المفاعل النووي بصورة عامة , هو تجهيز أو منشأة يتم فيها تحويل الطاقة الحرارية الناتجة عن استهلاك الوقود النووي إلى إحدى صور الطاقة الأخرى لاستخدامها في أغراض مختلفة .
وهناك نوعين للمفاعلات النووية :
ـ المفاعلات النووية التي تعتمد على الوقود النووي الإنشطاري
ـ المفاعلات النووية ( التوكاماك Tokamac ) التي تعتمد على تفاعلات الإندماج لنوى العناصر الخفيفة .
ـ المفاعلات النووية الإنشطارية :
وهي المفاعلات التي تستخدم الوقود النووي الإنشطاري , لإنتاج الطاقة الحرارية التي تُستخدم لتوليد البخار تحت ضغط مناسب ثم دفعه بعد ذلك لإدارة عنفات المولدات الكهربائية لتوليد الكهرباء .
ولنلقي نظرة على أجزاء المفاعل النووي :
إن عناصر ومكونات المفاعلات النووية هي سبعة عناصر كالآتي :
1 ـ الوقود النووي
2 ـ المهدئ
3 ـ المبرد أو المبادل الحراري
4 ـ قضبان التحكم
5 ـ قضبان الأمان
6 ـ العاكس النيوتروني
7ـ الدرع الواقي

ـ الوقود النووي :
وهو المادة القابلة للإنشطار كما ذكرنا سابقاً , وهذه المادة تنحصر في أحد ثلاثة نظائر فقط وهي :
ـ اليورانيوم 235 وهو عنصر طبيعي .
ـ البلوتونيوم 239 وهو عنصر صناعي يحضر من اليورانيوم 238 .
ـ اليورانيوم 233 وهو عنصر صناعي أيضاً يحضر من الثوريوم 232 .
والمستخدم حالياً كوقود في المفاعلات النووية هو :
1ـ اليورانيوم المثرّى أو المخصب إلى حوالي 3 % من النظير يورانيوم 235 ويسمى اليورانيوم منخفض الإثراء أو التخصيب ( Low Enriched Uranium ) , وهو الشائع في المفاعلات التجارية لتوليد الكهرباء على مستوى العالم .
2ـ اليورانيوم الطبيعي بدون إثراء أو تخصيب , والذي بدأ في الإنتشار مؤخراً .
أما اليورانيوم المثرّى أو المخصب إلى 90 % من النظير 235 ويسمى اليورانيوم عالي الإثراء أو عالي التخصيب ( High Enriched Uranium ) . وهو المستخدم في القنابل النووية الإنشطارية .
2 ـ المهدِئ :
وهو المادة التي تبطئ من سرعة النيوترونات وذلك من أجل التقليل من فرص اقتناصها من قبل اليورانيوم 238 وأكثر هذه المواد استخداما هي الماء العادي والماء الثقيل والغرافيت وثاني أكسيد الكربون .
3 ـ المبرد أو المبادل الحراري :
وهو المادة التي تقوم بتبريد قلب المفاعل النووي وحفظ درجة حرارته تحت الحد الأعلى للأمان , وفي نفس الوقت تقوم بنقل الحرارة من قلب المفاعل إلى خارجه لتوظيفها في توليد البخار لإدارة التوربينات , وفي معظم الحالات تستخدم مادة واحدة لتقوم بوظيفتي المهدئ والمبرد مثل الماء العادي والماء الثقيل وثاني أكسيد الكربون .
4 ـ قضبان التحكم :
وهي قضبان مصنوعة من مواد شرهة للنيوترونات , وكما أوردنا سابقاَ تبنى لها فتحات خاصة في قلب المفاعل بحيث إذا غرست فيه إلى نهايتها توقف التفاعل الإنشطاري تماماً , وأكثر المواد استخداماً في تصنيع هذه القضبان هي الكادميوم وأنواع أخرى من الصلب يدخل فيها واحد أو أكثر من العناصر المعروفة بشراهتها لامتصاص النيوترونات , مثل الهافنيوم والبورون وبعض العناصر المعدنية النادرة .
5 ـ قضبان الأمان :
وهي مثل قضبان التحكم تماماً , وتبنى لها أيضاً فتحات في قلب المفاعل , ولكن تظل معلقة خارج فتحاتها بواسطة مغناطيسات كهربائية , وفي حالة ظهور أي بوادر خطر يقطع التيار الكهربائي عن المغناطيسات فتسقط قضبان الأمان في قلب المفاعل فوراً وتوقف التفاعل .
6 ـ العاكس النيوتروني :
وهو طبقة رقيقة تغلف قلب المفاعل النووي من الداخل وتصنع من مادة لها قدرة فائقة على عكس النيوترونات إلى داخل قلب المفاعل وعدم تسربها إلى الخارج , وذلك للحفاظ على هذه النيوترونات الثمينة , وأيضاً كعامل أمان لمنع الإشعاع النيوتروني إلى خارج قلب المفاعل , وأكثر عنصر يقوم بهذه المهمة هو عنصر البيريليوم .
7 ـ الدرع الواقي :
يتكون في الغالب من طبقتين , الأولى عبارة عن بناء متين يضم قلب المفاعل الذي يحتوي على الوقود النووي , والثانية هي الغلاف الخارجي لقلب المفاعل ويسمى ( وعاء الإحتواء ) ويصنع من مادة شديدة الصلابة والقوة لتحمي قلب المفاعل من أي عوامل خارجية قد تؤدي إلى الإضرار به , وتدخل في إنشائه الخرسانة ذات المواصفات الخاصة , بالإضافة إلى المواد الأخرى ويقال أن دروع المفاعلات النووية المبنية على الأسس السليمة لا تؤثر فيها إلا القنابل النووية .

