تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

تعريف المفاعل النووي

المفاعل النووي هوَ جهازٌ يُستخدم لتنفيذ التحكُّم في الانشطار النووي، وقد تمَّ  بناء أوَّل مفاعلٍ نووي في العالم في شيكاغو عام 1942 من قبل العالم أنريكو فيرمي، وكان من أهمّ الاختراعات في القرن العشرين. الوقود النووي المُستخدم في المفاعلات النوويّة هو اليورانيوم الطبيعي الذي يتكوَّن من 0.71 بالمئة من اليورانيوم [math]_{92}^{235}\textrm{U}[/math]، والباقي يورانيوم [math]_{82}^{238}\textrm{U}[/math] ، ويورانيوم [math]_{92}^{233}\textrm{U}[/math] الذي يحدث لهُ تفاعل انشطارٍ بسهولة. ^[1]

الانشطار النووي

عندَ قذف نيوترون واحد بنواة [math]_{92}^{235}\textrm{U}[/math] ، فإنَّها تنقسمُ إلى نَوىً مُصاحبةً لاثنين أو ثلاث نيترونات، ونتيجةً لهذا الانشطار تنطلق كميّة كبيرة من الطاقة. إنَّ النيترونات المُنبعثة تقومُ بتنشيط انشطار نَوى يورانيوم [math]_{92}^{235}\textrm{U}[/math] أخرى، وبالتالي حدوث تفاعلٍ مُستمرٍّ متسلسل كما يظهر في الشكل التالي:

ونتيجةً لهذا الانشطار المُتسلسل تكون كميّة الطاقة المُنبعثة هائلة. ويتوقَّف مسار تفاعل الانشطار النووي على معامل التضاعف (Multiplication Factor k) الذي يُعرَّف بأنَّه عدد النترونات الناتجة عن كل انشطارٍ مَقسوماً على عدد النترونات الممتصة في نَوى الوقود، والتي تنتج الانشطار.

عندما يكون معامل التضاعف1 > k ، فإنَّ عدد النترونات الناتجة عن الانشطار يقلُّ مع الوقت، وبالتالي لا يُمكن للتفاعل المُتسلسل أن يستمر، وعندما يكون معامل التضاعف 1 = k ، فإنَّ عدد النيترونات يبقى ثابتاً، وبالتالي يكون التفاعل المُتسلسل مُستمراً، كما في المفاعلات النووية. أمَّا عندما يكون معامل التضاعف1 < k ، فإنَّ عدد النيترونات يزداد، وبالتالي فإنَّ مُعدَّل الانشطار يزداد سريعاً، ويحدث تفاعل غير مُسيطر عليهِ، مما يؤدّي إلى الانفجار كما في حالة القنابل الذريّة.

لذا يتمُّ التحكُّم في عدد النترونات الناتجة عن الانشطار باستخدام قضبان ماصّةٍ للنيترونات، مثل: الكادميوم أو البورن، فعندَ ارتفاع مُعدَّل تدفُّق النيترونات يتمُّ دفع قضبان التحكُّم أكثر في المفاعل لامتصاص النترونات الزائدة، بينما في حال انخفاض مُعدَّل تدفُّق النيترونات، فيتمُّ سحب قضبان التحكُّم إلى خارج المفاعل، كما يتمُّ إبطاء النيترونات الثانويّة بواسطة المهدئات (Moderators)، مثل: الغرافيت، والماء الثقيل.

لذا يجبُ أن تكون ذرات المهدئ ذات كتلةٍ صغيرة من أجل حدوث التصادم مع النيترونات، وبالتالي فقدان أكبر كميّةٍ من طاقتها من أجل أن تتحوَّل النيترونات السريعة إلى نيتروناتٍ حراريّة ذات طاقةٍ أقل من 0.025eV إلكترون فولط. ^{[2] [3]}

