المهدئ، فإن التغييرات في درجة الحرارة تؤثر على كثافة المبرد/ المهدئ وبالتالي تغيير إنتاج الطاقة. وسيكون المبرد العالي درجة الحرارة أقل كثافة، وبالتالي مهدئاً أقل فعالية، ولكن يتم التغلب على ذلك بواسطة قضبان التحكم.

وفي هذا الصدد، في المفاعلات الأخرى يعمل المبرد كسم من خلال امتصاص جزء من النيوترونات بنفس الطريقة التي تقوم بها قضبان التحكم. في هذه المفاعلات يمكن زيادة إنتاج الطاقة عن طريق تسخين المبرد، مما يجعله تأثيره كسم أقل كثافة. ولدى المفاعلات النووية عموما أنظمة تلقائية ودليلية للتحكم في تشغيل المفاعل في حالة الطوارئ. هذه الأنظمة تدخل كميات كبيرة من السم (غالبا البورون في شكل حمض البوريك) في المفاعل لإيقاف تفاعل الانشطار إذا مالت الظروف إلى ظرف غير آمن أو ظرف غير متوقع.

علاوةً على ذلك، أغلب أنواع المفاعلات حساسة لعملية تعرف باسم تسمم الزينون، أو حفرة اليود. المنتج الانشطار المشترك زينون-135 المنتجة في عملية الانشطار بمثابة سم النيوترونات التي تمتص النيوترونات وبالتالي تميل إلى إيقاف المفاعل إلى أسفل. ويمكن السيطرة على تراكم زينون 135 من خلال الحفاظ على مستويات الطاقة عالية بما فيه الكفاية لتدميره عن طريق امتصاص النيوترون بأسرع ما يتم إنتاجه. وينتج الانشطار كذلك اليود 135، الذي بدوره يتحلل (مع نصف عمر 6.57 ساعة) إلى زينون 135 الجديدة. عندما يتم إيقاف المفاعل، يستمر اليود 135 في التحلل إلى زينون-135، مما يجعل إعادة تشغيل المفاعل أكثر صعوبة لمدة يوم أو يومين، حيث يتحلل الزينون 135 إلى السيزيوم -135، وهو ليس ساما على وجه التقريب مثل الزينون- 135، مع نصف عمر 9.2 ساعة. هذه الحالة المؤقتة هي «حفرة اليود». إذا كان لدى المفاعل قدرة تفاعل إضافية كافية، فيمكن إعادة تشغيله. كما يتم تحويل زينون-135 إضافية إلى زينون-136، وهو أقل بكثير من السم النيوترون، في غضون ساعات قليلة المفاعل تجربة «عابرة زينون (الطاقة) عابرة». قضبان التحكم يجب أن تضاف إلى استبدال امتصاص النيوترون من المفقودين زينون-135. وكان عدم اتباع هذا الإجراء على النحو الصحيح خطوة رئيسية في كارثة تشيرنوبيل.

كذلك، وتستعمل قضبان التحكم المصنوعة من الكادميوم - وهو مادة تمتص النيوترونات بشدة - فتمتص جزءا من عدد النيوترونات الكبير، وتخفضه إلى حد سير منتظم للتفاعل وهادئ. امتصاص المزيد من النيوترونات في قضيب التحكم (بحسب مدى دخوله في قلب المفاعل أو إخراجه) يعني أن هناك نيوترونات أقل قابلة لتسبب التفاعل وانشطار أنوية الوقود النووي. لذلك دفع قضيب التحكم أعمق في المفاعل سوف يقلل من إنتاج الطاقة، واستخراج قضيب التحكم تدريجيا تزيد من سير التفاعل.

حوض تخزين الوقود المستهلك

من جانب آخر، كومة الوقود النووي أو قلب المفاعل وهو الجزء الذي يحتوي على وحدات الوقود النووي ويتم فيه التفاعل المتسلسل المميز للانشطار النووي، ويتخلله المهدئ كالماء مثلا.