ـ تصنيع وحدات الوقود النووي :

ـ تحويل اليورانيوم : ويتم في هذه المرحلة تحويل اليورانيوم إلى الصورة الكيميائية التي سيدخل بها إلى المفاعل لكي يتحمل تأثير الإشعاع وفي نفس الوقت يسهل تشكيله , وقد وجد أن أفضل صورة كيميائية له هو أن يكون على شكل ثاني أكسيد اليورانيوم UO2 وهو مسحوق أسود يحتوي على 88 % يورانيوم وكثافته حوالي 11 غ للسنتمتر المكعب ودرجة انصهاره 2800 درجة مئوية .

ويحدد تصميم المفاعل الأشكال التي يجب أن يكون عليها الوقود النووي كي يحقق أكبر كفاءة ممكنة للتفاعل الإنشطاري وتوزيع النيوترونات وفي نفس الوقت حتى يمكن أن يتخلله المبرد بسهولة ولهذا يتم كبس مسحوق ثاني أكسيد اليورانيوم الأسود على هيئة كتل أسطوانية الشكل طول الواحدة بضعة سنتيمترات ( حسب الشكل ) وترص هذه الكتل داخل مواسير إسطوانية يبلغ طول الواحدة منها حوالي 4 أمتار , ثم تقفل من الناحيتين , وتسمى هذه المواسير قضبان الوقود النووي ( Nuclear Fuel Rods ) .وجميع المواد التي تدخل في تصنيع وحدات الوقود يجب أن تستوفي الشروط الخاصة التي تجعلها تتحمل الظروف القاسية في قلب المفاعل والتي يدخل فيها بشكل خاص عنصر الزيركونيوم .

ـ احتراق الوقود النووي :

توضع وحدات الوقود النووي في قلب المفاعل بصورة تجعل من الممكن استبدالها بوحدات جديدة بسهولة , وأحياناً بدون توقف المفاعل , ويستلزم الأمر استبدال الوحدات قبل احتراق كل الوقود النووي في الوحدة لسببين الأول هو أن الظروف القاسية داخل قلب المفاعل تقلل من قوة تحملها , والثاني هو أن ازدياد نواتج الإنشطار يقلل من كفاءة التفاعل , وبالتالي من كفاءة الوقود النووي , وتتم عملية الإستبدال هذه مرة كل سنة تقريباً .وفي مفاعل بقدرة 1000 ميغاوات كهربائي تكون الشحنة المحترقة حوالي النصف تقريباً فلو كان تركيب الوقود الأصلي هو 3 % يورانيوم 235 و97 % يورانيوم 238 فإن الوقود المحترق يكون تركيبه هو 1 % بلوتونيوم و 3 % نواتج انشطار و95 % يورانيوم 238 .

تقدر قدرة المفاعل النووي بالميغاوات حراري , وهي مقدار الحرارة التي يمكن أن يعطيها المفاعل عند تشغيله بأقصى قدرة , أو بالميغاوات الكهربائي وهي أقصى قدرة للمفاعل على توليد الكهرباء وهي دائماً أقل من القدرة الحرارية حيث أنه من المستحيل تحويل كل الحرارة التي يعطيها المفاعل إلى كهرباء , فلابد من فقد جزء من الحرارة أثناء التحويل .

وتتنوع المفاعلات كثيراً حسب تصميمها وقدرتها والمواد المستخدمة في مكوناتها , وسنكتفي بذكر الأنواع الأكثر انتشاراً من هذه المفاعلات , وهي كلها تسمى مفاعلات حرارية لأنها تعتمد على النيوترونات البطيئة والتي تسمى النيوترونات الحرارية في إحداث التفاعل الإنشطاري .

وهي المفاعلات التي تستخدم الماء العادي كمهدئ ومبرد وناقل للحرارة , ولذلك فوقودها من اليورانيوم المخصب إلى حوالي 3 % من النظير 235 وينقسم هذا النوع من المفاعلات إلى نوعين حسب دورة الماء في نقل الحرارة إلى عنفات توليد الكهرباء .

