يعتمد الجهاز ومبدأ تشغيل المفاعل النووي على التهيئة والتحكم في تفاعل نووي مستدام ذاتيًا. يتم استخدامه كأداة بحث لإنتاج النظائر المشعة وكمصدر للطاقة لمحطات الطاقة النووية.
المفاعل النووي: كيف يعمل (باختصار)
هنا ، يتم استخدام عملية الانشطار النووي ، حيث تنقسم النواة الثقيلة إلى جزأين أصغر. هذه الشظايا في حالة شديدة الإثارة وتصدر نيوترونات وجزيئات دون ذرية وفوتونات أخرى. يمكن للنيوترونات أن تسبب انشقاقات جديدة ، ونتيجة لذلك تنبعث المزيد من النيوترونات ، وهكذا. تسمى هذه السلسلة المستمرة من الانقسامات المستمرة بالتفاعل المتسلسل. في نفس الوقت ، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة ، يكون إنتاجها لغرض استخدام محطات الطاقة النووية.
مبدأ تشغيل المفاعل النووي ومحطة الطاقة النووية هو أنه يتم إطلاق حوالي 85٪ من الطاقة الانشطارية في غضون فترة زمنية قصيرة جدًا بعد بدء التفاعل. يتم إنتاج الباقي فينتيجة التحلل الإشعاعي لنواتج الانشطار بعد انبعاثها للنيوترونات. التحلل الإشعاعي هو العملية التي تصل بها الذرة إلى حالة أكثر استقرارًا. يستمر حتى بعد اكتمال القسمة
في القنبلة الذرية ، تزداد حدة التفاعل المتسلسل حتى تنقسم معظم المواد. يحدث هذا بسرعة كبيرة ، مما ينتج عنه انفجارات شديدة القوة من سمات هذه القنابل. يعتمد الجهاز ومبدأ تشغيل المفاعل النووي على الحفاظ على تفاعل متسلسل عند مستوى ثابت ومحكم تقريبًا. إنه مصمم بطريقة لا تنفجر مثل القنبلة الذرية.
رد فعل متسلسل وحرجية
فيزياء مفاعل الانشطار النووي هي أن التفاعل المتسلسل يتحدد باحتمالية الانشطار النووي بعد انبعاث النيوترونات. إذا انخفض عدد سكان هذا الأخير ، فإن معدل الانشطار سينخفض في النهاية إلى الصفر. في هذه الحالة ، سيكون المفاعل في حالة دون حرجة. إذا تم الحفاظ على عدد النيوترونات عند مستوى ثابت ، فإن معدل الانشطار سيظل ثابتًا. سيكون المفاعل في حالة حرجة. وأخيرًا ، إذا نما عدد النيوترونات بمرور الوقت ، فإن معدل الانشطار والطاقة سيزدادان. ستصبح النواة فوق الحرجة.
مبدأ تشغيل المفاعل النووي على النحو التالي. قبل إطلاقه ، كان عدد النيوترونات قريبًا من الصفر. يقوم المشغلون بعد ذلك بإزالة قضبان التحكم من القلب ، مما يؤدي إلى زيادة الانشطار النووي ، والذي يترجم مؤقتًامفاعل إلى حالة فوق الحرجة. بعد الوصول إلى القدرة الاسمية ، يعيد المشغلون قضبان التحكم جزئيًا ، ويعدلون عدد النيوترونات. في المستقبل ، يتم الحفاظ على المفاعل في حالة حرجة. عندما يحتاج الأمر إلى التوقف ، يقوم المشغلون بإدخال القضبان بالكامل. هذا يمنع الانشطار ويجلب النواة إلى حالة دون حرجة.
أنواع المفاعلات
تعمل معظم المنشآت النووية في العالم على توليد الطاقة ، وتوليد الحرارة اللازمة لتشغيل التوربينات التي تشغل مولدات الطاقة الكهربائية. هناك أيضًا العديد من المفاعلات البحثية ، وبعض الدول لديها غواصات تعمل بالطاقة النووية أو سفن سطحية.