في هذا الإطار، حاوية الضغط (خزان المفاعل، انظر الشكل) تحيط بقلب المفاعل والماء، مصنوعة من الحديد الصلب ذات جدران سميكة (نحو 12 سم)، للاحتفاظ بضغط البخار عاليا، ولمنع تسرب الإشعاعات الناتجة من الانشطار النووي إلى الخارج والوقاية منها. يخرج بخار الماء بضغط يبلغ 400 ضغطا جويا وتكون درجة حرارته نحو 450 درجة مئوية في أنابيب واسعة سميكة من حاوية المفاعل (الغلاية)، وهي تسمى أحيانا خزان الضغط للمفاعل .

وفي هذا الصدد، السائل المهدئ ويستعمل الماء عادة لخفض سرعة النيوترونات وبالتالي ينشط معدل التفاعل بين النيوترونات وأنوية الوقود النووي فيحدث الانشطار النووي. الانشطار النووي يكون مصحوبا بانتشار بين 2 إلى 3 نيوترونات جديدة وطاقة - وتستطيع تلك النيوترونات التفاعل مع أنوية أخرى من الوقود النووي وتحدث انشطارها، وهكذا ولذلك سمي هذا التفاعل بالتفاعل المتسلسل. المهدئ يحمل حرارة التفاعل الناتجة التفاعل النووي ويسخن المهدئ الذي هو الماء وينتج بخارا عاليا الضغط، يستغل في تشغيل التوربين.

مولد كهربائي عملاق يديره التوربين ويولد التيار الكهربائي.

يتكون المفاعل النووي من الأجزاء التالية:

كذلك، بذلك تتحول الطاقة النووية إلى طاقة حرارية ثم إلى طاقة حركة للتوربين والمولد الكهربائي الذي يحولها إلى طاقة كهربائية لتشغيل المصانع وإنارة المنازل.

إضافةً إلى ذلك، مبادلات حرارية يأتي البخار عالى الضغط من المفاعل إلى المبادلات لفصل دائرتي الماء: الدائرة الأولية للماء الذي يلف في المفاعل ويلامس الوقود النووي، وهذه تكون عالية الإشعاع نظرا لتلامسها مع الوقود النووي. لذلك تُفصل عن الدائرة الثانوية للماء الساخن المضغوط عن طريق المبدل الحراري. بالتالي يسخن الماء في الدائرة الثانوية عند مغادرته المبادل الحراري ويتحول إلى بخار ماء عالي الضغط والحرارة ويوجه في أنابيب شديدة التحمل إلى توربين لتوليد الكهرباء.

