روسيا وتكنولوجيا الطاقة النووية (3)

تهتم الصناعة الروسية فى مجال الطاقة النووية بنوع من المفاعلات النووية تسمى "المفاعلات المولدة السريعة" Fast Breeder Reactor FBR، حيث التفاعل الانشطارى المتسلسل يتم بواسطة النيوترونات السريعة، ولا يوجد مهدئ للنيترونات الخارجة من الإنشطار، وهذا النوع من المفاعلات النووية يقوم بجانب توليدة للكهرباء الى توليد مواد نووية انشطارية جديدة "بلوتونيوم"، والتى تستخدم بدورها كوقود فى مفاعلات اخرى لتوليد الطاقة الكهربائية، أى أن هذا النوع من المفاعلات ينتج مواد نووية انشطارية أكثر مما يستهلكه، ومن هنا تأتى تسميته مفاعل مولد.
مفاعلات الماء الخفيف الحرارية PWR أو BWR، تستخدم يورانيوم مخصب، لرفع نسبة اليورانيوم 235 فى اليورانيوم الطبيعى من 0.7% الى ليصبح 2% فأكثر، واليورانيوم 235 ينشطر بواسطة نيوترون ذات طاقة منخفضة سرعته2200 متر/ثانية، ويسمى نيوترون حرارى Thermal neutron، ولذلك فان المفاعلات النووية الحرارية التى تعمل من خلال إنشطار اليورانيوم 235 تستخدم مهدئ لتهدئة سرعة (طاقة) النيترونات السريعة Fast neutrons الخارجة من الانشطار النووى والتى سرعتها 9 ملايين متر/ثانية.
المفاعلات المولدة السريعة، تقوم إلى جانب إنتاج الطاقة بتحويل اليورانيوم 238 الغير قابل للانشطار، إلى البلوتونيوم 239 القابل للانشطار بواسطة النيترونات السريعة، ولذا هذا النوع من المفاعلات لا يستخدم مهدئ، والوقود الأساسى basic fuel هو البلوتونيوم، ويحاط قلب المفاعل ببطانية blanket من اليورانيوم المنضب أو الطبيعى أو نفايات المفاعلات النووية الحرارية، وهذا الوقود (يورانيوم 238 ) سوف يتحول الى بلوتونيوم 239، ونظرا لان النشاط النيوترونى منخفض جدا فى هذه منطقة البطانية blanket، لذلك فان البلوتونيوم المتولد يكون من البلوتونيوم 239 إلى حد كبير، ولا يحترق ولا يتحول الى البلوتونيوم 240، كما يمكن تشغيل المفاعل كحارق للوقود، وفى هذه الحالة يوضع مكان بطانية اليورانيوم المنضب عاكس من الصلب.
المفاعلات المولدة السريعة، تستفيد من النسبة المرتفعة لتواجد اليورانيوم 238 فى اليورانيوم الطبيعى والذى نسبته 99.3%، أو تستفيد من اليورانيوم المستنفذ (المنضب)، أو تستفيد من الوقود المحترق فى المفاعلات النووية الحرارية، فعندما يمتص اليورانيوم 238 نيترون، يتحول الى يورانيوم 239، الذى يحدث له اضمحلال بخروج الكترون (خلال 23.5 دقيقة) ويتحول الى نبتونيون 239 والذى يحدث له اضمحلال أيضا بخروج الكترون (خلال 2.35 يوم) ويتحول الى بلوتونيوم 239.
المفاعلات المولدة السريعة، والتى تستخدم المعادن السائلة (المنصهرة) liquid metals فى التبريد، تسمح برفع درجة حرارة المعدن السائل دون الحاجة الى رفع الضغط داخل قلب المفاعل (بخلاف المفاعلات التى تبرد بالماء)، وهذا يرجع الى إن درجة غليان هذه المعادن مرتفعة، وهذا يؤدى الى رفع كفاءة المفاعل فى إنتاج الطاقة، كما أنها لا تبطئ النيوترونات السريعة، وقدرتها عالية على نقل الحرارة، وتعمل تحت الضغط الجوى، ومن أكثر المعادن المستخدمة هى : الصوديوم Sodium، وسبيكة البوتاسيوم والصوديوم sodium-potassium alloy، والرصاصLead ، والزئبقMercury ، وسبيكة الرصاص والبيزموث lead-bismuth alloy ، والقصدير .Tin
المفاعلات المولدة السريعة، يوجد منها نوعين :
مفاعل ذو الدائرة loop، وفيه يكون المبادل الحرارى الإبتدائى خارج الحاجز الحيوى للمفاعلBiological shielding .
