استخدام المفاعلات النووية لإنتاج الكهرباء
إعداد
م. محمد أبو حوران
تصميم محطة القدرة
تشغل معظم محطات القدرة النووية ما بين 80 و 120 هكتارًا، ويقام أكثرها بالقرب من نهر كبير أو بحيرة لأن المحطات النووية تتطلب كميات هائلة من الماء لأغراض التبريد.
وتتكون 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.
يتم تشغيل كثير من المحطات أوتوماتكيا، ولكل محطة غرفة تحكّم مركزية يمكن أن تكون في مبنى مستقل أو في أحد المباني الرئيسية.
الغرض من إنشاء المفاعلات النووية
يولد البخار داخل وعاء المفاعل
تستخدم معظم المحطات النووية مفاعلات الماء المضغوط التي تسخن الماء المهدِّئ في قلب المفاعل تحت ضغط عال جدًا مما يتيح للماء أن يصل إلى درجة حرارة أعلى من درجة غليانه العادية التي تساوي 100°م دون أن يغلي فعلاً ويسخِّن التفاعل الماء إلى درجة حرارة تبلغ نحو 320°م، وتنقل الأنابيب هذا الماء الحار جدًا والذي لا يغلي، إلى مولدات البخار خارج المفاعل
وتستخدم حرارة الماء المضغوط في غليان الماء الموجود في مولد البخار فيتولد بذلك البخار. وفي مفاعلات الماء المغلي يولد التفاعل المتسلسل حرارة لغلي الماء المهدئ في قلب المفاعل، وتنقل الأنابيب البخار المتكون من المفاعل إلى عنفات .(توربينات) المحطة
و لإنتاج الكهرباء تعمل توربينات المحطة النووية ومولداتها الكهربائية، مثل تلك التي في محطات الوقود الأحفوري. فالبخار الذي يولّده المفاعل يدير ريش توربينات المحطة التي تسيِّر المولِّدات.
ويُنْقل البخار بعد مروره خلال توربينات المحطة بأنابيب إلى مُكَثِّف يُحوّل البخار إلى ماء ثانية. ويستطيع المفاعل بذلك تكرار استعمال الماء نفسه، غير أن المكثِّف يتطلب تزويده بمقدار ثابت من ماء جديد لتبريد البخار. وتحصل معظم المحطات على هذا الماء من نهر أو بحيرةويمكن أن تسبب هذه البقايا من الماء الساخن نوعًا من تلوث الماء يُسمى التلوث الحراري، الذي يمكن أن يعرّض حياة النبات والحيوان للخطر في بعض الأنهار والبحيرات التي يحدث فيها مثل هذا التلوث.
في الختام
تشغل معظم محطات القدرة النووية ما بين 80 و 120 هكتارًا، ويقام أكثرها بالقرب من نهر كبير أو بحيرة لأن المحطات النووية تتطلب كميات هائلة من الماء لأغراض التبريد.
 |
| مفاعل نووي في كندا |
ويشتمل مبنى رئيسي آخر على عنفات (توربينات) المحطة والمولدات الكهربائية.
وتوجد في كل محطة أماكن لخزن الوقود المستعمل وغير المستعمل.
يتم تشغيل كثير من المحطات أوتوماتكيا، ولكل محطة غرفة تحكّم مركزية يمكن أن تكون في مبنى مستقل أو في أحد المباني الرئيسية.
 |
| غرفة التحكم بمفاعلات نووية |
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.
المكونات الأساسية في معظم أنواع المفاعلات هي:
الوقود: وهو عبارة عن كريات أو أقراص من اليورانيوم أو احد مركباته مثل ثاني أكسيد اليورانيوم مصفوفة داخل أنابيب لتكون قضبان الوقود ، وهذه القضبان مرتبة في مجاميع وقود داخل قلب المفاعل.
المهدئ: وهو المادة التي تبطئ النيترونات المنطلقة من الانشطار من أجل المزيد من الانشطار وقد يكون المهدئ ماء خفيفا أو ثقيلا أو غرافيت.
