19.7:

19.7: الطاقة النووية

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Chemistry

Nuclear Power

Previous Video

19.6: Nuclear Fission

Next Video

19.8: Nuclear Fusion

7,783 Views

•

02:36 min

•

September 24, 2020

Overview

تُستخدم تفاعلات الانشطار النووي الخاضعة للتحكم في توليد الكهرباء. يحتوي أي مفاعل نووي ينتج الطاقة عن طريق انشطار اليورانيوم أو البلوتونيوم عن طريق القصف بالنيوترونات على ستة مكونات: وقود نووي يتكون من مادة قابلة للانشطار، وسيط نووي، ومصدر نيوتروني، وقضبان تحكم، ومبرد للمفاعل، ودرع واحتواء النظام.

الوقود النووي

يتكون الوقود النووي من نظير انشطاري، مثل اليورانيوم-235، والذي يجب أن يكون موجودًا بكميات كافية لتوفير تفاعل تسلسلي مستدام ذاتيًا. في معظم مفاعلات الماء المضغوط، تتكون كل مجموعة وقود من قضبان وقود تحتوي على العديد من كريات وقود اليورانيوم المخصب مغطاة بالسيراميك وبحجم الكشتبان (عادةً UO₂). قد تحتوي المفاعلات النووية الحديثة على ما يصل إلى 10 ملايين من كريات الوقود.

يعتبر اليورانيوم 235 وقودًا مفيدًا لأنه ينتج أكثر من نيوترون واحد لكل انشطار في المتوسط، لكن وفرته الطبيعية تبلغ حوالي 0.7 بالمائة من الوزن. تتطلب معظم مفاعلات الطاقة أن يتم تخصيب وقودها بنسبة 3 إلى 5 بالمائة على الأقل من اليورانيوم 235 من حيث الوزن.

الوسائط النووية

تتحرك النيوترونات الناتجة عن التفاعلات النووية بسرعة كبيرة بحيث لا تسبب انشطار اليورانيوم-235 بشكل موثوق. لذلك يجب أولاً إبطاء امتصاصها بواسطة الوقود وإنتاج تفاعلات نووية إضافية. الوسيط النووي هو مادة تبطئ النيوترونات إلى سرعة منخفضة بما يكفي لتسبب الانشطار. استخدمت المفاعلات المبكرة الجرافيت عالي النقاء كوسيط. تستخدم المفاعلات الحديثة عادة الماء الثقيل أو الماء الخفيف كوسيط.

نظرًا لأن حجم النيوترونات مشابه لحجم نوى الهيدروجين، فعندما تصطدم بذرات الهيدروجين في جزيئات الماء، فإنها تفقد قدرًا كبيرًا من الطاقة الحركية. الماء الثقيل هو الوسيط الأفضل، حيث يحتوي الديوتيريوم بالفعل على نيوترون ومن غير المرجح أن يمتص نيوترونًا آخر بالطريقة التي يمتصها الهيدروجين-1 أحيانًا. تعمل الوسيطات مثل الماء والجرافيت أيضًا كعاكس للنيوترونات للحفاظ على النيوترونات في اللب بتوزيع متساوٍ.

مصدر النيوترون

على الرغم من الانشطار التلقائي لليورانيوم-238 واليورانيوم-235، إلا أن العملية لا يمكن التنبؤ بها، وتولد هذه المصادر الجوهرية عددًا قليلاً جدًا من النيوترونات. وهكذا، يحتاج المفاعل إلى باعث نيوتروني لبدء تفاعل سلسلة الانشطار. يتم تثبيت مصدر نيوتروني مثل البريليوم -9 مقترنًا بباعث ألفا مثل الأمريسيوم-249 أو البلوتونيوم-239 في مفاعل لإنتاج نيوترونات لبدء التفاعل المتسلسل.

قضبان التحكم

يتم وصف مستوى قدرة المفاعل بواسطة عامل مضاعفة النيوترونات، والمشار إليه بالرمز k. هي نسبة عدد النيوترونات الناتجة عن الانشطار في جيل إلى عدد النيوترونات الناتجة عن الانشطار في الجيل السابق.