محطات توليد الكهرباء
هناك عدة أنواع من المفاعلات من هذا النوع ، لكن تصميم الماء الخفيف وجد تطبيقًا واسعًا. في المقابل ، يمكنها استخدام الماء المضغوط أو الماء المغلي. في الحالة الأولى ، يتم تسخين السائل تحت ضغط مرتفع بواسطة حرارة القلب ويدخل إلى مولد البخار. هناك ، يتم نقل الحرارة من الدائرة الأولية إلى الدائرة الثانوية ، والتي تحتوي أيضًا على الماء. يعمل البخار المتولد في النهاية كسائل عامل في دورة التوربينات البخارية.
يعمل مفاعل الغليان على مبدأ دورة الطاقة المباشرة. الماء ، الذي يمر عبر المنطقة النشطة ، يغلي عند مستوى ضغط متوسط. يمر البخار المشبع عبر سلسلة من الفواصل والمجففات الموجودة في وعاء المفاعل ، والتي تنقله إلىحالة شديدة الحرارة. ثم يتم استخدام بخار الماء المحمص كسائل عامل لتشغيل التوربينات.
درجة حرارة عالية تبريد الغاز
المفاعل المبرد بالغاز ذو درجة الحرارة العالية (HTGR) هو مفاعل نووي يعتمد مبدأ تشغيله على استخدام مزيج من الجرافيت وكريات الوقود الدقيقة كوقود. يوجد تصميمان متنافسان:
- نظام "حشو" ألماني يستخدم خلايا وقود كروية بقطر 60 مم ، وهي مزيج من الجرافيت والوقود في غلاف من الجرافيت ؛
- نسخة أمريكية على شكل موشورات جرافيت سداسية تتشابك لتشكل منطقة نشطة.
في كلتا الحالتين ، يتكون المبرد من الهيليوم عند ضغط حوالي 100 ضغط جوي. في النظام الألماني ، يمر الهيليوم عبر فجوات في طبقة عناصر الوقود الكروية ، وفي النظام الأمريكي ، من خلال ثقوب في موشورات الجرافيت الواقعة على طول محور المنطقة المركزية للمفاعل. يمكن أن يعمل كلا الخيارين في درجات حرارة عالية جدًا ، حيث يحتوي الجرافيت على درجة حرارة تسامي عالية للغاية ، في حين أن الهيليوم خامل كيميائيًا تمامًا. يمكن استخدام الهيليوم الساخن مباشرة كسائل عامل في التوربينات الغازية عند درجة حرارة عالية ، أو يمكن استخدام حرارتها لتوليد بخار دورة المياه.
المفاعل النووي المعدني السائل: مخطط ومبدأ التشغيل
حظيت المفاعلات النيوترونية السريعة مع مبرد الصوديوم باهتمام كبير في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي. ثميبدو أن قدرتها على إعادة إنتاج الوقود النووي في المستقبل القريب كانت ضرورية لإنتاج الوقود للصناعة النووية سريعة التطور. عندما اتضح في الثمانينيات أن هذا التوقع غير واقعي ، تلاشى الحماس. ومع ذلك ، فقد تم بناء عدد من المفاعلات من هذا النوع في الولايات المتحدة الأمريكية وروسيا وفرنسا وبريطانيا العظمى واليابان وألمانيا. يعمل معظمهم على ثاني أكسيد اليورانيوم أو خليطه مع ثاني أكسيد البلوتونيوم. لكن في الولايات المتحدة ، كان النجاح الأكبر هو الوقود المعدني.
CANDU
ركزت كندا جهودها على المفاعلات التي تستخدم اليورانيوم الطبيعي. وهذا يلغي الحاجة إلى إثرائها للجوء إلى خدمات الدول الأخرى. كانت نتيجة هذه السياسة مفاعل الديوتيريوم واليورانيوم (كاندو). يتم التحكم والتبريد فيه بواسطة الماء الثقيل. إن الجهاز ومبدأ تشغيل المفاعل النووي هو استخدام خزان بارد D2O عند الضغط الجوي. القلب مثقوب بأنابيب مصنوعة من سبيكة الزركونيوم بوقود اليورانيوم الطبيعي ، والتي من خلالها يبرد الماء الثقيل. يتم إنتاج الكهرباء عن طريق تحويل حرارة الانشطار في الماء الثقيل إلى سائل تبريد يتم تدويره عبر مولد البخار. ثم يمر البخار في الدائرة الثانوية خلال دورة التوربينات العادية.
