المفاعل النووي يتحكم في إطلاق الطاقة من تقسيم ذرات بعض العناصر ، في مفاعل الطاقة النووية ، يتم استخدام الطاقة المنبعثة كحرارة لصنع البخار لتوليد الكهرباء، مبادئ استخدام الطاقة النووية لإنتاج الكهرباء هي نفسها بالنسبة لمعظم أنواع المفاعلات.
يتم تسخير الطاقة المنبعثة من الانشطار المستمر لذرات الوقود كحرارة في الغاز أو الماء ، وتستخدم لإنتاج البخار ، و يستخدم البخار في تشغيل التوربينات التي تنتج الكهرباء (كما في معظم محطات الوقود الأحفوري).أول مفاعلات نووية في العالم تعمل بشكل طبيعي في مستودع لليورانيوم منذ حوالي ملياري سنة.
أنواع المفاعلات النوويةالمفاعلات التجارية حول العالم
هناك ستة أنواع رئيسية من المفاعلات المستخدمة في جميع أنحاء العالم. تستخدم التصميمات المختلفة تركيزات مختلفة من اليورانيوم للوقود ، و مشرفين مختلفين لإبطاء عملية الانشطار ، ومبردات مختلفة لنقل الحرارة ،أكثر أنواع المفاعلات شيوعًا هو مفاعل الماء المضغوط (PWR) ، الذي يمثل 250 من 392 مفاعلًا في العالم تعمل الآن.
مفاعل الماء المضغوط
مفاعلات الماء المضغوط (PWRs) هي أكثر أنواع المفاعلات شيوعًا في العالم ، و تستخدم PWRs الماء العادي (أو “الخفيف”) كمبرد وسيط ، و يتم ضغط سائل التبريد لمنعه من الوميض في البخار لإبقائه سائلاً أثناء التشغيل ، كما تقوم المضخات القوية بتدوير الماء عبر الأنابيب ، ونقل الحرارة التي تغلي الماء في حلقة منفصلة ثانوية. يدفع البخار الناتج مولدات التوربينات المنتجة للكهرباء.
مفاعلات الماء المغلي
تشكل مفاعلات الماء المغلي (BWRs) 15٪ من المفاعلات على مستوى العالم. في BWR ، يعمل الماء الخفيف كمبرد وسيط. يتم الاحتفاظ بسائل التبريد عند ضغط أقل من جهاز PWR ، مما يسمح له بالغليان. يتم تمرير البخار مباشرة إلى مولدات التوربينات لإنتاج الكهرباء. في حين أن غياب مولد البخار يبسط التصميم ، فإن النشاط الإشعاعي يمكن أن يلوث التوربين.
مفاعلات الماء الثقيل المضغوط
تُعرف مفاعلات الماء الثقيل المضغوط (PHWRs) المعروفة أيضًا باسم مفاعلات CANDU بحوالي 12٪ من المفاعلات في العالم وتستخدم في جميع محطات توليد الطاقة النووية الكندية. يستخدمون الماء الثقيل كمبرد وسيط ، ويستخدمون اليورانيوم الطبيعي كوقود. كما هو الحال في PWR ، يستخدم المبرد لغلي الماء العادي في حلقة منفصلة. يمكن تزويد مفاعلات CANDU بالوقود بدون إيقاف التفاعل.
مفاعلات تبريد الغاز
لا تستخدم المفاعلات المبردة بالغاز إلا في المملكة المتحدة. هناك نوعان ، Magnox (سميت من سبائك المغنيسيوم المستخدمة لتكسية عناصر الوقود) والمفاعل المتقدم المبرد بالغاز (AGR). يستخدم كلا النوعين ثاني أكسيد الكربون كمبرد وغرافيت كمشرف. يستخدم Magnox اليورانيوم الطبيعي كوقود ، بينما يستخدم AGR اليورانيوم المخصب. مثل مفاعلات CANDU ، يمكن تزويد هذه التصاميم بالوقود أثناء التشغيل.
مفاعلات جرافيت الماء الخفيف
تُستخدم مفاعلات الجرافيت في الماء الخفيف (LWGRs) في روسيا ، مع الماء العادي كمبرد وغرافيت كمشرف. كما هو الحال مع BWRs ، يغلي سائل التبريد أثناء مروره عبر المفاعل ويتم تمرير البخار الناتج مباشرة إلى مولدات التوربينات. غالبًا ما تم تصميم تصاميم LWGR المبكرة وتشغيلها دون الحاجة إلى ميزات السلامة والميزات المطلوبة في أي مكان آخر. حادث 1986 المعروف في تشيرنوبيل (أوكرانيا) حدث لمفاعل من هذا النوع.
