المفاعلات النووية

مفاعل الماء الثقيل
HWR

يستعمل الماء الثقيل هنا كمهدئ أو كمبرد أو كلاهما ،لأن الماء الثقيل يمتص عدد أقل من النترونات فيما لو كان الماء اعتيادي ، وبسبب هذا الامتصاص الأقل وبسبب أن الماء الثقيل الى حد ما أقل تهدئة من ناحية التأثير فانه من الملا ئم والمفيد أن تكون هناك مسافة أوسع بين حزم الوقود عما كانت عليه في (CANDO) ،هذا يقود الى امكانية وجود قنوات وقود سمكها بسمك حزمة واحدة ومبردة بصورة منفردة مع احاطة القنوات بمهدئ من الماء الثقيل.

هذه المفاعلات تستخدم الماء المضغوط في منظومة التبريد الابتدائي ويحتمل أن يكون المبرد هو الماء الثقيل نفسه لهذه المفاعلات نوعين من ناحية التصميم والتصنيع :

1-CANDO : مطروح من قبل هيئة الطاقة الذرية الكندية ،(CANDO) تعني مفاعل(يورانيوم- دتيريوم) الكندي .

2- مفاعل الماء الثقيل المولد للبخار SGHWR (بريطاني)

الأولى تستعمل الماء الثقيل كمهدئ ومبرد ومن الممكن أن يستعمل موائع أخرى مبردة ويأخذ بعين الاعتبار نوعين من الموائع :

الماء الاعتيادي حيث أنه أقل كلفة من الماء الثقيل والمائع العضوي الذي يمكن أن يعمل على درجات حرارية أعلى لتحسين الكفاءة الحرارية لمحطة القدرة .

الثانية تستعمل الماء الاعتيادي كمبرد في أنابيب الضغط العمودية ، مغمورة في الماء الثقيل الذي يعمل كمهدئ حيث يسمح لغليان المبرد.

منظومة مفاعل الماء الثقيل الأساسية:

في كلا نموذجي المفاعل المذكور يكون مشبك قنوات الوقود مغمورا"في حوض الماء الثقيل المستعمل كمهدئ يمر عبر القنوات ،والوقود للمفاعل CANDO مماثل لوقود (LWR) في أنه مصنع من اسطوانات صغيرة (PELLETS)من UO2 المحفوظة في انابيب من الزركولوي (غطاء الوقود) حيث أن مفاعل الكاندو ذا القدرة 600 MW يحتاج 4500 حزمة وقود فيها حوالي 100 طن من UO2 حيث في CANDO فان قضبان الوقود تحتوي فقط على التكرير الطبيعي لعنصر 235 U .

تكون قضبان الوقود مرتبة بشكل حزم وبطريقة أصغر وأبسط مما هي عليه في و ليس لهذه الحزم قطع غيار لغرض صيانة القلب وانما تتم عملية الصيانة بواسطة قنوات الوقود (حوالي 15حزمة لكل يوم اشتغال للمفاعل )وهذه العملية لها فائدة من حيث أنه لا توجد ضرورة لاطفاء المفاعل عند تحميل الوقود والمردود الأكثر أهمية لاستخدام HWR توفر مادة ماصة بقلة للنترونات أثناء اشتغال المفاعل لعدم وجود اختلافات كبيرة في احتراق الوقود وتكوين السموم الحاصلة من نواتج الانشطار أثناء دورة الوقود.

كل قناة وقود عبارة عن صف من حزم الوقود المرتبة الواحدة تلو الاخرى حيث قنوات الوقود هذه تمر بصورة افقية خلال مشبك من الانابيب التي هي جزءمن الكالندريا التي تحتوي على المهدئ ، هذا المهدئ يكون محفوظا تحت صغط جوي واحد تقريبا وذلك للاستغناء عن تصنيع وعاء ضغط كبير لمنظومة المفاعل .