منشآت بحثية
للبحث العلمي ، غالبًا ما يستخدم المفاعل النووي ، مبدأه هو استخدام التبريد المائي وعناصر وقود اليورانيوم الرقائقي على شكل تجمعات. قادرة على العمل على نطاق واسع من مستويات الطاقة ، من بضعة كيلووات إلى مئات الميجاوات. نظرًا لأن توليد الطاقة ليس المهمة الرئيسية لمفاعلات البحث ، فهي تتميز بالطاقة الحرارية المتولدة والكثافة والطاقة الاسمية للنيوترونات في اللب. هذه المعلمات هي التي تساعد في تحديد قدرة مفاعل البحث على إجراء مسوحات محددة. عادةً ما تُستخدم الأنظمة منخفضة الطاقة في الجامعات لأغراض التدريس ، في حين أن الأنظمة عالية الطاقة مطلوبة في مختبرات البحث والتطوير لاختبار المواد والأداء والأبحاث العامة.
المفاعل النووي البحثي الأكثر شيوعًا ، هيكل ومبدأ تشغيله على النحو التالي. تقع منطقته النشطة في قاع بركة كبيرة عميقة من المياه. هذا يبسط مراقبة ووضع القنوات التي يمكن من خلالها توجيه الحزم النيوترونية. في مستويات الطاقة المنخفضة ، ليست هناك حاجة لنزيف المبرد ، حيث يوفر الحمل الحراري الطبيعي لسائل التبريد تبديدًا كافيًا للحرارة للحفاظ على حالة تشغيل آمنة. يوجد المبادل الحراري عادة على السطح أو أعلى البركة حيث يتراكم الماء الساخن.
منشآت السفن
الاستخدام الأصلي والرئيسي للمفاعلات النووية في الغواصات. ميزتهم الرئيسية هيأنها ، على عكس أنظمة احتراق الوقود الأحفوري ، لا تتطلب الهواء لتوليد الكهرباء. لذلك ، يمكن أن تظل الغواصة النووية مغمورة لفترات طويلة من الزمن ، في حين أن الغواصة التقليدية التي تعمل بالديزل والكهرباء يجب أن ترتفع بشكل دوري إلى السطح لبدء تشغيل محركاتها في الهواء. تمنح الطاقة النووية ميزة إستراتيجية لسفن البحرية. يلغي الحاجة للتزود بالوقود في الموانئ الأجنبية أو من الناقلات المعرضة للخطر.
مبدأ تشغيل مفاعل نووي على غواصة مصنف. ومع ذلك ، فمن المعروف أنه في الولايات المتحدة الأمريكية يستخدم اليورانيوم عالي التخصيب ، ويتم التباطؤ والتبريد بالماء الخفيف. تأثر تصميم المفاعل الأول للغواصة النووية USS Nautilus بشدة بمرافق البحث القوية. وتتمثل ميزاته الفريدة في هامش تفاعل كبير للغاية ، مما يضمن فترة طويلة من التشغيل دون إعادة التزود بالوقود والقدرة على إعادة التشغيل بعد التوقف. يجب أن تكون محطة الطاقة في الغواصات هادئة جدًا لتجنب الكشف عنها. لتلبية الاحتياجات المحددة لفئات مختلفة من الغواصات ، تم إنشاء نماذج مختلفة من محطات توليد الطاقة.
تستخدم حاملات الطائرات التابعة للبحرية الأمريكية مفاعلًا نوويًا ، يُعتقد أن مبدأه مستعار من أكبر الغواصات. كما لم يتم الكشف عن تفاصيل تصميمهم.