وفيها يمر الماء خلال دورة واحدة من قلب المفاعل إلى العنفات حيث يغلي داخل المفاعل ويخرج بخاراً إلى العنفات في درجة حرارة تبلغ 285 درجة مئوية , وتحت ضغط يعادل حوالي 70 ضعفاً للضغط الجوي , حيث يعود البخار إلى التكاثف من جديد بعد إدارة العنفات وهكذا , لكن مخاطر هذا النوع أن الماء يكون بتلامس مع الوقود النووي وينقل هذا الإشعاع إلى العنفات .

وتوجد فيها دورتان للماء , الأولى مغلقة تماماً لنقل الحرارة من قلب المفاعل إلى دورة الماء الثانية والتي تنقلها بدورها إلى العنفات , ففي الدورة الأولى يظل الماء سائلاًَ خلال الدورة كلها ويخرج من قلب المفاعل في درجة حرارة تبلغ حوالي 325 درجة مئوية وتحت ضغط يبلغ حوالي 150 ضعف الضغط الجوي ليمر من خلال دورة الماء الثانية التي يتم فيها توليد البخار وتوجيهه لإدارة العنفات ثم تكثيفه وإعادته مرة أخرى إلى بداية هذه الدورة ووجود الدورة الثانية التي لا يلامس فيها الماء الوقود النووي يرفع من درجة الأمان الإشعاعي ويمنع انتقال أية نظائر مشعة من قلب المفاعل إلى العنفات , ولكن من ناحية أخرى يزيد الضغط وتزيد درجة الحرارة في قلب المفاعل عن مفاعلات الماء المغلي , وتستخدم مفاعلات الماء المضغوط على نطاق واسع في محطات توليد الكهرباء وهو أيضاً النوع المفضل من المفاعلات في إدارة السفن والغواصات النووية حيث يوجد حوالي 350 مفاعلاً من هذا النوع قائماً بالفعل

وهي مفاعلات نووية تستخدم الماء الثقيل الذي يحتوي على الديتيريوم بدلاً من الهيدروجين كمهدئ ومبرد في دورة أولية , وتستخدم الماء العادي كناقل للحرارة ولإدارة العنفات في دورة ثانية وهي تشبه مفاعلات الماء المضغوط إلى حد كبير فيما عدا استخدام الماء الثقيل الذي يسمح باستخدام اليورانيوم الطبيعي بدون تخصيب .

وهي مفاعلات نووية وقودها اليورانيوم الطبيعي ويستخدم فيها الغرافيت كمهدئ وغاز ثاني أكسيد الكربون CO2 كمبرد في دورة أولية لينقل الحرارة إلى دورة ثانية لتوليد البخار على غرار مفاعلات الماء المضغوط حيث يخرج ثاني أكسيد الكربون من قلب المفاعل في درجة حرارة 400 درجة مئوية وضغط يعادل 70 ضعف الضغط الجوي , وهذا النوع تم تطويره واستخدامه لأول مرة في بريطانيا عام 1956 .

وهي مفاعلات تستخدم الغرافيت كمهدئ والماء العادي كمبرد وناقل للحرارة حيث يمر في قلب المفاعل خلال أنابيب تحتوي على الوقود , ويخرج في درجة حرارة 284 درجة مئوية وضغط يعادل 68 ضعف الضغط الجوي ليدير العنفات , ثم يتكثف ويعود ثانية إلى قلب المفاعل , وهذه المفاعلات تمثل الصورة المتطورة من أول مفاعل أنشئ في الإتحاد السوفيتي السابق في عام 1954 بقدرة 5 ميغا وات ساعي , وقد طورت هذه المفاعلات إلى أن وصلت قدرتها إلى 1500 ميغا وات ساعي , وكان مفاعل تشيرنوبل من هذا الطراز , ولكن بعد الحادث الشهير أوقف إنشاء أي مفاعلات جديدة منه , ومن المعروف أن هذا الطراز لا تتبع فيه إجراءات الأمن الصارمة التي تتبع في مفاعلات الطرازات التي ذكرت سابقاً , حيث لم يكن لمفاعل تشيرنوبل الدرع الواقي الذي يتحمل مثل هذه الحوادث ويمنع تسرب أي شيء من قلب المفاعل عند حدوثها .

------------------------------------------------------------------------------------------------

يمكن النظر إلى دورة الوقود النووي على أنها دائرة مغلقة يدخل إليها اليورانيوم القادم من المناجم ويخرج منها اليورانيوم المستنفذ الذي يحتوي على 0.2 % يورانيوم 235 من ناحية , ويخرج منها البلوتونيوم ونواتج الإنشطار من ناحية أخرى , وهناك وحدات معالجة خاصة تعمل مع مفاعلات خاصة في دورة وقود هدفها الأساسي هو إنتاج البلوتونيوم بغرض صناعة الأسلحة النووية , وهذه طبعاً منشآت عسكرية سرية ولا يعلن عن نشاطها .