[عادل الثبيتي]

كيف يتم إنتاج الطاقة النووية

إنتاج الطاقة

تنتجُ كلُّ محطاتِ القدرةِ النووية التجارية الكبيرة طاقتها بانشطارِ اليورانيوم 235 الذي يؤلّف أقل من 1 % من اليورانيوم الموجود في الطبيعة؛ بينما يؤلف اليورانيوم 238، 99 % من هذا اليورانيوم، ويوجدُ هذان النوعان معًا في خامِ اليورانيومِ مثل الكرنوتيت والبتشبلند، ويَصْعُبُ إلى حدٍّ كبير فصل اليورانيوم 235 عن اليورانيوم 238 في خاماتِ اليورانيومِ، ويكلف كثيرًا؛ لذلك يتكوّن معظمُ الوقود المستعمل في المفاعلات من اليورانيومِ 238، ولكنَّهُ يتضمنُ ما يكفِي منَ اليورانيومِ 235 لإحداثِ التفاعلِ المتسلسلِ، ويتطلبُ الوقودُ النووي إجراءاتٍ خاصة قبل وبعد استعمالِه، وتبدأُ هذه الإجراءاتُ باستخراجِ خامِ اليورانيومِ وتنتهي بالتخلصِ منَ النفاياتِ، وتعرفُ هذه الإجراءات كاملة باسم: دورة الوقود النووي.

تصميمُ محطة القدرة

تشغلُ معظمُ محطات القدرة النووية ما بين 80 و 120 هكتارًا، ويقامُ أكثرُها بالقربِ من نهرٍ كبيرٍ أو بحيرةٍ؛ لأنَّ المحطاتِ النووية تتطلبُ كمياتٍ هائلة من الماءِ لأغراضِ التبريدِ. وتتكوّنُ أيُّ محطةٍ نوويةٍ من بضعةِ مبانٍ رئيسيةٍ، ويوجدُ في أحدِها المفاعل والأجزاء المتصلة به، ويشتملُ مبنًى رئيسيٌّ آخرُ على عنفاتِ (توربيناتِ) المحطةِ والمولداتِ الكهربائيةِ، وتوجدُ في كلِّ محطةٍ أماكنُ لخزنِ الوقودِ المستعملِ وغيرِ المستعملِ، ويتمُّ تشغيلُ كثيرٌ منَ المحطاتِ أوتوماتيًّا، ولكلِّ محطةٍ غرفة تحكّم مركزية يمكنُ أن تكون في مبنًى مستقلٍّ أو في أحدِ المباني الرئيسيةِ. ويكون لمبنَى المفاعل، أو بنية الاحتواء، أرضية خرسانية سميكة وجدران سميكة منَ الفولاذِ أو من الخرسانةِ المكسوةِ بالفولاذِ، ويمنعُ كلّ من الخرسانةِ والفولاذِ هروبَ الإشعاع نتيجة تسرب طارئ منَ المفاعلِ النوويِّ.

وعاءُ المفاعل

بناءٌ في شكلِ صهريجٍ، يتضمنُ كلَّ أجزاءِ المفاعل، ويوضعُ قرب قاعدة مبنى المفاعل، وتصنعُ جدرانُ الوعاء منَ الفولاذِ بحيثُ لا يقلّ سمكُها عن 15 سم، وتدخلُ إلى الوعاء وتخرجُ منه أنابيبُ من الفولاذِ لنقل الماء والبخار. القلبُ يحتوِي على الوقودِ النوويّ؛ ولذا فهو يمثلُ الجزء الذي يحدثُ به الانشطار، ويقعُ القلبُ قربَ قاع وعاء المفاعل، ويتألّفُ بصورةٍ رئيسيةٍ منَ الوقودِ النووي الَّذِي يُثَبّتُ في مكانِهِ بين صفيحتين، علويةٍ وسفليةٍ، تسندان الوقود.

