الطاقة النووية

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.