الكالندريا هي اسطوانة ذات حجم معقول قطرها حوالي 25قدم (7.6m) وطولها (7.6m) جدرانها مصنوعة من الفولاذ غير القابل للصدأ بسماكة (2.5cm) و النهايات بسماكة (5cm) أما الانابيب فهي مصنوعة من الزركولي

وأيضا المهدئ المتواجد في الكالندريا له منظومته الخاصة للتبريد (مضختينو مبادلين حرارين) للحفاظ على درجته (70c) و يكون السرداب الحاوي على الكالندريا مملوء بالماء أثناء عمل المفاعل . انابيب الضغط المنفردة يمكن ان تفتح اثناء عمل المفاعل لغرض اعادة تحميل ، صنعت هذه الانابيب من سبيكة الزركونيوم ويوجد بين انبوبة الضغط وانبوبة الكالندريا المحيطة بها حيز يحتوي على غاز .

يكون الماء الثقيل كمبرد محفوظ تحت ضغط يبلغ حوالي (10mp) ودرجة حرارته في انابيب الضغط حوالي( 310c)

اما المائع المبرد الثانوي هو الماء الخفيف كما في اي محطة نووية مجارية ، والكفاءة الكلية ل CANDU

تبلغ %29 وهي اقل من معظم محطات القدرة البخارية .

السيطرة على المفاعل (reactivity) تتم باستخدام بضع منظومات متضمنة ماصات السيطرة لمنطقة الماء الخفيف ، قضبان المص الصلبة و السموم المضافة الى المهدئ في CANDU التجاري تتم السيطرة الرتيبة بواسطة منطقةالممتصات (zone absorber) التي تتكون من حجيرات في القلب فيها الماء الخفيف كممتص للنترون والذي يمكن ان يوضع موضع الاستعمال ، و يمكن استخدام قضبان السيطرة الميكانيكية (الكادميوم) والتي يمكن اسقاطها بتأثير الجاذبية .

المنظومات المساعدة :

منظومة كيمياء وسيطرة الحجم والتبريد عند اطفاء المفاعل مماثلة لمنظومات (PWR) ما عدا الاختلافات المطلوبة لحالة فصل المبرد عن المهدئ .

منظومة تنظيف المهدئ تقوم بالسيطرة على الشوائب وتتضمن القابلية على ازالة البورون و الكادميوم وسموم النترونات .

منظومة تنقية المبرد تأخذ الجريان من مخرج المضخة الاولى وترجعه الى مدخل المضخة حيث تستعمل للتصفية والمبادل الايوني لازالة الشوائب ، وبسبب الكلفة الباهظة للماء الثقيل100 دولار لكل واحد كيلو غرام

فان بناية المفاعل تحتوي على منظومات للجمع و التنقية والمحافظة على نقاوة الماء الثقيل



منظومات السلامة :

في حالات الطوارىء هناك رد فعل اسقاط قضبان السيطرة تحت تأثير الجاذبية و في الحالات التي لا يمكن إيلاج هذه القضبان فإن مفاعلات الكاندو المبكرة الصنع تمتلك وسيلة لتصريف المهدىء أما المفاعلات الحديثة فقد عوض عن ذلك بمنظومة ضخ سريع للكادميوم إلى داخل المهدىء

وفي حالة حدوث تشقق في منظومة تبريد المفاعل فان الصمامات تنغلق لعزل المنظومة السليمة ، والماء الخفيف في حوض الخزن يتم ضخه الى المنظومة المتشققة

النترونية _ استخدام الوقود _ اشتغال المفاعل :

تمتاز مفاعلات الكاندو بميزة اعادة تحميل الوقود اثناء اشتغال المفاعل و بصورة تقريبية ينتج 2.1 نترون بعد امتصاص نترون واحد من قبل مادة انشطارية ويكون مصيرها :

0.79 تقتنص من قبل المادة الخصبة مؤدية الى انتاج مادة قابلة للانشطار .

0.02 يمتص من قبل الماء الثقيل .

0.22 يمتص من قبل المواد الداخلة في تركيب القلب ونواتج الانشطار.

0.06 يمتص من قبل مواد اخرى متضمنا سموميات السيطرة .