دورة النترونات ومعامل التضاعف k

إنَّ النيوترونات الناتجة عن عملية الانشطار جعلت هناك إمكانيةً لتسلسل عملية الانشطار من جيل النيوترونات إلى الجيل الذي يليه، وتحت ظروفٍ مُعينة يُمكن أن يتضاعف عدد النيوترونات مع الزمن أو يبقى ثابتاً أو يضمحل، وهذا ما يُعبَّر عنه بمعامل التضاعف k. إنَّ النيوترونات تمرُّ بمراحل حتى تتحرر من جديد بسبب عملية الانشطار، وهذا ما يُسمى بدورة النتيوترونات، والشكل التالي يوضح دورة النترونات الحرارية. ^[3]

يوضِّح الشكل أنَّه ابتداءً بنيوترونٍ ناتجٍ عن الانشطار السريع هناك معامل الانشطار السريع (Fast fission factor) الذي يسبّب تواجد عددٍ من النيوترونات يساوي (_^Є)1، يلي ذلك احتمالية تسرب النيوترونات السريعة، وبالتالي سيكون احتمالية عدم تسرب النيوترونات السريعة [math]P_{f}[/math] (Fast nonleakage probability) مضروبةً في النيوترونات المتواجدة _^Є، وهو ما يساوي [math]\varepsilon P_{f}[/math] ،

يلي ذلك حدوث الامتصاص الرنيني من قبل اليورانيوم، وعليهِ فلو كانت احتمالية الإفلات من الرنين (Resonance escape pobability) هي p، فإن النيوترونات المُتبقية هي [math]\varepsilon P_{f}p[/math] ، بعدَ ذلك وخلال تباطؤ النيوترونات، فإنَّ هناك احتمالية عدم تسرب النيوترونات الحرارية [math]P_{t}[/math] Thermal nonleakage probability، وبالتالي يكون العدد المُتبقي من النيوترنات هو [math]\varepsilon P_{f}pP_{t}[/math] . ونظراً للاستفادة من النيوترونات الحرارية في إحداث الانشطار لمادة الوقود، وهو ما يعكسهُ معامل الاستفادة الحرارية [math] f[/math] Thermal utilization factor، فإنَّ عدد النيوترونات المُتبقية يكون [math]\varepsilon P_{f}pP_{t}f[/math] ، وذلكَ لأنَّ عدداً من النيوترونات سيُمتصُّ من قبل مواد أخرى.

أخيراً فإنَّ هناك عدداً من النيوترونات التي تنتج من الانشطار في ظل التنافس مع الأسر الإشعاعي، وهو مايعبَّر عنهُ بالمعامل n، لذا فإنَّ العدد النهائي من النيوترونات نتيجةً لجميع الأحداث هو [math]\varepsilon P_{f}pP_{t}\eta [/math] ، وهذا ما يعبر عنه بالجيل التالي للنيوترونات، لذا فإنَّ معامل التضاعف k يُمكن تعريفهُ في هذهِ الدورة بأنَّه النسبة بين الجيل التالي إلى الجيل السابق كما يلي: ^[4]

فإذا كان المفاعل صغيراً في الحجم، سيكون هناك تسرُّب كبيرٌ للنترونات، وبالتالي عدم الحصول على تفاعلٍ متسلسل، أي يكون 1 > k ، ويُقال بأنَّ المفاعل في الحالة تحت الحرجة (sub-critical)، وعندما يكون المفاعل قادراً على القيام بالتفاعل المتسلسل رغم تسرب النترونات بحيث يكون 1 = k ، يقال بأنَّ المفاعل في الحالة الحرجة (critical condition)، في حين إذا كان المفاعل كبير الحجم بحيث يكون تسريب النترونات قليلاً جداً عندها يكون 1 < k ، ويقال عن المفاعل في هذهِ الحالة بأنَّه في الحالة فوق الحرجة (super-critical).

