[™_King_Redsea_™]

مفاعل نووي صغير للأبحاث العلميه

مقدمه :

المفاعلات النووية هي منشآت ضخمة يسيطَر فيها على عملية الأنشطار النووي حيث تحتفَظ الأجواء المناسبة لأستمرار عملية الأنشطار النووي دون وقوع انفجارات أثناء الأنشطارات المتسلسلة. يسخدم المفاعلات النووية لأغراض إنتاج الطاقة الكهربائية وتصنيع الأسلحة النووية وازالة الأملاح والمعادن الأخرى من الماء للحصول على الماء النقي وتحويل عناصر كيميائية معينة إلى عناصر أخرى وإنتاج نظائر عناصر كيميائية ذات فعالية اشعاعية وأغراض أخرى.
يعتبر إنريكو فيرمي عالم في الفيزياء من إيطاليا والذي حاز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1938 وغادر إيطاليا بعد صعود الفاشية على سدة الحكم واستقر في نيويورك في الولايات المتحدة من أوائل من اقترحوا بناء مفاعل نووي حيث اشرف مع زميله ليو زيلارد Leó Szilárd الذي كان يهوديا من مواليد هنغاريا على بناء أول مفاعل نووي في العالم عام 1942 وكان الغرض الرئيسي من هذا المفاعل هو تصنيع الأسلحة النووية. في عام 1951 تم وللمرة الأولى إنتاج الطاقة الكهربائية من مفاعل أيداهو في الولايات المتحدة.
يتوقع بعض الخبراء نقصا في الطاقة الكهربائية في المستقبل البعيد نتيجة ظاهرة انحباس حراري سببتها أنشطة بشرية مثل تكرير النفط ومحطات الطاقة وعادم السيارات وغيرها من الأسباب وهناك اعتقاد سائد ان الطاقة النووية هو السبيل الأمثل لسد هذا النقص في المستقبل.
لمعرفة الدول ذات القدرة النووية اقرأ المقال الرئيسي الأسلحة النووية.

يتكون المفاعل النووي من الأجزاء التالية :

مركز المفاعل أو قلب المفاعلوهو الجزء الذي يحتوي على وحدات الوقود النووي وتتم فيه سلسلة الانشطار النووي.

2 : السائل المهدئ moderator ويستعمل الماء عادة لخفض سرعة النيوترونات وبالتالي معدل الانشطار النووي كما أنه ينقل الحرارة الناتجة من التفاعل النووي ويتحول جزء منه إلى بخار عال الضغط، يستغل في تشغيل التوربين.

3 : حاويات تحيط بقلب المفاعل والماء، مصنوعة من الحديد الصلب ذات جدران سميكة(نحو 25 سم)، للاحتفاظ بضغط البخار عاليا، ولمنع تسرب الأشعاعات الناتجة من الأنشطار النووي إلى الخارج والوقاية منها. يخرج بخار الماء بضغط يبلغ 400 ضغط جوي وتكون درجة حرارته نحو 450 درجة مئوية بواسطة أنابيب متينة من حاوية المفاعل، وهي تسمى أحيانا خزان الضغط للمفاعل .


4 : مبادلات حرارية يأتي البخار عالى الضغط من المفاعل إلى المبادلات لفصل دائرتي الماء، الدائرة الأولية التي تلف في المفاعل وهذه تكون عالية الإشعاع نظرا لتلامسها مع الوقود النووي. لذلك تُفصل عن الدائرة الثانوية للماء الساخن المضغوط، ويتحول هذا الماء في الدائرة الثانوية عند مغادرته المبادل الحراري إلى بخار ماء عالي الضغط والحرارة ويوجه إلى توربين لتوليد الكهرباء.

5 : مولد كهربائي عملاق يديره التوربين ويولد التيار الكهربائي.


بذلك تتحول الطاقة النووية إلى طاقة حرارية ثم إلى طاقة حركة للتوربين والمولد الكهربائي الذي يحولها إلى طاقة كهربائية لشغيل المصانع وإنارة المنازل .

الحالة الحرجة :

غرفة المراقبة للمفاعل النووي.


