تطبيقات مبينية على الاندماج النووي

تطبيقات مبنية على الإنشطار النووى

1- توليد الكهرباء:
كان لزيادة الطلب العالمي على الطاقة ونقص موارد الطاقة الإحفورية إلى التفكير فى حلول بديلة للطاقة، كانت إحدى تلك الحلول استغلال الطاقة الناتجة عن الانشطار النووى فى توليد الكهرباء ويتطلب ذلك إجراء التفاعل الانشطاري بصورة متحكم فيها ويتم ذلك من خلال المفاعلات النووية الحرارية على أن يراعى فى استخدامها جميع عوامل الأمان،
ويتركب المفاعل النووى من عدة أجزاء هي: الوقود – المهدئ – المبرد أو المبادل الحراري – قضبان التحكم – قضبان الأمان – العاكس النيوتروني – الدرع الواقي، والمفاعل النووى بالإضافة إلى التوربينات والمبادلات الحرارية وباقي الأجهزة والمعدات وغرف التحكم تشكل ما يسمى بالمحطة النووية Nuclear Power Station.

يتكون وقود المفاعل النووى من مادة قابلة للإنشطار النووى وهى تنحصر فى ثلاثة نظائر يورانيوم-235، بلوتونيوم-239، يورانيوم-238، ويتواجد اليورانيوم فى الطبيعة كخليط من النظيرين بنسبة 0.71 % لليورانيوم-235 وهو ما يطلق علية اليورانيوم الطبيعي، ويعتمد استخدام أي نظير منهما على تقنية تشغيل المفاعل، لكن معظم المفاعلات النووية تستخدم النظير 235 على عدة صور، إما يورانيوم عالي التخصيب Highly Enriched Uranium بنسبة 90 % وهو خاص بتشغيل المفاعلات ذات الحجم الصغير كالتي تسيير الغواصات وحاملات الطائرات، أو يستخدم يورانيوم منخفض التخصيب Low Enriched Uranium بنسبة 5-3 %، أو اليورانيوم الطبيعي، ويوضع الوقود على هيئة أقراص مصنوعة من الصلب المقاوم للصدأ أو الزركونيوم بطول 1سم وقطر 0.8سم، وتوضع هذه الأقراص فى قضبان تسمى بقضبان الوقود Fuel Assemblies يصل طولها إلى خمسة أمتار ويفصل بينهما بوسائل فصل للسماح لوسيط التبريد بالتدفق حول هذه الحزم لاستخلاص الحرارة، أما المهدئ فهو مادة تبطئ من سرعة نيوترونات الإنشطار لتقلل من فرص اقتناصها باليورانيوم-238، وأكثر المواد استخداماً هي الماء العادي والماء الثقيل والجرافيت وثاني أكسيد الكربون.

المبرد أو المبادل الحراري هي مادة تقوم بتبريد قلب المفاعل وحفظها عند الحد الأدنى للأمان، وفى نفس الوقت تقوم بنقل الحرارة إلى خارج المفاعل لتوظيفها فى توليد البخار اللازم لإدارة التوربينات لتوليد الكهرباء، ويقوم المهدئ عادة بوظيفة المبرد أيضاً، وفى بعض الأنواع يستخدم مصهور الصوديوم كمبرد، وقضبان التحكم هي قضبان مصنوعة من مواد شرهة لامتصاص النيوترونات مثل الكادميوم أو البورون، وهى تتواجد فى فتحات داخل المفاعل بحيث تعتمد سرعة التفاعل المطلوبة على مقدار إسقاطها داخل المفاعل ليتوقف التفاعل تماماً عند سقوطها كاملة فى قلب المفاعل، أما قضبان الأمان فهي كقضبان التحكم ولكنها تعلق خارج المفاعل بواسطة مغناطيسيات كهربية، ولدى ظهور بوادر خطر يقطع التيار الكهربي عنها فتسقط القضبان داخل المفاعل لتوقف التفاعل نهائياً.

العاكس النيوتروني هو طبقة تغلف قلب المفاعل وتصنع من مادة لها القدرة على انعكاس النيوترونات إلى داخل المفاعل وعدم تسربها إلى خارج المفاعل وتصنع عادة من البريليوم، أما الدرع الواقي فهو غلاف من الصلب سمكه 15سم يحيط به جدار أسمنتي سميك وهو من نوع خاص قادر على امتصاص الإشعاع المتسرب من المفاعل، ويشترط أن يكون الدرع الواقي من القوة بحيث لا يمكن أن تؤثر فيه العوامل الخارجية، ويقال أن الدروع المبنية على أسس سليمة لا تؤثر فيها إلا القنابل النووية.

ونتيجة للتطويرات المستمرة للمفاعلات النووية ظهرت عدة أنواع لهذه المفاعلات من أهمها:

1- مفاعلات الماء العادي المضغوط Pressurized Water Reactors ويستخدم الماء العادي كمبرد ومهدئ تحت ضغط يصل أحياناً إلى 160 ضغط جوى ولا يسمح للماء بالغليان داخل دورة التبريد، وللحفاظ على المبرد تحت هذا الضغط يبرد الوقود داخل وعاء يسمى بوعاء الضغط .

2- مفاعلات الماء العادي المغلي Boiling Water Reactors
يمر فيها الماء خلال دورة واحدة من قلب المفاعل إلى توربينات التوليد ويسمح فيها للماء بالغليان، ويجب أن تكون دورة التبريد بما فيها التوربينات مغلقة تماما لعدم تسرب الإشعاعات منها.

3- مفاعلات الماء الثقيل Heavy Water Reactor أو المفاعلات الكندية Canadian Deuterium-Uranium المعروفة باسم كاندو CANDU وهى مفاعلات تستخدم الماء الثقيل الذي يحتوى على نظير الهيدروجين التريتيوم كمهدئ ومبرد فى أنٍ واحد فى دورة أولية والماء العادي كناقل للحرارة عبر مبادل حراري لإدارة التوربينات، ويمتاز الماء الثقيل بنسبة عالية من التهدئة للنيوترونات جعلت فى الإمكان استخدام اليورانيوم الطبيعي بدلاً من المخصب.
4- مفاعلات التبريد الغازي Gas Cooled Reactors وهى مفاعلات تستخدم اليورانيوم الطبيعي كوقود وثاني أكسيد الكربون أو الهيليوم كمبرد وتستخدم مثل هذه الأنواع أحياناً فى تصنيع البلوتونيوم الذي يستخدم فى الأغراض العسكرية.
5- مفاعلات الجرافيت المبردة بالماء ويستخدم فى هذا النوع الجرافيت