مكونات المفاعل النووي

تبنى المفاعلات النووية الانشطارية بأشكال كثيرةٍ مُتعددة تختلف باختلاف الغرض الذي بنيت من أجله، فمنها مفاعلات للأبحاث، ومنها لإنتاج النظائر، وأخرى لتوليد الطاقة الكهربائية، وبشكلٍ عام يتكوَّن المفاعل النووي من مادةٍ انشطارية، ومهدئ، وقضبان تحكُّم، وعواكس، وغلاف، ومادة مُخصِّبة، إضافةً لدارة التبريد لإزالة الحرارة، وتوليد الكهرباء، والتي يُمكن أن تكون الهواء، أو غاز CO2، أو الماء، أو الصوديوم المُنصهر، وغلاف لمنع الإشعاع. ويتكون المفاعل النووي من: ^{[5] [6]}

1- الوقود (Fuel)

يُعتبر اليورانيوم [math]_{92}^{235}\textrm{U}[/math] العنصر الوحيد الموجود في الطبيعة الذي يحدث لهُ انشطارٌ سريعٌ عندَ التصادم مع النيترونات، والذي يكوّن 0.71 بالمئة من اليورانيوم الطبيعي، ومُعظم باقي العناصر توجد على شكل يورانيوم [math]_{92}^{238}\textrm{U}[/math] ، والذي يُسمى المادة المُخصّبة، وذلك لأنَّه يُمكن تحويلهُ لمادةٍ قابلةٍ للانشطار، والتي تُسمى البلوتونيوم [math]_{94}^{239}\textrm{Pu}[/math] .

عندما تكون المادة الانشطاريّة في المفاعل كافيةً لتنشيط التفاعل المتسلسل يقال عن المفاعل أنَّه حرج، والكتلة المقابلة له تُسمى بالكتلة الحرجة، وبعض المفاعلات تَستخدم الوقود السائل كمحلولٍ مائي لليورانيوم المخصَّب، ولكن غالباً ما يكون الوقود صلباً، إمّا يورانيوم معدني أو خزفي، مثل: كربيد اليورانيوم (Uranium Carbide)، حيثُ يتمُّ تصنيع الوقود الصلب بأشكالٍ مُختلفة صغيرة من الألواح، أو من الكرات، إلخ.

2- المهدئ (Moderator)

تنطلق النيترونات الناتجة عن الانشطار المتسلسل بسرعةٍ عالية، وتفقد طاقتها تدريجيّاً نتيجةً للتصادمات اللدنة (غير المرنة) مع المادة المحيطة باللب، والتي تُسمى بالمهدئ، وهذا الأمر ضروري لحدوث الانشطار المُتسلسل كون النيترونات البطيئة أكثر تأثيراً في إحداث الانشطار النووي.

تَمتلك النيترونات كتلةً قريبةً من كتلة ذرة الهيدروجين، لذا فإنَّ المواد المحتوية على تركيز من الهيدروجين أو ذرات خفيفة الوزن يُمكن استخدامها كمهدئات، مثل: الماء العادي، والماء الثقيل، والجرافيت، والبريليوم، ومواد عضويّة مُعينة أخرى، ويجب توزيع مادة المهدئ بشكلٍ جيد ضمن منطقة الوقود، في بعض المفاعلات يتمُّ ذلك بوجود فواصل بين عناصر الوقود، بحيثُ يوضع المهدئ بينها، وفي حالات أخرى يتمُّ ذلك بالخلط الجيد للمهدئ مع الوقود.

3- نظام التحكُّم (Control System)

مُعظم المفاعلات النووية يتمُّ التحكُّم فيها بتنظيم عدد النيترونات في اللب، ويتمُّ ذلك بالمواد التي تمتص النيترونات، ويتمُّ وضعها على شكل قضبانٍ قابلةٍ للتحكُّم والسيطرة، مثل: قضبان الكادميوم، أو البورن، أو الهافنيوم (Hafnium)، من أجل امتصاص النترونات، وتقليل عددها حسب المطلوب، وذلك كون هذهِ العناصر لها قدرة على امتصاص النترونات.

يتمَّ إدخال قضبان التحكم بين قضبان الوقود في المفاعل وبالعدد المناسب بحيث يُمكنها التحكم بمعامل التضاعف، ويتمُّ تجهيز المفاعل بمجموعةٍ واحدةٍ من قضبان التحكُّم لأغراض التحكُّم الروتينيّة (تُسمى أحيانا قضبان التنظيم) التي تقوم بتخفيض عدد النيترونات إلى الحدّ اللازم لاستمرار تفاعل الانشطار المتسلسل، ومجموعة مُعاونة أخرى (تُسمّى بقضبان الأمان) لتسمح بالتوقف السريع في حالة الطوارئ.