لغرض تحفيز سلسلة عمليات الأنشطار النووي في مركز المفاعل النووي يستعمل ما يسمى بالوقود النووي والتي هي في الغالب اليورانيوم-235 أو البلوتونيوم-239. والفكرة تكمن في تحفيز انشطار في أنوية ذرات اليورانيوم-235 والبلوتونيوم-239 لايصالهما إلى مرحلة ما يسمى الكتلة الحرجة.
لتوضيح مفهوم الكتلة الحرجة تصور ان هناك كرة بحجم قبضة اليد مصنوعة من يورانيوم-235، بعد تحفيز أولي لعملية الأنشطار النووي بواسطة تسليط حزمة من النيوترون على الكرة سيتولد في المتوسط عدد 2.5 من النيوترونات جراء هذا الأنشطار الأول لنواة ذرة اليورانيوم-235. وهذا يكون كافيا لبدأ انشطار ثان في نواة أخرى من اليورانيوم-235. وأثناء هذه التفاعلات التسلسلية من الأنشطارات في اليورانيوم يُفقد الكثير من النيوترونات الناتجة من التفاعل وتخرج من سطح كرة اليورانيوم، وبفقد تلك النيوترونات يتوقف التفاعل النووي. لهذا يجب أن يكون معدل توليد النيوترونات داخل الكرة مساو على الأقل لعدد النيوترونات المتسربة إلى الخارج حتى تستمر عمليات الأنشطار، وتسمى تلك الحالة الحالة الحرجة. وهنا يأتي دور الكتلة الحرجة التي يمكن تعريفها بالحد الأدنى من كتلة مادة نووية معينة كافية لدوام سلسلات متعاقبة من الأنشطارات.
إذا كان العنصر المستخدم في عملية الأنشطار النووي ذو كتلة يتطلب تسليطا مستمرا بالنيوترونات لتحفيز الأنشطار الأولي للنواة فان هذه الكتلة تسمى الكتلة دون الحرجة.
اذا كان العنصر المستخدم في عملية الأنشطار النووي ذو كتلة قادرة على تحمل سلسلات متعاقبة من الأنشطار النووي حتى بدون اي تحفيز خارجي بواسطة تسليط نيوترونات خارجية فيطلق على هذه الحالة الكتلة الفوق حرجة وهي المرحلة المطلوبة لتصنيع القنبلة النووية.

تعتبر أستراليا، كازاخستان، كندا، جنوب أفريقيا، البرازيل، ناميبيا من أكبر الدول المصدرة لليورانيوم وتباع عادة بسعر يتراوح من 80 - 100 دولار للكيلوغرام الواحد وبعد الحصول عليه يتم طحنه وتحويله إلى مايسمي بالكعكة الصفراء التي يتم تحويلها فيما بعد إلى هيكسافلوريد اليورانيوم uranium hexafluoride ويتم بعد ذلك عملية اخصاب اليورانيوم.

المكونات :

المكوّنات الرئيسية الشائعة في أكثر أنواع محطات الطاقة النووية هي:
الوقود النووي
قلب المفاعل
مهدئ النيوترون
قضبان تحكم (تمتص النيوترونات)
غلاية
عنفة بخارية
مولد كهربائي
مكثف الماء
برج تبريد (غير مطلوب دائما)
نظام وقائي (منع الانفجار)
بناية الاحتواء
غرفة المراقبة
وسائل العمليات المستعجلة
حوض تخزين الوقود المستهلك

تخصيب اليورانيوم :

