المحطات النووية

المحطات النووية

 

تنقسم المحطات نووية إلى نوعين :

1-  محطات التوليد الحرارية البخارية،  تقوم بتوليد البخار بالحرارة التي تتولد في فرن المفاعل.

2-محطات الطاقة النووية وهذ تعمل بواسطة الوقود نووي

 الفرق في محطات الطاقة النووية أنه بدل الفرن الذي يحترق فيه الوقود يوجد الفرن الذري الذي يحتاج إلى جدار عازل وواق من الإشعاع الذري وهو يتكون من طبقة من الآجر الناري وطبقة من المياه وطبقة من الحديد الصلب ثم طبقة من الأسمنت تصل إلى سمك مترين وذلك لحماية العاملين في المحطة والبيئة المحيطة من التلوث بالإشعاعات الذري . مفاعل بالماء المضغوط والمفاعل الذري تتولد فيه الحرارة نتيجة انشطار ذرات اليورانيوم بضربات الإلكترونات المتحركة في الطبقة الخارجية للذرة وتستغل هذه الطاقة الحرارية الهائلة في غليان المياه في المراجل وتحويلها إلى بخار ذات ضغط عال ودرجة مرتفعة جدا, باستعمال الطاقة الحرارية في تسخين المياه في مراجل 

- محطات التوليد الحرارية البخارية،  (BOILERS) وتحويلها إلى بخار في درجة حرارة وضغط معين ثم يسلط هذا البخار على عنفات أو توربينات بخارية صممت ليقوم البخار السريع بتدوير محور التوربينات وبذلك تتحول الطاقة البخارية إلى طاقة ميكانيكية على محور هذه التوربينات . ويربط محور المولد الكهربائي مع محور التوربينات البخارية فيدور محور المولد الكهربائي (ALTERNATOR)بنفس السرعة لتتولد على طرفي الجزء الثابت من مولد الطاقة الكهربائية اللازمة . وكانت أول محطة توليد حرارية نووية في العالم نفذت في عام 1954 وكانت في الاتحاد السوفيتي بطاقة 5 ميغاواط  عندما توصل العلماء الى تحرير الطاقة النووية من بعض العناصر كاليورانيوم والبلوتونيوم. فوقود المفاعلات النووية اليورانيوم المخصب بكمية تكفي لحدوث تسلسل تفاعلي انشطاري يستمر من تلقاء ذاته. و الوقود يوضع في شكل حزم من قضبان طويلة داخل قلب المفاعل الذي عبارة عن حجرة مضغوطة شديدة العزل. ويتم الانشطار النووي بها لتوليد حرارة،

لتسخين المياه وتكوين البخار الذي يدير زعانف التوربينات التي تتصل بمولدات كهربائية . و يتم تغطيس الحزم في الماء للإبقاء عليها باردة . أو استخدام ثاني أكسيد الكربون أو معدن مصهور لتبريد قلب المفاعل. ويتم إدخال قضبان تحكم في غرفة المفاعل، من مادة، الكادميوم، لتمتص النيوترونات المتولدة من انشطار أنوية الذرات داخل المفاعل. فكلما تم تقليل النيوترونات كلما تم تحجيم التفاعلات المتسلسلة بما يبطئ من عملية انشطار ذرات اليورانيوم.وكان أول مفاعل نووي قد أقيم عام 1944في هانفورد بأمريكا لإنتاج مواد الأسلحة النووية وكان وقوده اليورانيوم الطبيعي وكان ينتج البلوتونيوم ولم تكن الطاقة المتولدة تستغل . ثم بنيت أنواع مختلفة من المفاعلات في كل أنحاء العالم لتوليدالطاقة الكهربائية. وتختلف في نوع الوقود والمبردات و الوسيط . وفي أمريكا يستعمل الوقود النووي في شكل أكسيد اليورانيوم المخصب حتي 3% باليورانيوم 235 والوسيط والمبرد من الماء النقي وهذه الأنواع من المفاعلات يطلق عليها مفاعلات الماء الخفيف.

^ أقسام المحطة النووية :

تتكون أي محطة نووية من بضعة مبان رئيسية : ويوجد في أحدها المفاعل والأجزاء المتصلة به. ويشتمل مبنى رئيسي آخر على عنفات (توربينات) المحطة والمولدات الكهربائية. وتوجد في كل محطة

أماكن لخزن الوقود المستعمل وغير المستعمل. ويتم تشغيل كثير من المحطات أوتوماتيًا، ولكل محطة غرفة تحكّم مركزية يمكن أن تكون في مبنى مستقل أو في أحد المباني الرئيسية.

المفاعل النووي النموذجي يتألف بصورة رئيسية من قلب وقضبان تحكُّم ووعاء المفاعل أو الضغط. ويحتوي القلب على اليورانيوم المعد للانشطار كي يولِّد الحرارة. أما قضبان التحكّم فتنظم التفاعل المتسلسل. ويحتوي وعاء المفاعل على كل أجزاء المفاعل الأخرى وعلى الماء الذي يسخّن لتوليد البخار.ويكون لمبنى المفاعل- أو بنية الاحتواء-أرضية خرسانية سميكة وجدران سميكة من الفولاذ أو من الخرسانة المكسوة بالفولاذ. ويمنع كل من الخرسانة والفولاذ هروب الإشعاع نتيجة تسرب طارئ من المفاعل النووي  .وعاء المفاعل يتم إنزاله بحذر وعناية إلى مكانه في موقع تشييد محطة الطاقة. وتُصنع الأوعية من الفولاذ الثقيل ويزن أضخمها أكثر من 720 طناً .