قضبان التحكم: وتتكون من عناصر ممتصة للنيترونات البطيئة مثل الكادميوم أو البورون وتغمر أو تسحب من قلب المفاعل من أجل التحكم في معدل الانشطار النووي أو وقفه ، وهذا هو الذي يحدد الطاقة المنتجة.
المبرد: وهو سائل أو غاز يدور خلال قلب المفاعل من أجل تبريده ونقل الحرارة منه.
وعاء الضغط: عبارة عن وعاء حديدي صلب يحتوي قلب المفاعل والمهدئ
مولد البخار: وهو جزء من نظام التبريد حيث يتم استعمال الحرارة الخارجة من قلب المفاعل في توليد البخار اللازم لإدارة التربينات.
وعاء الاحتواء: وهو البناء الذي يحتوي مكونات المفاعل ويحميه من المؤثرات الخارجية ويحمي الذين خارجه من تأثيرات الإشعاع ومن أي حادث قد يطرأ، وهو في الغالب بسماكة متر واحد ومصنوع من الخرسانة والحديد الصلب
الوقود: وهو عبارة عن كريات أو أقراص من اليورانيوم أو احد مركباته مثل ثاني أكسيد اليورانيوم مصفوفة داخل أنابيب لتكون قضبان الوقود ، وهذه القضبان مرتبة في مجاميع وقود داخل قلب المفاعل.
المهدئ: وهو المادة التي تبطئ النيترونات المنطلقة من الانشطار من أجل المزيد من الانشطار وقد يكون المهدئ ماء خفيفا أو ثقيلا أو غرافيت.
قضبان التحكم: وتتكون من عناصر ممتصة للنيترونات البطيئة مثل الكادميوم أو البورون وتغمر أو تسحب من قلب المفاعل من أجل التحكم في معدل الانشطار النووي أو وقفه ، وهذا هو الذي يحدد الطاقة المنتجة.
المبرد: وهو سائل أو غاز يدور خلال قلب المفاعل من أجل تبريده ونقل الحرارة منه.
وعاء الضغط: عبارة عن وعاء حديدي صلب يحتوي قلب المفاعل والمهدئ
مولد البخار: وهو جزء من نظام التبريد حيث يتم استعمال الحرارة الخارجة من قلب المفاعل في توليد البخار اللازم لإدارة التربينات.
وعاء الاحتواء: وهو البناء الذي يحتوي مكونات المفاعل ويحميه من المؤثرات الخارجية ويحمي الذين خارجه من تأثيرات الإشعاع ومن أي حادث قد يطرأ، وهو في الغالب بسماكة متر واحد ومصنوع من الخرسانة والحديد الصلب
.
 |
| الشكل1:الإنشطار النووي لنوات ذرة اليورانيوم 235 بواسطة النيترون |
 |
| الشكل 2 :رسم تخطيطي لمفاعل نووي لإنتاج الطاقة |
 |
| الشكل 3: صورة تظهر قضبان الوقود في المفاعل |
 |
| الشكل4:صورة توضح قضبان التحكم في المفاعل النووي |
 |
| الشكل 5:يوضح عمل الوقود النووي و المهدئ و قضبان التحكم في المفاعل النووي |
هناك غرضان أساسيان من إنشاء المفاعلات النووية هما:
• الاستفادة منها كمصدر للنيترونات لأغراض التشعيع والبحث وإنتاج النظائر المشعة وما لها من تطبيقات مختلفة.
•أما الغرض الآخر فهو استخدامها كمصدر للحرارة التي تتولد في قلب المفاعل نتيجة للانشطار النووي ، حيث يستخدم المبرد بعد تسخينه وضغطه في توليد بخار في دائرة تبريد ثانوية من خلال مبادل حراري مشترك ، ليستخدم ذلك البخار في إدارة التربينات في محطات توليد الكهرباء أو لإنتاج بخار يجري تكثيفه فيما بعد ليعاد ضخه إلى دوائر التبريد أو استخدامه في عمليات إزالة ملوحة مياه البحر.