عملية التخصيب عبارة عن عزل نظائر عناصر كيميائية محددة Isotope separation من عنصر ما لغرض زيادة تركيز نظائر أخرى للحصول على مادة تعتبر مشبعة بالنظير المطلوب على سبيل المثال عزل نظائر معينة من اليورانيوم الطبيعي للحصول على اليورانيوم المخصب واليورانيوم المنضب. وتتم عملية التخصيب على مراحل حيث يتم في كل مرحلة عزل كميات أكبر من النظائر الغير مرغوبة حيث يزداد العنصر تخصيبا بعد كل مرحلة لحد الوصول إلى نسبة النقاء المطلوبة.
على سبيل المثال اليورانيوم المخصب عبارة عن يورانيوم تمت زيادة نسبة نظائر اليورانيوم-235 فيه وازالة النظائر الأخرى. وعملية التخصيب هذه صعبة ومكلفة وتكمن الصعوبة ان النظائر الذي يراد ازالتها من اليورانيوم شبيهة جدا من ناحية الوزن للنظائر الذي يرغب بالابقاء عليها وتخصيبها ويتم عملية التخصيب باستخدام الحرارة عبر سائل أو غاز لتساهم في عملية عزل النظائر الغير المرغوبة وهناك طرق أخرى أكثر تعقيدا كاستعمال الليزر أو الأشعة الكهرومغناطيسية.
وتبلغ نسبة اليورانيوم-235 الذي يراد تخصيبه من اجمالي ذرة اليورانيوم الطبيعي نسبة 0.7% فقط ولكن هذا الجزء هو المرغوب فيه لكونه اخف من ناحية الكتلة من الأجزاء الأخرى من اليورانيوم الطبيعي. الجزء المتبقي من اليورانيوم الطبيعي بعد استخلاص جزء اليورانيوم-235 يسمى اليورانيوم-238. تم تخصيب اليورانيوم لأول مرة في الولايات المتحدة بعد الحرب العالمية الثانية حيث تم بناء 3 من المفاعلات النووية في ولايات تينيسي وأوهايو وكنتاكي وكانت الطريقة المستعملة عبارة عن ضخ كميات كبيرة من اليورانيوم على شكل غاز يورانيوم هيكسافلوريد uranium hexafluoride إلى حواجز ضخمة تحوي على ملايين الثقوب الصغيرة جدا وبهذه الطريقة يتم انتشار اليورانيوم-235 (وهو الجزء المطلوب) بسرعة أكبر نسبة إلى اليورانيوم-238 (وهو الجزء الغير مرغوب فيه لكونه أثقل) وتم استغلال الفرق في سرعة الأنتشار وجمع كميات هائلة من اليورانيوم-235 وتمتلك الولايات المتحدة يورانيوم مخصب من النوع العالي الخصوبة بنسبة 90%. ومن أساليب التخصيب الأخرى الأسلوب الذي يعرف بالترشيح ويعتمد هذا الأسلوب على أنه بين النظيرين الموجودين في غاز سداسي فلوريد اليورانيوم، فإن اليورانيوم-235 ينتشر بسرعة أكثر عبر مرشح خاص عن السرعة التي ينتشر بها النظير الأثقل، اليورانيوم-238. وكما هو الحال مع أسلوب الطرد المركزي، يلزم تكرار هذه العملية مرات عديد
وتقاس قدرة محطات تخصيب اليورانيوم في شروط 'وحدات أعمال الفصل أو وحدة فصل. وحدة فصل وحدة معقدة وهي وظيفة من كمية اليورانيوم المعالج (أي مدى الزيادة في تركيز نظير اليورانيوم 235 بالنسبة للفترة المتبقية) ومستوى استنفاد الباقي. وحدة بشكل صارم : كيلو مفرق وحدة العمل، وأنه يقيس كمية من أعمال الفصل تنفيذ لتخصيب كمية معينة من اليورانيوم مبلغ معين. فإنه يدل بالتالي من الطاقة المستخدمة في تخصيب اليورانيوم عندما يتم التعبير عن كميات الأعلاف والمنتجات في كمية الحجم. على سبيل المثال، لإنتاج كيلوغرام واحد من اليورانيوم المخصب إلى 5 ٪ يو - 235 يتطلب 7،9 وحدة فصل إذا تم تشغيل المصنع في ذيول فحص 0،25 ٪، أو وحدة فصل 8،9 إذا كان فحص ذيول هو 0،20 ٪ (مما يتطلب سوى 9،4 كيلوغرام بدلا من 10،4 كيلوغرام من العلف يو الطبيعية). هناك دائما المفاضلة بين تكلفة وحدة فصل وتخصيب اليورانيوم تكلفة.

المشاكل وتدوير المواد النووية :

لمشكلة الكبرى تكمن في كيفية التخلص من المخلفات النووية الناتجة في المفاعلات النووية. وعادة ما يوضع اليورانيوم المستهلك في احواض مائية كبيرة لمدة عشرات السنين لغرض تخفيض أشعاعها النووي إلى حد يسهل معاملتها صناعيا بعد ذلك. وعندها يمكن اختيار طريقة من بين طريقتين لمعاملتها : أما تجهيزها وتغليفها استعدادا لدفنها في الطبقات الجيولوجية العميقة (على عمق 800 إلى 1000 متر) تحت الأرض بعيدا عن السكان، أو الطريقة الأخرى وتتضمن معالجة اليورانيوم المستهلك كيميائيا لفصل البلوتونيوم-239 عن النفايات المشعة. بعد ذلك يمكن استغلال البلوتونيوم-239 في تصنيع كابسولات جديدة يمكن اعادة استخدامها في المفاعل لتوليد الطاقة الكهربائية، إذ أن البلوتونيوم-239 له نفس الخواص النووية التي يتميز بها اليورانيوم-235 ويصلح لإنتاج الطاقة الكهربائية. أما النفايات المتبقية من المعاملة الكيميائية فيمكن التخلص منها أولا بخلطها بمسحوق الزجاج ثم صهر المخلوط فتصبح النفايات محتجزة في الزجاج الذي يـُصب في أوعية أسطوانية من الحديد الصلب أرتفاعها 120 سم وقطرها 40 سم. وتخزن تلك الأسطوانات شديدة الاشعاع إلى حين بناءالمطرح النهائي للتخلص منها تحت الأرض. والمهم في الطريقة الثانية لمعالجة اليورانيوم المستهلك أنها طريقة لتدوير المواد النووية لاستعادة استخدامها من خلال العملية الكيميائية لفصلها عن النفايات المشعة.وقد اختارت أنجلترا وفرنسا هذا الطريق لما له من فائدة نحو تدوير المواد النووية وإعادة استخدامها. وتقوم كل من إنجلترا في سيلافيلد Sellafield وفرنسا في لاهاج La Hague بتدوير المواد النووية المستهلكة الناتجة من تشغيل مفاعلاتهم .