قضبانُ التحكمِ

قضبانٌ فلزيةٌ طويلةٌ تحتوِي عَلَى عناصرَ كالبورونِ وَالكادميومِ التي تمتصُّ النيوترونات الحرّة، وتساعدُ بذلكَ عَلَى ضمانِ أمانِ التفاعلِ المتسلسلِ، وتتصلُ هذه القضبانُ برافعةٍ آليةٍ خارجَ وعاء المفاعل تمامًا، وتستطيعُ الرافعةُ إدخالَ القضبان إلى القلبِ أو سحبها لإبطاءِ التفاعلِ المتسلسلِ أو تسريعه وتتوقفُ عملياتُ المفاعل على موادّ تسمى: المهدئات والمبرّدات، والمهدئُ مادة كالماءِ أو الكربونِ تبطئُ النيوترونات التي تمرُّ خلالَها، وتتطلبُ المفاعلاتُ مهدئًا؛ لأنَّ النيوترونات التي يطلقُها الانشطار تكون سريعةً، في حينِ أنَّ النيوترونات البطيئةَ هي اللازمة لإحداث تفاعلٍ متسلسلٍ فِي خليطِ اليورانيومِ 238 واليورانيومِ 235 الذي يستعمله المفاعل وقودًا، أما المبرِّد فهو مادة كالماءِ أو ثاني أكسيد الكربون تنقلُ الحرارةَ نقلاً جيدًا، ولكنّها لا تمتصُّ النيوترونات بسهولةٍ، فهي تنقلُ الحرارةَ الناتجةَ منَ التفاعلِ المتسلسلِ، وبذلكَ تعملُ على منعِ انصهارِ قلبِ المفاعلِ وَعَلَى توليدِ البخارِ. والكثير من مفاعلاتِ القدرةِ هي من نوعِ مفاعلات الماء الخفيف التي تستعملُ ماءً خفيفًا عاديًا بمثابةِ مهدئٍ ومبِّردٍ معًا، يطلق الماء إلى داخل القلب حيث يستخدمُ مهدئًا للبدءِ بتفاعلٍ متسلسلٍ، وحينما يبدأُ التفاعلُ يُستخدمُ الماءُ مبرّدًا. ويستخدم الكثير منَ البلدانِ موادَّ أخرَى في التهدئةِ والتبريدِ، فبعض مفاعلات القدرة، على سبيل المثال: مفاعلات ماء ثقيل ويُستعمل فيها أكسيد الديوتريوم أو الماء الثقيل مهدئًا ومبردًا على حدٍّ سواء.

تحضيرُ الوقود

بعدَ أنْ يتمَّ استخراج خام اليورانيوم، يمرُّ الخامُ بعملياتٍ طويلةٍ منَ الطحنِ والتنقيةِ لفصلِ اليورانيومِ عنِ العناصرِ الأخرَى، ولَمّا كانَ الماءُ الخفيفُ يمتصّ النيوترونات الحرة أكثر منَ الأنواعِ الأخرَى من المهدئاتِ، فإنَّ اليورانيومَ يجبُ أن يخصب، ليزيدَ من احتمالِ ارتطام النيوترونات الحرّة بنواة اليورانيوم 235، أي يجب زيادة نسبة هذا اليورانيوم، ليزيد احتمال ارتطام النيوترونات الحرة بنواة اليورانيوم 235، ويرسل اليورانيوم الذي تم فصلُه من الخامِ إلى محطةِ الإخصاب. وتنـزعُ محطاتُ الإخصاب منَ اليورانيومِ مقاديرَ مختلفةً من اليورانيومِ 238 اللازم للاستعمالِ، ويحتاجُ معظمُ مفاعلات الماء الخفيف وقودًا لا يحتوِي على أكثر من 97,5 % منَ اليورانيومِ 238، و 2,5 إلى 3 % من اليورانيومِ 235، ويُحتاجُ فِي الأسلحةِ النوويةِ، وفي وقودِ السفن النووية، إلى كمياتٍ منَ اليورانيومِ 235 نسبتها أعْلى من ذلك كثيرًا، ويشحنُ اليورانيومُ المخصبُ الذي يرادُ استعماله وقودًا في المفاعلِ إلَى محطاتِ إعدادِ الوقود.