المشاكل وتدوير المواد النووية

في هذا الإطار، المشكلة الكبرى تكمن في كيفية التخلص من المخلفات النووية الناتجة في المفاعلات النووية نظرا لشدة الإشعاعات المؤينة النفاذة الضارة التي تنتج منها. وعادة تخزن وحدات وقود اليورانيوم المستهلك في احواض مائية كبيرة لمدة عشرات السنين لغرض تخفيض إشعاعها النووي إلى حد يسهل معاملتها صناعيا وكيماويا فيما بعد ؛ فالمواد المشعة ينخفض شدة إشعاعها ذاتيا مع الوقت حيث لها خاصية التحلل الإشعاعي وتوصف المواد المشعة بأن لها عمر النصف. يمكن اختيار طريقة من بين طريقتين لمعاملتها: أما تجهيزها وتغليفها بأغلفة سميكة من الخرسانة والفولاذ بمعزل عنها استعدادا لدفنها في الطبقات الجيولوجية العميقة (على عمق 800 إلى 1000 متر) تحت الأرض بعيدا عن السكان؛ وهذا ما يصلح مع النفايات المشعة المتوسطة الإشعاع والضعيفة الإشعاع، أما النفايات المشعة الشديدة الإشعاع فيتم تغليفها في أسطوانات سميكة من الفولاذ (سمك 40 سنتيمتر) قبل دفنها في الطبقات الجيولوجية العميقة. أو الطريقة الأخرى وتتضمن معالجة اليورانيوم المستهلك كيميائيا لفصل البلوتونيوم-239 عن النفايات المشعة (يتكون البلوتونيوم-239 القابل للانشطار في مفاعل اليورانيوم أثناء التشغيل، يستنفذ منه جزء أثناء تشغيل المفاعل ويتبقى جزء آخر يمكن فصله وإعادة استخدامه كوقود نووي). تتم عملية فصل البلوتونيوم-239 عن النفايات كيميائيا بواسطة روبوتات والتحكم فيها عن بعد. لاحقًا يمكن استغلال البلوتونيوم-239 في تصنيع كبسولات جديدة بخلطه بيورانيوم طبيعي فيمكن إعادة استخدامها في المفاعل لتوليد الطاقة الكهربائية؛ إذ أن البلوتونيوم-239 له نفس الخواص النووية التي يتميز بها اليورانيوم-235 ويصلح لإنتاج الطاقة الكهربائية. أما النفايات المتبقية من المعاملة الكيميائية فهي تكون شديدة الإشعاع فيمكن التخلص منها أولا بخلطها بمسحوق الزجاج ثم صهر المخلوط فتصبح النفايات محتجزة في الزجاج الذي يـُصب في أوعية أسطوانية من الحديد الصلب. الطريقة الفرنسية هو صب هذا الزجاج الحاوي للنفايات الشديدة الإشعاع في أسطوانات من الفولاذ ارتفاعها 120 سم وقطرها 40 سم. هذه الأسطوانات تكون مرتفعة الحرارة كذلك (نحو 300 درجة مئوية) إلى جانب الإشعاعات الشديدة الصادرة منها. وتخزن تلك الأسطوانات شديدة الإشعاع إلى حين بناء المطرح النهائي للتخلص منها تحت الأرض في الطبقات الجيولوجية العميقة. والمهم في الطريقة الثانية لمعالجة اليورانيوم المستهلك أنها طريقة لتدوير المواد النووية لإعادة استخدام البلوتونيوم الذي يمكن الاستفادة منه (تدويره) من خلال العملية الكيميائية لفصله عن النفايات المشعة التي لا يمكن الاستفادة منها. وقد اختارت أنجلترا وفرنسا هذا الطريق لما له من فائدة نحو تدوير المواد النووية وإعادة استخدامها. وتقوم كل من إنجلترا في سيلافيلد Sellafield وفرنسا في لاهاج La Hague بتدوير المواد النووية المستهلكة الناتجة من تشغيل مفاعلاتهم، كما تقومان بتدوير الوقود النووي المستهلك لبعض البلاد مثل اليابان وألمانيا وسويسرا وبلجيكا. العقود الفرنسية والإنجليزية مع تلك البلاد تقضي برد جميع النفايات المشعة بعد العملية الكيميائية إلى بلدها الأصلي، وبالطبع كمية البلوتونيوم-239 الناتجة كذلك. وتقوم السلطات الحكومية برصد كل ما يرسل من مواد مشعة إلى فرنسا وإنجلترا ثم رصد جميع المواد المردودة منها؛ حتى يضمنوا أن كمية المواد المرودة إليهم لا تزيد عن الكميات التي أرسلوها بغرض تدويرها.

توليد الطاقة الكهربائية

في هذا الإطار، وتولد الطاقة المنبعثة في عملية الانشطار حرارة، ويمكن تحويل بعضها إلى طاقة قابلة للاستعمال. وهناك طريقة مشتركة لتسخير هذه الطاقة الحرارية هي استخدامه لغلي الماء لإنتاج البخار المضغوط الذي سيؤدي فيما بعد إلى دفع توربين بخاري يحول المولد ويولد الكهرباء.

مؤتمر اليورانيوم يضيف نقاشاً حول حادثة اليابان

معهد الطاقة النووية — كيف يعمل: توليد الطاقة الكهربائية

نقاش: هل تمثل الطاقة النووية حلاً للاحتباس الحراري؟

مهدئ النيوترون

• ذراع تحكم (تمتص النيوترونات)
• غلاية (خزان المفاعل)
• عنفة بخارية
• مولد كهربائي