مفاعل تشرنوبل :

مفاعل تشرنوبل (أوكراني:Чорнобиль، روسي: Чернобыль)محطة طاقة نووية شيدت لتوليد الطاقة الكهربائية. يقع مفاعل تشرنوبل بمحاذاة مدينة برابيت الأوكرانية و على بعد 18 كم شمال غرب مدينة تشيرنوبيل المهجورة حالياً و الواقعة في مقاطعة كييف. يأتي الاسم من كلمتي تشروني(чорний, أسود) وبيليا (билля, أعشاب). كان المفاعل رقم 4 موقع كارثة تشيرنوبيل سنة 1986.

الانشاء :

موقع المحطة يبعد ب 18 كم عن مدينة تشرنوبيل و 16 كم عن حدود اوكرانيا مع بيلاروسيا و يبعد بحوالي 100 كم عن مدينة كييف و بمحاذاة مدينة برايبت التي انجزت في البداية لايواء العمال و عائلاتهم.
احتوت المحطة على 4 مفاعلات من نوع آر بي إم كي -1000 (RBMK-1000) القادرة على توليد 1000 ميغاواط من الكهرباء في الساعة انطلاقا من الطاقة النووية و كانت ثالث محطة طاقة نووية ( بعد محطتي لينيغراد و خورسك ) ينشأها الاتحاد السوفياتي باستعمال هذه المفاعلات و الاولى في اوكرانيا. بدأ انشاء المفاعلات سنة 1971 حيث تم انشاء المفاعل 1 و 2 و شرع المفاعل رقم 1 في العمل سنة 1975 و المفاعل 2 سنة 1976. وسنة 1977 شرع في انشاء المفاعلين 3 و 4 ليتم بدأ استغلالهما سنة 1981 و 1983 على التوالي، وبعدها شرع في انشاء مفاعلين آخرين 5 و 6 و اقتربت الاشغال من نهايتها بالمفاعل 5 الذي كان من المقرر بداية استغلاله سنة 1986 لكن كارثة تشرنوبيل التي سببها انفجار المفاعل 4 أوقفت ذلك.
كانت المحطة قبل الحادثة تمول اوكرانيا التي كانت تابعة للاتحاد السوفياتي بحوالي 10% مما تحتاجه من كهرباء.

الحوادث :

1982
في سنة 1982 وقع حادث انصهار لب المفاعل 1، ولم يتم الاعلان عنه للرأي العام الا بعد مرور عدة سنوات.و بدأت عمليات اصلاحه و ارجاعه للخدمة سنة 1985 و استمرت عدة شهور.

مقال تفصيلي عن الحادثه :