من مراحل التفاعل

وتحوِّل محطة إعداد الوقود اليورانيوم المخصب إلى مسحوقٍ أسودَ يُسمّى: ثاني أكسيد اليورانيوم، ثم تجعله بشكلِ حبُيَبْاتٍ قطرها نحو 8 مم، وطولها نحو 13مم، وتدخلُ الحبيباتُ بعدئذٍ فِي أنابيب مصنوعة من الزركونيومِ أو من فولاذ لا يصدأ، ويبلغُ قطر كل أنبوبة نحو 13 مم، وطولها يتراوحُ بين 3 و5 أمتارٍ، وتستطيعُ النيوتروناتُ الحرة أنْ تخترقَ جدران الأنابيب، في حين يعجز معظمُ الجسيمات النووية الأخرَى عن ذلك. ويُلحم طرفا الأنبوب بعد ملئِهِ بحبيباتِ ثاني أكسيد اليورانيوم، ثم تثبت قضبانُ الوقود ببعضِها البعض مكونة رزمة يتراوح عددُها بين 30 و 300 رزمةٍ، وتزنُ كلُّ رزمةٍ من 140 إلى 680 كجم، وتكوّن مجمعة وقود أو عنصر وقود المفاعل، وتتطلبُ المفاعلاتُ التجاريةُ من 45 إلى 136 طنًّا متريًّا من ثاني أكسيد اليورانيوم، وتتوقفُ الكميةُ على حجم المفاعل؛ وعلى هذا يكون في قلبِ المفاعل مقدار كبير جدًّا من مجمعاتِ الوقود التي تُثَبَّتُ عموديةً في القلبِ بين صفيحتين وتستندُ إليْهما.

التفاعلاتُ المتسلسلةُ

يحتاجُ المفاعلُ إِلَى كميةٍ منَ الوقودِ مناسبة تمامًا للحفاظِ عَلَى التفاعلِ المتسلسلِ، وتسمى هذه الكميةُ: الكتلةَ الحرجةَ، وهي تختلفُ باختلافِ حجمِ المفاعلِ وتصميمه، ويتوقفُ التفاعلُ المتسلسلُ إِذَا نقصتْ كميةُ الوقودِ فِي المفاعلِ عنِ الكتلةِ الحرجةِ، أمَّا إِذَا تجاوزَ تزويدُ المفاعل بالوقودِ هذه الكتلة الحرجة فإنَّ درجةَ حرارته ترتفعُ ارتفاعًا مفرطًا، ومن ثَمَّ يمكنُ أن ينصهرَ القلبُ، ولكن المفاعلات تصممُ بحيثُ يجعلها تحتفظُ بكميةٍ منَ الوقودِ أكثر من الكتلةِ الحرجةِ. وتستطيعُ قضبانُ الأمانِ أن تبطئَ التفاعل المتسلسل إذا ازدادتْ سرعتُه ازديادًا كبيرًا. وتتمُّ تهيئةُ المفاعل للعملِ بتزويدِ قلبه بمجمعاتِ الوقودِ وإدخال قضبان التحكم إدخالاً كاملاً، وفي مفاعلِ الماءِ الخفيفِ يملأُ الماءُ المستخدمُ مهدئًا لتخفيضِ سرعةِ النيوترونات، الفجوات بين مجمعات الوقود. وبعدئذٍ تُسحبُ قضبانُ التحكم ببطءٍ ويبدأُ التفاعلُ المتسلسلُ، وكلما أُبعدت القضبانُ بسحبِها ازدادتْ شدةُ التفاعل، إذ لا يُمتصُ حينئذ إلا القليل من النيوترونات، ويصبحُ الكثيرُ منها حُرًّا لإحداث الانشطار، وينقل الماء، الذي في قلبِ المفاعلِ، الحرارة الهائلة التي يولِّدُها التفاعلُ المتسلسلُ، ويمكنُ إيقافُ هذا التفاعل بإنزالِ القضبانِ مرةً أخرَى إلى قلبِ المفاعلِ لامتصاصِ معظم النيوترونات الحرة.