مولدات سريعة المفاعلات
ولأن النيوترونات البطيئة من المرجح أن تقسم ذرات اليورانيوم ، فإن معظم أنواع المفاعلات مصممة للاستفادة منها. في المقابل ، تستخدم المفاعلات سريعة التكاثر (FBRs) النيوترونات السريعة لتحويل مواد مثل اليورانيوم 238 والثوريوم -232 إلى مواد انشطارية ، والتي تعمل بعد ذلك على تشغيل المفاعل. هذه العملية ، إلى جانب إعادة التدوير ، لديها القدرة على زيادة موارد الوقود النووي المتاحة على المدى الطويل. FBRs تعمل بشكل رئيسي في روسيا، و تم تصميم مفاعل الوحدات الصغيرة الحديثة (SMR) ليتم بناؤه اقتصاديًا في ظروف تشبه المصنع (بدلاً من الموقع) ، وبسعات تتراوح بين حوالي 10 ميجاوات و 300 ميجاوات.
مفاعلات وحدات صغيرة
– هناك اهتمام متزايد في الشركات الصغيرة والمتوسطة لتوفير الكهرباء لخدمة شبكات الكهرباء الصغيرة ، وربما لتوفير الحرارة للصناعات الموارد. الشركات الصغيرة والمتوسطة يمكن أيضا أن تضاف تدريجيا إلى شبكات أكبر مع تزايد الطلب. تقدر الوكالة الدولية للطاقة الذرية أن ما يصل إلى 96 من الشركات الصغيرة والمتوسطة يمكن أن تعمل في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2030.
– بعض تصاميم SMR في مراحل متقدمة من التطوير ، بما في ذلك العديد من التصميمات لتكون تحت الأرض بالكامل ، مما يقلل من استخدام الأراضي والموظفين والاحتياجات الأمنية. بعض التصميمات تشمل أنظمة السلامة السلبية ، ويمكن أن تعمل لمدة تصل إلى أربع سنوات دون التزود بالوقود.
عمر المفاعل
– لا تزال بعض مفاعلات الجيل الأول ، مثل مفاعلات Magnox المبردة بالغاز في المملكة المتحدة ، تعمل ، على الرغم من أنها تقترب من نهاية عمرها التشغيلي. تم بناء العديد من مفاعلات اليوم في السبعينيات والثمانينيات وستقترب من عمر 40 عامًا ابتداءً من عام 2015. ومع ذلك ، لم تكشف الدراسات المستندة إلى تجربة التشغيل والمواد عن أية مشكلات تكنولوجية كبرى تحول دون حياة تشغيلية طويلة للعديد من المفاعلات ، خاصة PWRs و BWRs.
– توفر المراقبة الدقيقة لأداء المصنع وتحليل تجربة التشغيل وبرامج التحديث والتجديدات آفاقًا جيدة لتمديدات الحياة في العديد من المصانع. على سبيل المثال ، اعتبارًا من عام 2014 ، تم جدولة عشرة مفاعلات CANDU للتجديد لإطالة عمرها التشغيلي من 25 إلى 30 عامًا وما بعده.
يتم تسخير الطاقة المنبعثة من الانشطار المستمر لذرات الوقود كحرارة في الغاز أو الماء ، وتستخدم لإنتاج البخار ، و يستخدم البخار في تشغيل التوربينات التي تنتج الكهرباء (كما في معظم محطات الوقود الأحفوري).أول مفاعلات نووية في العالم تعمل بشكل طبيعي في مستودع لليورانيوم منذ حوالي ملياري سنة.
أنواع المفاعلات النوويةالمفاعلات التجارية حول العالم
هناك ستة أنواع رئيسية من المفاعلات المستخدمة في جميع أنحاء العالم. تستخدم التصميمات المختلفة تركيزات مختلفة من اليورانيوم للوقود ، و مشرفين مختلفين لإبطاء عملية الانشطار ، ومبردات مختلفة لنقل الحرارة ،أكثر أنواع المفاعلات شيوعًا هو مفاعل الماء المضغوط (PWR) ، الذي يمثل 250 من 392 مفاعلًا في العالم تعمل الآن.
مفاعل الماء المضغوط
مفاعلات الماء المضغوط (PWRs) هي أكثر أنواع المفاعلات شيوعًا في العالم ، و تستخدم PWRs الماء العادي (أو “الخفيف”) كمبرد وسيط ، و يتم ضغط سائل التبريد لمنعه من الوميض في البخار لإبقائه سائلاً أثناء التشغيل ، كما تقوم المضخات القوية بتدوير الماء عبر الأنابيب ، ونقل الحرارة التي تغلي الماء في حلقة منفصلة ثانوية. يدفع البخار الناتج مولدات التوربينات المنتجة للكهرباء.
مفاعلات الماء المغلي
تشكل مفاعلات الماء المغلي (BWRs) 15٪ من المفاعلات على مستوى العالم. في BWR ، يعمل الماء الخفيف كمبرد وسيط. يتم الاحتفاظ بسائل التبريد عند ضغط أقل من جهاز PWR ، مما يسمح له بالغليان. يتم تمرير البخار مباشرة إلى مولدات التوربينات لإنتاج الكهرباء. في حين أن غياب مولد البخار يبسط التصميم ، فإن النشاط الإشعاعي يمكن أن يلوث التوربين.