عام 1973 وفى موقع Aktau، فى كازاخستان والتى كانت تتبع الإتحاد السوفيتى، كانت البداية مع تشغيل أول مفاعل مولد سريع، مفاعل BN-350، يستخدم الصوديوم السائل كمبرد، حجم الصوديوم المتواجد فى المفاعل 550 متر مكعب، ويستخدم الصوديوم فى دائرة التبريد الأولى والثانية، قدرة المفاعل الحرارية 750 ميجاوات، استخدم لإنتاج الكهرباء بقدرة كهربية 150 ميجاوات، واستخدم لإنتاج البلوتونيوم، كما استخدم لتحلية مياه البحر بطاقة انتاجية 100 ألف مترمكعب فى اليوم، تم ايقافه عام 1999.
وعاء المفاعل أسطوانى الشكل، قطره 6 متر، وسمكه 3 سم.
الوقود النووى مخصب بنسب 17–26% من اليورانيوم U235، المنطقة الفعالة من المفاعل Active zone تشغل حجم صغير، قطرها 1.5 متر وإرتفاعها 1 متر، ودرجة حرارة الصوديوم الداخل الى المفاعل 285 درجة مئوية، والخارج من المفاعل 435 درجة مئوية، به خمس دوائر تبريد فى التشغيل من "صوديوم-صوديوم"، والسادسة أحتياطى، درجة حرارة البخار 405 درجة مئوية عند ضغط 45ضغط جوى.
تجربة استخدام الصوديوم كمبرد، واستخدام المبادل الحرارى "صوديوم-صوديوم" فى الدائرة الأولى، واستخدام مولد البخار "صوديوم-ماء" فى الدائرة الثانية، اكسبتهم الكثير من الخبرات فى مجال استخدام الصوديوم فى المحطات النووية كمبرد، وكذا تأثيره على آمان المحطة النووية، فمن المعروف أن نشاط الصوديوم الكيميائى عالى، وفى حالة تسربه يحدث حرائق، كما أنه سريع التفاعل مع المياه فى حالة تسربه فى مولدات البخار.
تجربة مفاعل BN-350 كانت ناجحة، فهو أول مفاعل يعمل بالنيوترونات السريعة ويعمل بالصوديوم السائل كمبرد، والدروس المستفادة التى اكتسبت فى مراحل التصميم والبناء والتركيبات والتشغيل والصيانة كانت كبيرة، فقد اتاحت الفرصة لحل العديد من المشاكل مع هذا النوع من المفاعلات.
فى 8 أبريل 1980، وفى موقع محطة Beloyarsk، تم تشغيل مفاعل مولد سريع، وهو موديل BN-600، نوعه مفاعل "حوض" Pool reactor.
وعاء المفاعل أسطوانى الشكل، قطره 12.8 متر وإرتفاعه 12.6 متر، سمكه 4 سم، لا توجد فتحات nozzles تحت مستوى الصوديوم.
المنطقة الفعالة من المفاعل Active zone تشغل حجم صغير، قطرها 2.05 متر وإرتفاعها 1.03 متر، تبريد المفاعل من خلال 3 دوائر تبريد مغلقة داخل الحوض، كل دائرة بها 2 مبادل حرارى "صوديوم-صوديوم"، درجة حرارة الصوديوم الخارج من المفاعل 545 درجة مئوية والداخل الى المفاعل 355 درجة مئوية عند الضغط الجوى.