0.04 تفقد بسبب التسرب .
المفاعلات الحرارية المبردة بالغاز


HTGRيعتبر الكربون كمهدئ بديل للهدروجين في المفاعل الحراري ، وتتطلب النيترونات اصطدامات أكثر لتبطئها عند استخدام الكربون كمهدئ عوضاً عن الهيدروجين ( الماء ) . وهذا يعني أن الكربون يمتص قسماً أصغر من النيترون مقارنة بالماء ، وإن تصميم المفاعل الذي يحتوي على كتلة كبيرة من الكربون له وقع تأثيري كبير من الناحية النيترونية ، وفي معظم الحالات التي تستخدم الكربون كمهدئ المفاعل فإن مائع التبريد لهذا المفاعل يكون غازا.

المفاعل المعروض من قبل شركة ( the general electric) المسمى بمفاعل الحرارة العالية المبردة بالغاز أي ( h t g r ) يستعمل الهيليوم كمبرد وقلب المفاعل يتكون من مجاميع الكربون المكدسة متضمناً مناطق صغيرة تحتوي على وقود اليورانيوم _ الثور يوم



المنظومات الأساسية لمفاعل درجة الحرارة العالية المبرد للغاز

إن الاختلاف جوهري على باقي تصاميم المفاعلات : في منظومة الوقود المهدئ من حيث أن الوقود يتكون من اسطوانات صغيرة جداً من اليورانيوم و الثور يوم الموجودة في مناطق الوقود لمجاميع المهدئ الكربوني ، ومنظومة التبريد الابتدائية المتميزة باستخدامها لغاز الهليوم كمبرد ومنظومة التبريد الابتدائية تقع ضمن وعاء المفاعل المصنع من الخرسانة .

* يتكون قلب مفاعل درجة الحرارة العالية المبردة بالغاز من كومة ضخمة من مجموعات الجرافيت السداسية والتي تحوي كل منهما على مناطق وقودية بالإضافة لاحتوائها على مناطق مرور غاز الهليوم المضغوط ، يتكون الوقود من ثاني أكسيد أو كار بيد سيراميكي ، حيث أنه يتواجد كنوبات وقود صغيرة مغطاة بمادة خزفية ، والوقود المكون بشكل اسطوانات صغيرة ( pellets ) لها أغلفة مختلفة لتسهيل عملية الفصل أثناء عملية معاملة الوقود ، حيث يتكون اسطوانات الوقود الصغيرة القابلة للانشطار من اليورانيوم ( u 238 ) المخصب بنسبة 9% من(u235 ) ، مغطاة بالكربون الحراري ( pyrolitic ) وكار بيد السيليكون ، أما الاسطوانات الصغيرة المنتجة ( th233 ) فهي مغطاة بالكربون فقط ، وعند اشتغال المفاعل فإن الكر بيد السيلسيكوني القابل للاحتراق يساعد في فصل النوعين في عملية معاملة الوقود .

هناك منفذ في وعاء المفاعل المصنوع في الخرسانة المسبقة الإجهاد ويقع فوق المجاميع المركزية إن هذا المنفذ يستخدم في عملية إعادة تحميل الوقود وكذلك لغرض تحريك قضبان السيطرة أثناء عملية اشتغال المفاعل ، تمتلك المجامع المركزية أيضاً قناة إضافية منها كربيد البور ون كاحتياط لمنظومة المفاعل .

تتكون منظومة التبريد الابتدائية من القلب وأربعة إلى ستة دوائر لمائع التبريد الابتدائي حيث تتضمن كل دائرة على مضخة التدوير ( circulate ) الخاصة بها وعلى مولدها البخاري يضخ غاز الهليوم بضغط مقداره ( mp5 ) إلى الأسفل خلال القلب ومن ثم يخرج بدرجة حرارة تبلغ حوالي ( 743 ) درجة حيث أن الدرجة الحرارية هي أعلى من درجة حرارة المفاعلات المبردة بالماء . بعدئذ يمر الغاز في أحد الأنابيب المؤدية إلى مولد البخار ، إن سبب اشتعال المفاعل على درجة حرارة عالية هو كنتيجة المبرد الغازي وللخصائص الجيدة لقلب المفاعل الذي يتحمل درجات الحرارة العالية حيث لا يوجد غلاف معدني حساس لدرجات الحرارة العالية في الوقود ، البخار الحاصل كنتيجة لدرجات الحرارة العالية يعطي طاقة كهربائية بكفاءة تعادل ( 39 % )