عندما يكون k أقل من 1، يكون المفاعل دون حرج وينخفض إنتاج الطاقة؛ عندما تكون k تساوي 1، يكون المفاعل حرجًا ويكون ناتج الطاقة ثابتاً؛ وعندما يكون k أكبر من 1، يكون المفاعل فوق حرج ويزداد إنتاج الطاقة.

تستخدم المفاعلات النووية قضبان التحكم للتحكم في معدل الانشطار للوقود النووي من خلال تعديل عدد النيوترونات البطيئة الموجودة للحفاظ على معدل التفاعل المتسلسل عند مستوى آمن. قضبان التحكم مصنوعة من البورون أو الكادميوم أو الهافنيوم أو أي عناصر أخرى قادرة على امتصاص النيوترونات.

عندما يتم إدخال مجموعات قضيب التحكم في عنصر الوقود في قلب المفاعل، فإنها تمتص جزءًا أكبر من النيوترونات البطيئة، مما يؤدي إلى إبطاء معدل تفاعل الانشطار وتقليل الطاقة المنتجة. على العكس من ذلك، إذا تمت إزالة قضبان التحكم، فسيتم امتصاص عدد أقل من النيوترونات، ويزيد معدل الانشطار وإنتاج الطاقة. في حالات الطوارئ، يمكن إيقاف التفاعل المتسلسل عن طريق إدخال جميع قضبان التحكم بالكامل في اللب النووي بين قضبان الوقود.

مبردات المفاعل

في مفاعل الماء المضغوط، يتم استخدام مبرد المفاعل لنقل الحرارة الناتجة عن تفاعل الانشطار إلى مرجل خارجي وتوربين ، حيث يتم تحويلها إلى كهرباء. غالبًا ما يتم استخدام حلقتين لسائل التبريد للتبادل الحراري لمنع انتقال المبرد الملوث إلى التوربينات البخارية وبرج التبريد. الأكثر شيوعًا هو استخدام الماء كمبرد. تشتمل المبردات الأخرى في المفاعلات المتخصصة على الصوديوم المنصهر، والرصاص، وخليط البزموت–الرصاص، أو الأملاح المنصهرة. يعمل برج التبريد الضخم ذو الشكل الزائد على تكثيف البخار في دائرة التبريد الثانوية وغالبًا ما يقع على مسافة ما من المفاعل الفعلي.

نظام الحماية والاحتواء

تم تجهيز مفاعلات الماء المضغوط بنظام احتواء (أو درع) يتكون عادة من ثلاثة أجزاء: (1) غلاف فولاذي بسمك 3–20 سم؛ الوسيط داخل الغلاف يمتص الكثير من الإشعاع النيوتروني الناتج عن المفاعل؛ (2) درع رئيسي بطول 1–3 أمتار من الخرسانة عالية الكثافة التي تمتص أشعة γ والأشعة السينية. (3) تدريع إضافي لامتصاص الإشعاع الساقط من عمليات التدريع في (1) و (2). بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتم تغطية مفاعلات الماء المضغوط بقبة فولاذية أو خرسانية مصممة لاحتواء أي مواد مشعة قد تنبعث من حادث مفاعل.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.

Transcript

يُطلق الانشطار النووي مقدارًا هائلًا من الطاقة الحرارية،يسمح بتوليد الكهرباء من توربين بخاري. الوقود النووي عادة ما يكون نوكليدة انشطارية،مثل اليورانيوم-235 الذي ينتج أكثر من نيوترون واحد لكل انشطار بالمتوسط. لا بد للنيوترونات السريعة الناتجة عن الانشطار من تخفيف سرعتها بواسطة مهدئات النيوترونات،لأن النيوترونات الحرارية،تبدأ تفاعلات متسلسلة في الوقود الانشطاري بصورة أكثر فاعلية.