قدرة المفاعل 560 ميجاوات كهربى صافى، القدرة الحرارية 1470 ميجاوات، المفاعل صمم على العمل بوقود يورانيوم أو بلوتونيوم، قلب المفاعل يحتوى على 369 حزمة وقود نووى مخصب من اليورانيوم U235، حزمة الوقود الواحدة بها 127 قضيب وقود نووى، 213 حزمة وقود نسبة تخصيب 21%، 143 حزمة وقود نسبة تخصيب 33%، 13 حزمة وقود معوضات تفاعلية دائمة، يتم تغيير ثلث حزم الوقود كل 150 يوم، بمعنى ان دورة الوقود فى قلب المفاعل 450 يوم.
توضع حزم نفايات أكسيد اليورانيوم، حولين حزم وقود قلب المفاعل، وهى بمثابة الحزم المولدة.
ثلاث مولدات بخار خارج الحوض، يمكن تحميل الوقود اثناء تشغيل المفاعل، والمفاعل بدون وعاء إحتواء خرسانى.
من عام 2012، بدأ تشغيل المفاعل BN-600 لحرق البلوتونيوم الخاص بالأسلحة النووية، واستبدلت بطانية اليورانيوم المنضب وحل محلها حزم عاكسة من الاستنلس أستيل.
متوسط معامل الحمل على مدى 23 سنة تشغيل كان 74%.
فى 27 يونيو 2014، كان الأحتفال بتشغيل المفاعل الروسىBN-800 ، فى محطة Beloyarsk الوحدة رقم 4، والوصول بالمفاعل الى الحروجية criticality المفاعل من نوع المولد السريع fast breeder reactor، قدرة 789 ميجاوات كهربى صافى، القدرة الحرارية 2100 ميجاوات.
هذا المفاعل تطوير للمفاعل BN-600، حيث ادخلت تعديلات وتحسينات على تصميم هذا المفاعل، وخاصة فى نظم آمان المفاعل، وذلك بناء على الخبرات المكتسبة من تشغيل المفاعل BN-600.
نوع المفاعل "حوض"pool-type ، حيث المفاعل وطلمبات التبريد والمبادلات الحرارية الوسيطة والمواسير الرابطة بينهم متواجدين فى حوض الصوديوم السائل.
المنطقة الفعالة من المفاعل Active zone تشغل حجم صغير، قطرها 2.05 متر وإرتفاعها 1.03 متر، المفاعل ذو دائرة تبريد مغلقة، ويستخدم الصوديوم السائل كمبرد.
يستخدم مخلوط من أكسيد اليورانيوم والبلوتونيوم كوقود.
قيد التطوير حاليا المفاعل BN-1200، وهوايضا من نوع المفاعلات المولدة السريعة FBR، وسوف يبدأ تنفيذه فى عام 2015 فى محطة Beloyarsk.
قدرته الكهربية 1200 ميجاوات، يستخدم الصوديوم المنصهر كمبرد، ويستخدم نظم أمان متطورة طبقا للجيل الرابع.
تصميم المفاعل يهدف الى رفع نسبة التوليد لتكون ما بين 1.3 الى 1.35 وذلك فى حالة استخدامه لخليط من أكسيد اليورانيوم والبلوتونيوم كوقود.
من المتوقع ان تصل كفاءة المفاعل الى 39%، ومن المتوقع ان يدخل الخدمة عام 2020، وهو مصمم على أن يعمل لمدة 60 عام.
نفايات المحطات النووية الحرارية، التى تستخدم النيوترونات الحرارية (البطيئة)، مثل مفاعل الماء المضغوط PWR ومفاعل الماء المغلى BWR ومفاعل الماء الثقيل المضغوط HPWR والمنتشر استخدامها حاليا، يجب تخزينها لعشرات آلالاف من السنين، حيث فترة نصف عمر البلوتونيوم239 هى 24100 سنة.
المفاعلات المولدة السريعة تستخدم نفايات المفاعلات الحرارية، وتنتج نفايات لا تحتوى كميات كبيرة من العناصر التى تلى عنصر اليورانيوم، والتى نصف العمر لها هو بضع مئات من السنين بدلا من عشرات الألوف، وفى هذه الحالة تحل عقدة التخزين للنفايات.
والى أن نلتقى فى الجزء الرابع، اترككم فى رعاية الله.