المنظـومــات الـمسـاعــدة

تتكون من اثنين أو ثلاث دوائر مساعدة ، حيث في حالة فشل إحدى دوائر التبريد الرئيسية فإن المنظومات المساعدة تعمل على إزالة حرارة الانحلال بعد إطفاء المفاعل ، وتتوفر منظومتان متماثلتان تخدمان غرض تنقية غاز الهليوم المبرد تتم عملية التنقية بهذه المنظومات على أساس إلصاق جزيئات الغاز بالسطح الصلب حيث يستخدم غاز الهيدروجين كمستأصل لإزالة الدقيقات والغازات الملوثة . لقد صممت منظومة عزل المولد البخاري لمنع تسرب الماء أو البخار إلى المبرد الابتدائي فإذا حصل تسرب للماء فإن من الممكن في هذه الحالة عزل دائرة التبريد المعطوبة عند إطفاء المفاعل ، بينما تترك بقية دوائر التبريد لتجهيز التبريد اللازم .


مـنظـومــات السلامـــة
تختلف متطلبات السلامة لـ ( HTGR ) بصورة أساسية عن متطلبات السلامة لمفاعلات الماء ، عند حدوث ضرر في وقود مفاعل درجة الحرارة العالية فإن هناك وقتاً طويلاً لتصريف الحرارة ، ففي حالة وقود الماء الخفيف فإن حرارة الانحلال يمكن أن تقتصر غلاف الوقود بغضون دقيقة أو دقيقتين . من لحظة فقدان مائع التبريد ، أما في حالة ( HTGR ) فإنه يحتاج إلى زمن ساعة أو ساعتين عقب فقدان الوقود حتى ينصهر غلاف الوقود المطلي بمادة خزفية التي هي السبب في إطالة زمن تصريف الحرارة ، ومتانة القلب بسبب تواجد الجرافيت الذي تزداد متانته بارتفاع درجة الحرارة، من جهة أخرى يجب ضخ غاز الهيليوم المائع المبرد بضغط عالي لغرض سعة تبريدية عالية .


النيترونية _ استخدام الوقود _ اشتغال المفاعل

استعمال الكربون كمهدئ يقتضي على النيترونات الإنشطارية أن تقطع مسافة أكبر حتى تصل إلى الطاقات الحرارية ، ويكون الوقود ( HTGR ) معرضاً إلى نيترونات وبطاقات أكثر متوسطة عما هو عليه في مفاعلات الماء الخفيف ، وهذا يؤدي إلى امتصاص أكبر للنيترونات من قبل المادة الخصبة ( th 232 ) . وهذه الظاهرة تساعد في تصميم مفاعل نسبة التحويل فيه عالية نسبياً .
Boiling Water Reactor
مفاعل الماء المغلي

BWR

مفاعلات الماء المغلي (BWR)

1 يوجد في قلب المفاعل عدد كبير من مجمعات الوقود حيث كل يمثل مجمع مصفوفة مربعة والكثير من المفاعلات تستعمل مصفوفة(7 ×7 )إلا أن الصنف الحديث (BWR6)يستعمل ( 8×8 )من أقلام الوقود حيث تكون قضبان الوقود أخف مما هي عليه في مجمعات الوقود القديمة وبنيةالقضيب مماثلة لمفاعلات pwr))والطول الفعال لا يقل على 3 6mلحزمة الوقود في مفاعل الماء المغلي غمد خارجي يحوي الحزمة كاملة وفائدته يعيد جريان الماء في هذه الحزمة من الوقود والفتحة الموجودة قي قعر حزمة الوقود تحدد معدل جريان الماء في مجمع الوقود المعين وان استقرارية مجمع الوقود تأتي نتيجة لصفائح الربط الـ ( 64 ) في مجمع الوقود( 8×8 )، يمكن أن يحتوي المجمع على قضبان مائية تعمل بمثابة مهدئ لحزمة الوقود ، مفاعل الماء المغلي يحوي عادة على( 764 )مجمع للوقود أي( 50 -40) ألف قلم وقود أي ما يقارب 180 طن من ثاني أكسيد اليورانيوم