 التوربينات التي تتحرك بفعل ضغط البخار الموجه عليها

 مفاعلات القدرة :

 تتألف بوجه عام من ثلاثة أقسام رئيسية وهي :

1- وعاء المفاعل أو وعاء الضغط .

2- القلب.

3- قضبان التحكم .

وعاء المفاعل :

بناء في شكل صهريج، يتضمن كل أجزاء المفاعل، ويوضع قرب قاعدة مبنى المفاعل. وتصنع جدران الوعاء من الفولاذ بحيث لا يقل سمكها عن 15سم، وتدخل إلى الوعاء وتخرج منه أنابيب من الفولاذ لنقل الماء و البخار.

القلب :

يحتوي على الوقود النووي، ولذا فهو يمثل الجزء الذي يحدث به الانشطار. ويقع القلب قرب قاع وعاء المفاعل، ويتألف بصورة

رئيسية من الوقود النووي الذي يُثَبّت في مكانه بين صفيحتين، علوية وسفلية، تسندان الوقود
قضبان التحكم :

قضبان فلزية طويلة تحتوي على عناصر كالبورون والكادميوم التي تمتص النيوترونات الحرة، وتساعد بذلك على ضمان أمان التفاعل المتسلسل. وتتصل هذه القضبان برافعة آلية خارج وعاء المفاعل تمامًا. وتستطيع الرافعة إدخال القضبان إلى القلب أو سحبها لإبطاء التفاعل المتسلسل أو تسريعه .

غرفة التحكم المركزية :

 

في محطة قدرة نووية كبيرة تشتمل على مئات الأجهزة الإلكترونية  بعضها يساعد على تنظيم عمليات الإنتاج وبعضها الآخر يراقب كثيرًا من أنظمة الأمان في المحطات .

وحدة التحكم في المفاعل النووي والمستمر طوال الوقت لتدخل الفنيين في أي لحظة يتطلب الامر ذلك

وتتوقف عمليات المفاعل على مواد تسمى المهدئات والمبرّدات. والمهدئ مادة كالماء أو الكربون تبطئ النيوترونات التي تمر خلالها. وتتطلب المفاعلات مهدئًا، لأن النيوترونات التي يطلقها الانشطار تكون سريعة، في حين أن النيوترونات البطيئة هي اللازمة لإحداث تفاعل متسلسل في خليط اليورانيوم 238 واليورانيوم 235

_ تزويد المفاعل بالوقود :

يحمل هؤلاء العمال إلى قلب مفاعل نووي مجمع الوقود الجديد. ويتألف من رزمة من أنابيب فلزية طويلة مليئة بحُبَيْبات اليورانيوم.

# تحضير الوقود:

 بعد أن يتم استخراج خام اليورانيوم، يمر الخام بعمليات طويلة من الطحن والتنقية لفصل اليورانيوم عن العناصر الأخرى. ولما كان الماء الخفيف يمتص النيوترونات الحرة أكثر من الأنواع الأخرى من المهدئات، فإن اليورانيوم يجب أن يخصب، ليزيد احتمال ارتطام النيوترونات الحرة بنواة اليورانيوم 235، أي يجب زيادة نسبة هذا اليورانيوم، ليزيد احتمال ارتطام النيوترونات الحرة بنواة اليورانيوم 235. ويرسل اليورانيوم الذي تم فصله من الخام إلى محطة الإخصاب. وتنزع محطات الإخصاب من اليورانيوم مقادير مختلفة من اليورانيوم 238 اللازم للاستعمال. ويحتاج معظم مفاعلات الماء الخفيف وقودًا لا يحتوي على أكثر من 97,5% من اليورانيوم 238، و 2,5 إلى 3 % من اليورانيوم235 .

ويُحتاج في الأسلحة النووية، وفي وقود السفن النووية، إلى كميات من اليورانيوم 235 نسبتها أعلى من ذلك كثيرًا. ويشحن اليورانيوم