4- العواكس (Reflectors)

تحاط مُعظم المفاعلات بعواكس من أجل عكس النترونات القادمة من المفاعل، مما يزيد عدد النترونات في المفاعل، وبالتالي التقليل من كمية الوقود المُستخدم. يجب أن تمتلك مواد العواكس خصائص مواد المهدئات، وتقاس كفاءة العواكس بمعامل الانعكاس، والذي يساوي نسبة عدد النترونات المنعكسة للداخل إلى العدد الكلّي للنترونات الداخلة إلى العاكس، ويَعتمد هذا المعامل على حجم وشكل العاكس، إذ يزداد من أجل العواكس الرقيقة وبالعكس، ينقص من أجل العواكس السميكة.

5- نظام إزالة الحرارة (Heat Removal System)

عندَ تصادم نواتج الانشطار معَ المادة المحيطة، فإنَّ طاقتها الحركيّة تتحوَّل إلى حرارة، مُعظم الحرارة يتمُّ توليدها في اللب، وبعض المفاعلات تَعتمد على الحمل الحراري الطبيعي (Natural Convection) للمبرِّد، لكن معظمهم مجهَّز بنظام التدوير بقوَّة. تُستخدم مواد تبريد مُختلفة، بما فيها الغازات، مثل: الهواء، والهيليوم، وثاني أكسيد الكربون، والسوائل، مثل: الماء العادي، والماء الثقيل، ومركبات عضويّة معيّنة، والمعادن السائلة، مثل: الصوديوم.

6- حاجز الإشعاع (Radiation Shield)

إنَّ الجزء من طاقة الانشطار الذي لا يتحول مباشرةً إلى حرارة، فإنَّهُ يظهر كإشعاعٍ ذري، لذا يجبُ حماية العاملين من إشعاع المفاعل النووي عن طريق تدريعه جيّداً. يوجد نوعان من الحواجز، وهما: الحاجز الحراري، والحاجز البيولوجي. يُستخدم الحاجز الحراري في المفاعلات ذات الطاقة العالية لحماية حوائط المفاعل الداخلية من التلف الإشعاعي، ويتمُّ صناعتهُ من الصلب كالفولاذ، بحيثُ يكون لهُ قدرةً كبيرةً على امتصاص أشعة غاما وتبعثر النترونات، بينما يُستخدم الحاجز البيولوجي خارجيّاً، ويأخذ شكل منشأةٍ من الخرسانة بسمك عدة أقدام مُحيطة بالمفاعل.

تصنيف المفاعلات النووية الانشطارية

نظراً للاستخدامات العديدة للمفاعلات، وكذلك للطرق المُختلفة لإنشائها، فقد تمَّ تصنيف المفاعلات بطرقٍ مُختلفة. بعض التصنيفات مَبنيٌّ على الغرض الرئيس للمفاعل، والآخر مَبنيّ على مجال طاقة النترونات في المفاعل، وأخرى طبقاً لمُختلف الوظائف الذي تقوم به، ويُمكن أن تصنَّف المفاعلات النووية حسب طاقة النترونات (حرارية، وسطية، سريعة)، كما يُمكن تصنيفها حسب طريقة تجميع قلب (لب) المفاعل إلى مفاعلاتٍ متجانسة، حيثُ يكون الوقود النووي ممزوجاً مع المهدئ، وإلى مفاعلاتٍ غير متجانسة، أو يكون الوقود النووي جامداً مثبتاً ضمن المهدئ.

كما أنَّ هنالك طرقٌ أخرى لتقسيم المفاعلات النوويّة، كتقسيمها وفقاً للمهدئات، أو وفقاً لمادة التبريد المُستخدمة لسحب الحرارة من لب المفاعل، أو وفقاً للوقود المُستخدم، أو وفقاً لشكل لب المفاعل، وسنذكر أصناف المفاعلات طبقاً للغرض الذي أنشأت لأجله كما يلي: ^[7]

1- مفاعلات الأبحاث

إنَّ الغرض الرئيس لهذا النوع من المفاعلات هو الإمداد بتدفُّقٍ عالٍ من النيترونات لأغراض الأبحاث التجريبيّة المتعلَّقة بالتكنولوجيا النوويّة، ولإنتاج النكليدات المُشعَّة، ولتدريب العاملين على العمل في محطات الطاقة النوويّة. يُعتبر الحصول على الحرارة أمراً غير مرغوبٍ فيهِ في هذهِ المفاعلات، وقد استخدمت مفاعلات الأبحاث الأولى اليورانيوم الطبيعي كوقودٍ لها، إلّا أنَّ الحديثة منها تَستخدم اليورانيوم المخصَّب.