* عنصر السيطرة الصليبي الشكل يكون محاطا بأربع حزم من الوقود ، يحتوي على قضبان متعددة

مملوءة بكر بيد البور ون حيث يحتوي كل نصف على ربع قضيب

* إن غليان المبرد في قلب المفاعل تقليل كثافةالمبرد وبالتالي تضعف عملية تهدئة النيترونات مما

يؤدي إلى انخفاض قيمة كثافات القدرة في الجزء العلوي لقلب المفاعل ، مما يجعل تسطيح القدرة ضرورية ......إن أحد طرق السيطرة في مفاعل الماء المغلي تتم عن طريق التحكم في معدل الجريان في المفاعل

* يحتوي الوعاء الفولاذي للمفاعل على قلب المفاعل والمعدات المرافقة بالإضافة لاحتواء وعاء المفاعل على مجمعات الوقود ، فهو يحتوي على مركبات أخرى :

قضبان السيطرة المتواجدة في قعر الوعاء و تحريكها إلى القلب يتم من الأسفل ، كما إن الجزء العلوي من المفاعل يمكن تحريكه لغرض خدمة عملية إعادة تحميل الوقود ، حيث تبلغ أبعاد وعاء مفاعل الماء المغلي الحاوي على جميع هذه المعدات حوالي(ارتفاعm 22 ، قطر6m) ، وهو مصنوع من الفولاذ الكربوني بسماكة ( 16 cm )

*الضغط في ( BWR ) يبلغ حوالي ( 7mp )، عند هذا الضغط درجة غليان الماء حوالي 285 درجة ، وليس جميع الماء في قلب المفاعل يتحول إلى بخار بل حوالي 13 % من الماء الخارج من القلب هو بخار

* يفصل البخار المتولد عن بقية المواد بواسطة مجموعة فاصلات البخار التي موضوعة فوق القلب ، وعند الحد الفاصل بين حالته الغازية والسائلة ، يمر البخار الناتج خلال مجمع التخفيف لإزالة النداوة ، ويسري البخار المجفف إلى خارج الوعاء من خلال جدران بئر التجفيف وبناية المفاعل متجهاً إلى المولد التوربيني ، وهذا البخار يكون مشعاً لتواجد ( N16 ) فيه والذي يمتاز بنصف عمر قصير حوالي ( 7 ) ثانية الكفاءة الحرارية لهذا المفاعل (33 % )



المنظومات المساعدة
1 مفاعل الماء المغلي يملك منظومات الكيمياء لسيطرة على المركبات كما في p w r ) )

2 منظومة إزالة حرارة الانحلال

3 منظومة التنظيف لإزالة نواتج الانشطار ونواتج التآكل والشوائب الأخرى والماء الجاري المسحوب من خلال مضخة تدوير الماء وإرجاعه من خلال مضخة تغذية الماء ، ويتم تنظيف الماء المبرد بواسطة وحدات تخليص الماء من المعادن باستخدام( filter ) وتستخدم هذه المنظومة لإزالة الماء الفائض نتيجة لانخفاض كثافة المبرد بسبب الغليان عند رفع قدرة المفاعل إلى الحد المقرر ، وتتم إزالة حرارة الانحلال بعد إطفاء المفاعل بواسطة منظومة إزالة الحرارة المتبقية والتي هي جزء من منظومة تبريد القلب

يختلف ( bwr ) عن ( pwr ) من حيث أن له كمية اكبر من الوقود لفرض تلبية القدرة المطلوبة ، ولكن توجد امكانيةغير اعتيادية لتغيير القدرة الناتجة لتلبية الاحتياج من الطاقة الكهربائيةPressurized water reactors
PWR