•أما الغرض الآخر فهو استخدامها كمصدر للحرارة التي تتولد في قلب المفاعل نتيجة للانشطار النووي ، حيث يستخدم المبرد بعد تسخينه وضغطه في توليد بخار في دائرة تبريد ثانوية من خلال مبادل حراري مشترك ، ليستخدم ذلك البخار في إدارة التربينات في محطات توليد الكهرباء أو لإنتاج بخار يجري تكثيفه فيما بعد ليعاد ضخه إلى دوائر التبريد أو استخدامه في عمليات إزالة ملوحة مياه البحر.
تصنيف المفاعلات النووية
.1مفاعلات الماء الخفيف (LWR)
.1مفاعلات الماء المضغوط (PWR)
.2 مفاعلات الماء المغلي (BWR)
.2مفاعلات الماء الثقيل (HWR)
.3المفاعلات المهدأة بالغرافيت
.1المفاعلات المبردة بالغاز
.2المفاعلات المبردة بالماء
.4المفاعلات المولدة السريعة
 |
| الشكل6:يوضح كيفية إنتاج الطاقة الكهربائية في مفاعلات الماء المغلي |
 |
| الشكل7:يوضح كيفية إنتاج الكهرباء في مفاعلات الماء المضغوط |
توليد البخار
تستخدم معظم المحطات النووية مفاعلات الماء المضغوط التي تسخن الماء المهدِّئ في قلب المفاعل تحت ضغط عال جدًا مما يتيح للماء أن يصل إلى درجة حرارة أعلى من درجة غليانه العادية التي تساوي 100°م دون أن يغلي فعلاً ويسخِّن التفاعل الماء إلى درجة حرارة تبلغ نحو 320°م، وتنقل الأنابيب هذا الماء الحار جدًا والذي لا يغلي، إلى مولدات البخار خارج المفاعل
وتستخدم حرارة الماء المضغوط في غليان الماء الموجود في مولد البخار فيتولد بذلك البخار. وفي مفاعلات الماء المغلي يولد التفاعل المتسلسل حرارة لغلي الماء المهدئ في قلب المفاعل، وتنقل الأنابيب البخار المتكون من المفاعل إلى عنفات .(توربينات) المحطة
و لإنتاج الكهرباء تعمل توربينات المحطة النووية ومولداتها الكهربائية، مثل تلك التي في محطات الوقود الأحفوري. فالبخار الذي يولّده المفاعل يدير ريش توربينات المحطة التي تسيِّر المولِّدات.
ويُنْقل البخار بعد مروره خلال توربينات المحطة بأنابيب إلى مُكَثِّف يُحوّل البخار إلى ماء ثانية. ويستطيع المفاعل بذلك تكرار استعمال الماء نفسه، غير أن المكثِّف يتطلب تزويده بمقدار ثابت من ماء جديد لتبريد البخار. وتحصل معظم المحطات على هذا الماء من نهر أو بحيرةويمكن أن تسبب هذه البقايا من الماء الساخن نوعًا من تلوث الماء يُسمى التلوث الحراري، الذي يمكن أن يعرّض حياة النبات والحيوان للخطر في بعض الأنهار والبحيرات التي يحدث فيها مثل هذا التلوث.
في الختام
إن الحاجة المستقبلية للطاقة الكهربائية في العالم في ازدياد مطرد ، والزيادة في عدد سكان العالم في ازدياد وخاصة في الدول النامية ، ويمكن أن يكون للطاقة النووية دور هام في ديمومة التطور ، ومنع ظاهرة تغير الطقس ، والإسهام في سد الحاجة إلى الطاقة في العالم ، ويمكن زيادة مخزون الوقود النووي كثيراً باستخدام المفاعلات المنتجة للوقود النووي ، أما إذا استطاع الإنسان التغلب على المشاكل التقنية التي تواجه تشغيل مفاعلات الطاقة الاندماجية فيمكن الحصول على مصدر غير ناضب للطاقة ، وينبغي في نفس الوقت تطوير مصادر الطاقة الأخرى المتوفرة مثل الطاقة الشمسية لتسد بعض الحاجة للطاقة .