بالإضافة إلى الولايات المتحدة ، تمتلك المملكة المتحدة وفرنسا وروسيا والصين والهند غواصات نووية. في كل حالة ، لم يتم الكشف عن التصميم ، لكن يُعتقد أنهم جميعًا متشابهون جدًا - هذاهي نتيجة لنفس المتطلبات لخصائصها التقنية. تمتلك روسيا أيضًا أسطولًا صغيرًا من كاسحات الجليد التي تعمل بالطاقة النووية والتي لها نفس المفاعلات مثل الغواصات السوفيتية.
المنشآت الصناعية
لإنتاج البلوتونيوم 239 المستخدم في صنع الأسلحة ، يتم استخدام مفاعل نووي ، مبدأه هو الإنتاجية العالية مع انخفاض مستوى إنتاج الطاقة. هذا يرجع إلى حقيقة أن البقاء لفترة طويلة من البلوتونيوم في القلب يؤدي إلى تراكم غير المرغوب فيه240Pu.
إنتاج التريتيوم
حاليًا ، المادة الرئيسية التي تنتجها هذه الأنظمة هي التريتيوم (3H أو T) ، شحنة القنابل الهيدروجينية. يتمتع البلوتونيوم 239 بعمر نصفي طويل يبلغ 24100 سنة ، لذلك فإن البلدان التي لديها ترسانات أسلحة نووية تستخدم هذا العنصر تميل إلى امتلاك أكثر مما تحتاجه. على عكس239Pu ، يبلغ نصف عمر التريتيوم حوالي 12 عامًا. وبالتالي ، من أجل الحفاظ على الإمدادات الضرورية ، يجب إنتاج هذا النظير المشع للهيدروجين بشكل مستمر. في الولايات المتحدة ، يوجد في نهر سافانا بولاية ساوث كارولينا ، على سبيل المثال ، العديد من مفاعلات الماء الثقيل التي تنتج التريتيوم.
وحدات الطاقة العائمة
تم إنشاء مفاعلات نووية يمكنها توفير الكهرباء والتدفئة بالبخار للمناطق النائية المعزولة. في روسيا ، على سبيل المثال ، وجدت التطبيقمحطات طاقة صغيرة مصممة خصيصًا لخدمة مجتمعات القطب الشمالي. في الصين ، تزود محطة HTR-10 بقدرة 10 ميجاوات الحرارة والطاقة لمعهد الأبحاث حيث يوجد. يتم تطوير مفاعلات صغيرة يتم التحكم فيها ذات قدرات مماثلة في السويد وكندا. بين عامي 1960 و 1972 ، استخدم الجيش الأمريكي مفاعلات مائية مدمجة لتشغيل القواعد البعيدة في جرينلاند وأنتاركتيكا. تم استبدالها بمحطات الطاقة التي تعمل بالزيت.
استكشاف الفضاء
بالإضافة إلى ذلك ، تم تطوير مفاعلات لتزويد الطاقة والحركة في الفضاء الخارجي. بين عامي 1967 و 1988 ، قام الاتحاد السوفيتي بتركيب منشآت نووية صغيرة على أقمار كوزموس لتزويد المعدات بالطاقة والقياس عن بعد ، لكن هذه السياسة أصبحت هدفاً للنقد. دخل واحد على الأقل من هذه الأقمار الصناعية إلى الغلاف الجوي للأرض ، مما أدى إلى تلوث إشعاعي للمناطق النائية في كندا. أطلقت الولايات المتحدة قمرًا صناعيًا واحدًا يعمل بالطاقة النووية في عام 1965. ومع ذلك ، يستمر تطوير المشاريع لاستخدامها في رحلات الفضاء السحيقة ، والاستكشاف المأهول للكواكب الأخرى ، أو على قاعدة قمرية دائمة. سيكون بالضرورة مفاعلًا نوويًا مبردًا بالغاز أو بمعدن سائل ، وستوفر مبادئه الفيزيائية أعلى درجة حرارة ممكنة ضرورية لتقليل حجم المبرد. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون المفاعل الفضائي مضغوطًا قدر الإمكان لتقليل كمية المواد المستخدمة فيهالتدريع ، ولتقليل الوزن أثناء الإطلاق ورحلات الفضاء. سيضمن احتياطي الوقود تشغيل المفاعل طوال فترة الرحلة الفضائية.