توليدُ البخار

هناك نوعانِ منَ المفاعلاتِ الَّتِي تستخدمُ الماءَ الخفيفَ: أحدهما: وهو مفاعل الماء المضغوط، يولدُ البخارَ خارج وعاء المفاعل. أما النوع الثاني: فهو مفاعل الماء المغلي، ويولّد البخار داخل وعاء المفاعل. وتستخدم معظمُ المحطات النووية مفاعلات الماء المضغوط التي تسخنُ الماء المهدِّئ في قلبِ المفاعلِ تحت ضغطٍ عالٍ جدًّا مِمَّا يتيحُ للماءِ أن يصلَ إلى درجةِ حرارةٍ أعْلَى من درجةِ غليانِهِ العاديةِ التي تساوي 100°م دونَ أن يغلي فعلاً، ويسخِّن التفاعلُ الماءَ إلى درجة حرارة تبلغ نحو 320°م، وتنقلُ الأنابيبُ هذا الماءَ الحارَّ جدًّا والذي لا يغلي، إلى مولداتِ البخارِ خارج المفاعل.

استخدام حرارة الماء

وتستخدمُ حرارةُ الماء المضغوط في غليانِ الماءِ الموجود في مولدِ البخارِ فيتولد بذلك البخارُ، وفي مفاعلاتِ الماء المغلي يولد التفاعل المتسلسل حرارةً لغلي الماء المهدئ في قلبِ المفاعلِ، وتنقل الأنابيب البخار المتكون من المفاعلِ إلى عنفات (توربينات) المحطة. ويتمُّ تبريدُ معظم المفاعلات في المملكةِ المتحدةِ بالغازِ، إذ يتدفقُ ثاني أكسيد الكربون عَلَى الوقودِ في قلبِ المفاعلِ وينقل الحرارة إلى مولدات البخار. وتُسمى هذه المفاعلات: مَاغْنوكْس، لأن وقود اليورانيوم يوضع في علب مصنوعة من سبيكة المغنيسيوم. وعند إنتاجِ الكهرباءِ تعملُ توربيناتُ المحطة النووية ومولداتها الكهربائية، مثل تلك التي في محطاتِ الوقودِ الأحفوري، فالبخارُ الذي يولّده المفاعل يديرٌ ريشَ توربينات المحطة التي تسيِّر المولِّدات، ولكثيرٍ منَ المحطات مجموعة مؤتلفة من التوربينات والمولِّدات تُسمّى: المولدات التوربينية.

أبراج التبريد

ويُنْقل البخار بعدَ مرورِهِ خلالَ توربيناتِ المحطة بأنابيب إلى مُكَثِّفٍ يُحوّل البخار إلى ماءٍ ثانية، ويستطيعُ المفاعلُ بذلك تكرار استعمال الماء نفسه، غير أن المكثِّف يتطلبُ تزويده بمقدار ثابت من ماء جديد لتبريد البخار، ويحصلُ معظمُ المحطات على هذا الماء من نهرٍ أو بحيرة، ويصبح هذا الماء ساخنًا كلما مرّ عبر المكثف، ويُضخّ مرة أخرى إلى النهر أو البحيرة، ويمكن أن تسبب هذه البقايا من الماء الساخن نوعًا من تلوثِ الماءِ يُسمى: التلوث الحراري، الذي يمكنُ أن يعرّض حياة النبات والحيوان للخطرِ فِي بعضِ الأنهار والبحيرات التي يحدث فيها مثل هذا التلوث. وتوجدُ في معظمِ المحطاتِ النوويةِ الحديثة أبراجُ تبريدٍ لحلِّ مشكلة التلوث الحراري، حيث يُنقل الماء الساخن من مكثفاتِ البخارِ إلى هذه الأبراج بطريقةٍ تجعلُ حرارة الماء تنتقلُ إلى الجوِّ بصورةِ بخارٍ أو بخار ماء.