المخصب الذي يراد استعماله وقودًا في المفاعل إلى محطات إعداد الوقود . محطات القدرة النووية في بريطانيا تستعمل مبدأ تبريد المفاعل بالغاز. وقد أهملت بريطانيا عام 1990 مشروعات تنمية قدرتها النووية بعدما توفرت الأدلة على عدم كفاءة تشغيلها. وتحوِّل محطة إعداد الوقود اليورانيوم المخصب إلى مسحوق أسود يُسمّى ثاني أكسيد اليورانيوم، ثم تجعله بشكل حبُيَبْات قطرها نحو 8 مم، وطولها نحو 13مم. وتدخل الحبيبات بعدئذ في أنابيب مصنوعة من الزركونيوم أو من فولاذ لا يصدأ. ويبلغ قطر كل أنبوبة نحو 13مم، وطولها يتراوح بين 3 و 5 أمتار . وتستطيع النيوترونات الحرة أن تخترق جدرانالأنابيب  في حين يعجز معظم الجسيمات النووية الأخرى عن ذلك.
ويُلحم طرفا الأنبوب بعد ملئه بحبيبات ثاني أكسيد اليورانيوم، ثم تثبت قضبان الوقود ببعضها بعضًا مكونة رزمة يتراوح عددها بين 30 و 300 رزمة. وتزن كل رزمة من 140 إلى 680كغ ، وتكوّن مجمعة وقود أو عنصر وقود المفاعل . وتتطلب المفاعلات التجارية من 45 إلى 136 طنًا متريًا من ثاني أكسيد اليورانيوم، وتتوقف الكمية على حجم المفاعل . وعلى هذا يكون في قلب المفاعل مقدار كبير جدًا من مجمعات الوقود التي تُثَبَّت عمودية في القلب بين صفيحتين وتستند إليهما.

ما هي المخاطر التي من الممكن أن   تنجم عن خلل في المفاعلات النووية ؟ وما هي طرق الحماية :

إن استخدام المفاعلات النووية لتوليد الطاقة الكهربائية تعتبر ميزة كبيرة عن استخدام الفحم لتوليد الحرارة اللازمة الطاقة الكهربائية لأن الغازات الناتجة عن الإحتراق مثل غازات الكربون والكبريت وغيره من الغازات الناتجة هي غازات سامة وملوثة للبئية وتنتج بكميات كبيرة بالمقارنة بالعادم الناتج عن المفاعلات النووية، وبالرغم من كل هذا إلا أن أي خلل قد يحدث في المفاعل النووي قد يسبب كارثة بشرية لا يحمد عقباها مثل كارثة تشورنوبل التي نتج عنها آلاف الأطنان من المواد المشعة التي تسربت إلى الجو، كما أن الوقود الناتج من المفاعل النووي يعتبر مواد خطرة ويستمر تأثيرها لآلاف السنين ولا يمكن التخلص منها بسهولة، كما أن نقل الوقود النووي يعتبر عملية خطرة بالرغم أنه لم تحدث أي مشاكل تذكر.  ولهذه المخاطر لم يتم الاعتماد على توليد الطاقة الكهربائية بواسطة الطاقة النووية بنسبة كبيرة وكما ذكرنا في البداية  فإن الاعتماد على الحصول على الكهرباء من الطاقة النووية لم يتجاوز 17%.

  لا ينفجر مفاعل القدرة العادي مثل القنبلة الذرية، إذ أن انفجارًا كهذا يستدعي كتلة فائقة الحرجية من البلوتونيوم 239 أو من اليورانيوم 235 المخَصَّب. وتحتوي الكتلة فوق الحرجة مقدارًا من البلوتونيوم واليورانيوم أكثر مما يلزم لتعزيزالتفاعل المتسلسل. وتنجم المخاطر الرئيسية لإنتاج الطاقة النووية عن الكميات الكبيرة للمواد المشعة التي يولِّدها المفاعل، والتي تطلق إشعاعات ألفا وبيتا وجاما. ويحاط وعاء المفاعل بكتل سميكة من الخرسانة تسمى الدِّرع تمنع كل الإشعاعات تقريبا من التسرب. وتحدد الأنظمة في الدول التي تنتج الطاقة النووية كمية ما يُسمح به من الإشعاع الذي تطلقه المحطات النووية. فلكل محطة معدات تقيس باستمرار النشاط الإشعاعي داخل المحطة وحولها. وهي تطلق إنذارًا بصورة تلقائية حين يرتفع النشاط الإشعاعي فوق مستوى قُدِّر سلفًا، وقد يُغلق المفاعل إذا دعت الضرورة ذلك.وتقلل إجراءات السلامة الدورية في المحطة احتمال وقوع الحوادث البالغة الخطورة. غير أن لكل محطة أنظمة أمان للطوارئ تتدرج من ظهور تشقق في أنبوب ماء المفاعل إلى تسرب الإشعاع من وعائه. وحين يحدث طارئ كهذا ينشط نظام أوتوماتي لإيقاف المفاعل في الحال. ويسمى هذا الإجراء الإيقاف المفاجئ

ويتم عادة بالإسراع في إدخال قضبان التحكم إلى قلب المفاعل

ويمكن أن يؤدي تشقق في أنبوب المفاعل أوتسرب منه إلى نتائج خطيرة إذا كان من نتيجته فقدان المبرد. فبعد إيقاف المفاعل، يمكن أن تصبح المواد المشعة الباقية في قلب المفاعل ساخنة جدًا إذا لم يكن تبريدها كافيًا، فينصهر قلب المفاعل. ويمكن أن ينتج عن هذه الحالة المسماة الانصهار التام انطلاق مقادير خطيرة من الإشعاع. ويمكن أن تحول دون تسربه إلى الجو  في معظم الحالات بنية الاحتواء الضخمة التي تحيط بالمفاعل