مفاعلات الماء الثقيل المضغوط
تُعرف مفاعلات الماء الثقيل المضغوط (PHWRs) المعروفة أيضًا باسم مفاعلات CANDU بحوالي 12٪ من المفاعلات في العالم وتستخدم في جميع محطات توليد الطاقة النووية الكندية. يستخدمون الماء الثقيل كمبرد وسيط ، ويستخدمون اليورانيوم الطبيعي كوقود. كما هو الحال في PWR ، يستخدم المبرد لغلي الماء العادي في حلقة منفصلة. يمكن تزويد مفاعلات CANDU بالوقود بدون إيقاف التفاعل.
مفاعلات تبريد الغاز
لا تستخدم المفاعلات المبردة بالغاز إلا في المملكة المتحدة. هناك نوعان ، Magnox (سميت من سبائك المغنيسيوم المستخدمة لتكسية عناصر الوقود) والمفاعل المتقدم المبرد بالغاز (AGR). يستخدم كلا النوعين ثاني أكسيد الكربون كمبرد وغرافيت كمشرف. يستخدم Magnox اليورانيوم الطبيعي كوقود ، بينما يستخدم AGR اليورانيوم المخصب. مثل مفاعلات CANDU ، يمكن تزويد هذه التصاميم بالوقود أثناء التشغيل.
مفاعلات جرافيت الماء الخفيف
تُستخدم مفاعلات الجرافيت في الماء الخفيف (LWGRs) في روسيا ، مع الماء العادي كمبرد وغرافيت كمشرف. كما هو الحال مع BWRs ، يغلي سائل التبريد أثناء مروره عبر المفاعل ويتم تمرير البخار الناتج مباشرة إلى مولدات التوربينات. غالبًا ما تم تصميم تصاميم LWGR المبكرة وتشغيلها دون الحاجة إلى ميزات السلامة والميزات المطلوبة في أي مكان آخر. حادث 1986 المعروف في تشيرنوبيل (أوكرانيا) حدث لمفاعل من هذا النوع.
مولدات سريعة المفاعلات
ولأن النيوترونات البطيئة من المرجح أن تقسم ذرات اليورانيوم ، فإن معظم أنواع المفاعلات مصممة للاستفادة منها. في المقابل ، تستخدم المفاعلات سريعة التكاثر (FBRs) النيوترونات السريعة لتحويل مواد مثل اليورانيوم 238 والثوريوم -232 إلى مواد انشطارية ، والتي تعمل بعد ذلك على تشغيل المفاعل. هذه العملية ، إلى جانب إعادة التدوير ، لديها القدرة على زيادة موارد الوقود النووي المتاحة على المدى الطويل. FBRs تعمل بشكل رئيسي في روسيا، و تم تصميم مفاعل الوحدات الصغيرة الحديثة (SMR) ليتم بناؤه اقتصاديًا في ظروف تشبه المصنع (بدلاً من الموقع) ، وبسعات تتراوح بين حوالي 10 ميجاوات و 300 ميجاوات.
مفاعلات وحدات صغيرة
– هناك اهتمام متزايد في الشركات الصغيرة والمتوسطة لتوفير الكهرباء لخدمة شبكات الكهرباء الصغيرة ، وربما لتوفير الحرارة للصناعات الموارد. الشركات الصغيرة والمتوسطة يمكن أيضا أن تضاف تدريجيا إلى شبكات أكبر مع تزايد الطلب. تقدر الوكالة الدولية للطاقة الذرية أن ما يصل إلى 96 من الشركات الصغيرة والمتوسطة يمكن أن تعمل في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2030.
– بعض تصاميم SMR في مراحل متقدمة من التطوير ، بما في ذلك العديد من التصميمات لتكون تحت الأرض بالكامل ، مما يقلل من استخدام الأراضي والموظفين والاحتياجات الأمنية. بعض التصميمات تشمل أنظمة السلامة السلبية ، ويمكن أن تعمل لمدة تصل إلى أربع سنوات دون التزود بالوقود.
عمر المفاعل
– لا تزال بعض مفاعلات الجيل الأول ، مثل مفاعلات Magnox المبردة بالغاز في المملكة المتحدة ، تعمل ، على الرغم من أنها تقترب من نهاية عمرها التشغيلي. تم بناء العديد من مفاعلات اليوم في السبعينيات والثمانينيات وستقترب من عمر 40 عامًا ابتداءً من عام 2015. ومع ذلك ، لم تكشف الدراسات المستندة إلى تجربة التشغيل والمواد عن أية مشكلات تكنولوجية كبرى تحول دون حياة تشغيلية طويلة للعديد من المفاعلات ، خاصة PWRs و BWRs.
– توفر المراقبة الدقيقة لأداء المصنع وتحليل تجربة التشغيل وبرامج التحديث والتجديدات آفاقًا جيدة لتمديدات الحياة في العديد من المصانع. على سبيل المثال ، اعتبارًا من عام 2014 ، تم جدولة عشرة مفاعلات CANDU للتجديد لإطالة عمرها التشغيلي من 25 إلى 30 عامًا وما بعده.