شهد مفاعل تشيرنوبيل أكبر كارثة نووية عرفها العالم وقعت يوم السبت 26 أبريل من عام 1986 على الساعة 1:24 ليلا. كان ما يقرب من 200 موظف يعملون في المفاعلات(3،2،1) بينما كان يتم إجراء تجارب السلامة في المفاعل 4 فوقع انفجار كبير نجم عن انصهار لب المفاعل نتيجة ارتفاع درجة حرارته بشكل كبير جدا نتجت عن اخطاء تقنية ارتكبها عمال المناوبة الليلة الذين كانوا شبابا لا يملكون خبرة كبيرة و نتج عنه تعطل احدى المحركات التوربينية و فشل نظام التبريد الخاص بالمفاعل وادى الانفجار إلى توقف جميع أنظمة التحكم بالمفاعل.
قوة الانفجار نسفت سقف المفاعل الذي يزن 2000 طن من الفولاذ وانطلق ما يوازي 8 طن من الوقود النووي إلى السماء. تدخلت بعدها فرق الانقاذ لاطفاء الحريق و التي كانت تجهل تسرب مواد خطيرة مثل اليوريانيوم و البلوتونيوم و السيزيوم و اليود ونتج عنه تعرضهم لمستويات خطيرة من الاشعاع الذي وصل آلاف أضعاف المستوى العادي تسببت في الأشهر اللاحقة في وفاة 36 شخصا أغلبهم من عمال الاطفاء وعمال المحطة.
بعد التكتم على الحادث في اليومين الاوليين أعلن الاتحاد السوفياتي أن منطقة تشرنوبل منطقة منكوبة وبدأت عمليات اجلاء مئات آلاف السكان من المناطق المحيطة بالمفاعل وقد جند أمهر الخبراء و المختصين في المجال النووي لدى السوفياتيين لتقليل خطر الانعاثات الاشعاعية واستمرت عمليات مكافحة الحرائق و تخفيض درجة الاشعاع لمدة 10 ايام و نصح الخبراء باستعمال الرمال والطين ومواد اخرى منها الرصاص و البور لاطفاء الحريق وتخفيف مستويات الاشعاع حيث تم رميها من المروحيات والتي خاطر من كانوا على متنها بحياتهم لانقاذ حياة الملايين. وكان انبعاث المواد المشعة التي عادل تأثيرها ما لا يقل عن 200 قنبلة كتلك التي ألقيت على مدينة هيروشيما سببا في تلوث أجواء جزء كبير من أوروبا بالاشعاعات، لا سيما أوكرانيا، بيلاروسيا، روسيا، ألمانيا وحتى السويد.
بعد نجاح عملية التحكم في الحرائق تنبه الخبراء إلى ان هناك خطر وشيك اخر و هو تسرب المادة المنصهرة المشعة إلى التربة ونهر دنيبر ما كان سيحدث كارثة حقيقة لأن النهر كان يمول ملايين السكان بالمياه الصالحة للشرب اضافة إلى امكانية وصول الاشعاع إلى المياه الجوفية ما يعني كارثة اخرى تستمر لمئات السنين لذلك تم اللجوء إلى بناء غرفة من الخرسانة المسلحة تحت المفاعل لمحاصرة صهارة المواد المتفاعلة المشعة بدرجة خطيرة و منعها من التسرب إلى باطن التربة و تشييد غلاف خرساني من 700 ألف طن من الحديد الصلب والاسمنت حول المفاعل بغرض احكام الاغلاق على حوالي 200 طن من خليط الوقود المشع والاسمنت والرمال التي انصهرت.
حشد حوالي 600 ألف شخص من كل الانحاء اغلبهم كان من أفراد الجيش بالاضافة إلى قوات الاطفاء و الدفاع المدني و عمال المناجم شاركوا في عمليات اطفاء الحرائق و ازالة مخلفات الانفجار التي كانت مشبعة بالاشعاع اضافة إلى اخلاء المدن المجاورة و قتل كل الحيوانات بعد اصابتها بالاشعاع.
أدى الحادث و ما نجم عن الاشعاعات إلى وفاة حوالي 2000 شخص حسب ارقام الاتحاد السوفياتي و 8000 آلاف حسبما صرحت به اوكرانيا بعد انفصالها و ذلك في الأشهر و الأعوام التي تلت الحادثة اضافة إلى اصابة مئات الالاف بالاشعاعات بدرجات متفاوتة ما سبب للكثير منهم الأمراض خصوصا السرطان و الاعاقات و التشوهات و بلغت الخسائر المادية أكثر من ثلاثه مليارات دولار اضافة إلى تهجير أكثر من 200 ألف ساكن و تحول مدينتي شرنوبيل و برايبت إلى مدن اشباح.
و ذكر برنامج وثائقي على قناة الجزيرة أن عدم إعلام المواطنيين بشكل فوري قد زاد من حجم الكارثة .

وقف العمل :

صورة المفاعل 4 بعد الكارثة.

بعد انفجار المفاعل 4 استمر بعدها العمل بباقي المفاعلات المتواجدة بالمحطة، لكن حادث 1991 بالمفاعل 2 اخرجه من الخدمة و في سنة 1996 توقف العمل بالمفاعل 1 و تبعه ايقاف المفاعل 3 في 15 ديسمبر 2000 تصديقا لوعد الرئيس الأوكراني ليونيد كوتشما بايقاف المحطة كلياً .




وبكده نكون أنتهينا من الموضوع في أمان الله