تَعمل مفاعلات الأبحاث عندَ درجات حرارةٍ مُنخفضةٍ نسبياً، وبوقودٍ نووي ذي إغناءٍ عالٍ نسبياً، وتتميَّز مفاعلات البحث بكثافةٍ عاليةٍ جداً للاستطاعة، فهي تحتاج ميزاتٍ تصميميةٍ خاصة، وتكون هذهِ المفاعلات أصغر وأبسط بكثير من مفاعلات الطاقة، وهناك أنماط واسعة من التصاميم المُستخدمة  لهذهِ المفاعلات، وتعمل مفاعلات البحث في مجال استطاعة حرارية يَمتدُّ من الصفر إلى عدة مئات من الميغا واط.

2- مفاعلات التوليد

إنَّ الغرض الرئيس من هذهِ المفاعلات هو تحويل المادة المخصبة (Fertile Materia) إلى مادةٍ انشطاريّةٍ بمُعدِّلٍ أسرع من مُعدَّل استنفاذ المادة الانشطاريّة.

3- مفاعلات الإنتاج

تُصمَّم هذهِ المفاعلات لإنتاج النظائر المَطلوبة، ويُمكن تقسيم هذهِ المفاعلات وفقاً لمجال طاقة النيترونات المُستخدمة لإحداث الانشطار إلى المفاعلات السريعة، والمفاعلات المتوسطة (فوق الحراريّة)، والمفاعلات الحراريّة (البطيئة)، وتُعتبر المفاعلات الحراريّة الأكثر شيوعاً من بين هذهِ الأنواع،

وذلكَ نظراً لسهولة التحكُّم بها، ولإمكانيّة تصميمها على اليورانيوم الطبيعي أو المخصَب قليلاً، حيثُ تُعتبر هذهِ الميّزة هامةً للدول التي ترغبُ في بناء مفاعلات طاقة، حيثُ تكون تكلفة الوقود لهذهِ المفاعلات منخفضةً نسبيّاً مُقارنةً بالوقود المخصَّب.

4- مفاعلات توليد الطاقة

يُصمَّم هذا النوع من المفاعلات للحصول على معدَّل للحرارة من انشطار الوقود النووي، ويُمكن أن تكون هذهِ المفاعلات مُصممةً لغرضٍ واحدٍ هو إنتاج الحرارة، وتُسمى عندها مفاعلات الطاقة فقط، وتُستخدم لتوليد الطاقة الكهربائية، كما يُمكن أن تُصمَّم لإنتاج الطاقة وإنتاج نظائر انشطارية جديدة، تُسمى في هذهِ الحالة بالمفاعلات المزدوجة الغرض.

وتَشمل هذهِ المفاعلات ضمن بنائها مُكوناتٍ إضافيّةً تُمكِّنها من توليد (أو إنتاج النظائر)، لذا تُعتبر المفاعلات المزدوجة الغرض ليست مُفضَّلة للنوع المتحرِّك من المفاعلات، حيثُ يُستخدم هذا النوع من المفاعلات لدفع الطائرات أو القطع البحريّة، وتتميَّز هذهِ المفاعلات بصغر حجمها ووزنها.

 استخدام المفاعلات النوويّة

تُستخدم لأغراض متعددة، أهمها: ^[8]

1- إنتاج الحرارة لتوليد الطاقة الكهربائيّة.

2- تحلية الماء المالحة.

3- تشغيل الغواصات النوويّة.

4- الإمداد بحزمٍ كثيفةٍ من الأشعة النيترونيّة من أجل التجارب العمليّة.

5- إنتاج النظائر المُشعّة باستخدام الأشعة النيترونيّة.