الماء مهدّئ جيد لأن نويات الهيدروجين ونيوتروناته متقاربة في أحجامها،ما يضمن فقدان النيوترونات مقدارًا كبيرًا من الطاقة الحركية عند التصادم. الماء الثقيل أفضل حتى من العادي،لأن الديوتيريوم لديه نيوترون أساسًا ومن غير المرجح أن يستوعب نيوترونًا آخر. كما تؤدي المهدئات دور عاكس نيوترون لإبقاء النيوترونات في المنتصف إذا كان التوزيع متساوياًلأن الانشطار التلقائي لليورانيوم-235 أو 238 لا يمكن التنبؤ به،يعزل مصدر النيوترونات في مفاعل لضمان السيطرة على انطلاق التفاعل المتسلسل.

توصف حالة التفاعل المتسلسل بمُعامل ضرب النيوترون K:وهو نسبة عدد النيوترونات الناتجة عن الانشطار في جيل معين إلى عدد النيوترونات الناتجة عن الانشطار في الجيل الذي سبقه. عندما تكون K أقل من 1،يكون المُفاعل دون الكتلة الحرجة،وتكون كمية الطاقة الناتجة في انخفاض. وعندما تكون K تساوي 1،يكون المُفاعل كتلة حرجة،وتكون كمية الطاقة الناتجة ثابتة.

عندما تكون K أكبر من 1،يكون المُفاعل كتلة فوق حرجة،ويكون إنتاج الطاقة في ازدياد. يتم التحكم في التفاعل المتسلسل بواسطة قضبان تحكم،مصنوعة من مواد ممتصة للنيوترونات كالبورون والكادميوم. عند إدخال قضبان التحكم بالكامل فإنها تمتص عددًا كبيرًا من النيوترونات،لتبقي المُفاعل كتلة تحت حرجة.

سحب قضبان التحكم يسمح بحدوث انشطارات أكثر فأكثر. مبرّد كالماء يأخذ الحرارة بعيداًعن قلب المُفاعل لصنع البخار للتوربين. عندما ترتفع حرارة المُفاعل،تتحرك النيوترونات بشكل أسرع،ويصبح من غير المرجّح أن تسبب انشطارات،مما يساعد في تجنب الحرارة المفرطة.

يُحمي قلب المُفاعل بمواد كالماء وطبقات سميكة من الخرسانة. يعتمد التصميم الإجمالي لقلب المُفاعل ونظام الحماية على نوع المُفاعل المحدد.

Key Terms and definitions

Nuclear Fuel - Fissionable material used in a nuclear reactor to generate power (e.g., uranium-235).
Nuclear Moderator - Substance that slows down the neutrons in nuclear reactors (e.g., heavy water).
Neutron Source - Emitter to initiate fission chain reactions (e.g., beryllium-9).
Control Rods - Absorb neutrons to control fission rate and maintain safe power levels (e.g., boron).
Reactor Coolant - Used to carry the heat produced by fission to an external boiler and turbine (e.g., water).
Shield and containment system - Designed to contain any radioactive materials that might be released by a reactor accident.

Learning Objectives

Define Nuclear Fuel - Explain the composition and function of nuclear fuel (e.g., uranium-235).
Contrast Control Rods vs Reactor Coolants - Distinguish their roles in maintaining safe nuclear reactions and power generation (e.g., boron rod vs. water).
Explore Nuclear Reactors - Describe the setup and working of nuclear reactors (e.g., sequence of components).
Explain Uranium-235 Fission - Overview of how uranium undergoes fission in reactors to generate energy.
Apply in Context - Illustrate how factors like control rods and coolants help maintain safe chain reactions in nuclear reactors.

Questions that this video will help you answer

[Question 1] What is nuclear fuel and how is it used in nuclear reactors?
[Question 2] What are control rods and how do they maintain safe fission rates?
[Question 3] How does a moderator like heavy water contribute to nuclear reactor functionality?

This video is also useful for

Students - Understanding key concepts about nuclear reactors can build a foundation for understanding nuclear physics and chemistry.
Educators - Provides a clear framework to teach about nuclear energy, fission process, and components of a nuclear reactor.
Researchers - A comprehensive understanding of nuclear reactors supports development and enhancement of nuclear technologies.
Science Enthusiasts - Offers insights into the fascinating world of nuclear power generation and associated technologies.