المحطة النووية الأمريكية AP-1000

شركة وستنجهاوس الأمريكية هى المصنعة للمحطة النووية AP-1000، وهذه الشركة أسسها جورج وستنجهاوس عام 1886، وتعتبر شركة وستنجهاوس من الشركات الرائدة فى صناعات الطاقة النووية على مستوى العالم، فهى شركة متخصصة فى صناعة محطات الطاقة النووية من نوع الماء الخفيف المضغوط PWR، والتى تشمل تصميمات المحطات النووية والوقود النووى، وخدمات التكنولوجيات النووية، وصناعة مكونات المحطات النووية.
تسمية المحطة النووية AP-1000، جاء اختصار لجملة Advanced Passive، وقدرتها الكهربية 1000 ميجاوات، وهى من الجيل الثالث، وهى أحد الخيارات المطروحة فى السوق العالمى أمام متخذ القرار المصرى، لإختيار الأنسب منها لتكون باكورة إحياء المشروع النووى المصرى على أرض الضبعة.
المحطة مصممة للعمل 60 عام، وتصميم المحطة AP-1000، يستخدم تكنولوجيا مجربة، فهى تستند على خبرة 35 عام فى تشغيل وصيانة محطات الطاقة النووية من نوع الماء الخفيف المضغوط PWR، فالتكنولوجيا النووية لشركة وستنجهاوس تساهم بقيمة 50% فى محطات الطاقة النووية العاملة على مستوى العالم، وتساهم بقيمة 60% فى محطات الطاقة النووية العاملة فى الولايات المتحدة الأمريكية.
حاليا يتم إنشاء عدد 4 محطات نووية من نوع AP-1000 فى الولايات المتحدة الأمريكية، أثنين منهم فى موقع Vogtle، وأثنين فى موقع V.C Summer، وخطة تصاريح إنشاء المحطات النووية فى الولايات المتحدة الأمريكية هى كالآتى: 10 محطات نووية من نوع AP-1000، و7 محطات نووية من نوع EPR، و5 محطات من نوع ESBWR، ومحطتين من نوع ABWR، ومحطتين من نوع US-APWR، ومحطة من نوع TBD.
خارج الولايات المتحدة الأمريكية، يوجد حاليا عدد 4 محطات نووية من نوع AP-1000 تحت الإنشاء فى الصين، منهم مفاعلين فى محطة Sanmen (بداية الإنشاءات أبريل 2009 وديسمبر 2009،)، ومفاعلين فى محطة Haiyang (بداية الإنشاءات سبتمبر 2009 ويونيو 2009،).
يستخدم فى انشاء المحطة AP-1000 نظام التجميع لوحدات متكاملة فى المصنع، ويسمى بنظام الوحدات Module، وتنقل هذه الوحدات المجمعة بواسطة معدات النقل الثقيلة الى موقع العمل، وقد يصل وزن الوحدة الواحدة لأكثر من 500 طن، ثم يتم تجميع هذه الوحدات فى موقع المحطة، مما يقلل من فترة الإنشاءات وتكاليف رأس المال، وقد قسمت المحطة الى 342 وحدة، منها 122 وحدة إنشائية، و154 وحدة مواسير مجمعة، و55 وحدة معدات ميكانيكية، و11 وحدة معدات كهربائية.
فترة الانشاءات 3 سنوات، والفترة الكلية من بداية التزام المالك owner's commitment حتى التشغيل التجارى هى 5 سنوات.
المحطة النووية AP-1000، تستخدم نظم أمان مبسطة، فهى تعتمد على نظم الأمان السلبية Passive Systems، والتى لها تأثير إيجابى على آمان المحطة النووية، فنظم الأمان السلبية تعمل ذاتيا، ولا تستخدم أى تحكم ايجابى (فلا احتياح للمعدات التى يعمل بالطاقة الكهربية أو الميكانيكية) أو تدخل من المشغل، وذلك من أجل زيادة الأمان، والنظم السلبية تستخدم الخواص (الظواهر) الطبيعية مثل الجاذبية الأرضية والمواد المقاومة لدرجات حرارة عالية، وكذا انتقال الحرارة بالحمل الحرارى الطبيعى، والغاز المضغوط.
أثناء الحوادث يتم إيقاف تشغيل آمن للمحطة على المدى الطويل، ويتم التحكم فى المفاعل آليا لمدة 72 ساعة بدون تدخل من المشغل، المحطة بها غرفة تحكم مدمجة.
وعاء الاحتواء تم تصميمه على أساس تحمل اصطدام طائرة، وقطره 39.6 متر، ويتحمل ضغط داخلى مقداره 4.07بار، وتم تصميم المحطة لتحمل الزلازل، فهى تتحمل زلزال ينتج عنه تسارع أرضى مقداره 0.3g يقع تحت مبنى المفاعل مباشرة، ومن المعلوم أن زلزال فوكوشيما فى 11 مارس 2011 وصل فيه التسارع فى حركة القشرة الأرضية تحت الوحدة رقم 5 الى 5.48 m/sec2.
معامل السعة للمحطة أكبر من 93%، بما فى ذلك الخروج القسرى للمحطة عن العمل أو الخروج المخطط له، أما الخروج الغير مخطط له فهو أقل من مرة واحدة فى السنة.
يقولون أن البساطة هى المفهوم التكنولوجى الرئيسى وراء تصميم المحطة AP-1000، فهى تقلل تكاليف رأس المال، وتقلل تكاليف التشغيل والصيانة، فهناك 50% تقليل فى عدد الصمامات، و80% تقليل فى أطوال المواسير، و85% تقليل فى أطوال كابلات التحكم، و35% تقليل فى عدد المضخات، و45% تقليل فى أحجام المبانى التى تخضع لأكواد الزلازل فى بنائها.
نظام تبريد المفاعل RCS فى الدائرة الأبتدائية يتكون من دائرتين، كل دائرة تحتوى على مولد بخار وطلمبتين، وخط مواسير للماء الساخن الخارج من المفاعل لمولد البخارHot leg، وخطين مواسير للماء البارد الراجع من مولد البخار للمفاعل Cold leg، كما أنه يحتوى على الضاغط Pressurizer، ومواسير للربط بين مكونات الدائرة، وصمامات وأجهزة قياس لزوم التشغيل والوقاية.
نظام إمداد البخار النووى NSSS، متواجد داخل وعاء الاحتواء containment، وجميع المكونات المتعلقة بالأمان النووى متواجدة داخل وعاء الاحتواء أو داخل المبانى المساعدة Auxiliary building، ونلخص فيما يلى الملامح الرئيسية للمحطة AP-1000:
تصميم وعاء الضغط وقلب المفاعل لم يتغير عن مثيلاتها فى مفاعلات وستنجهاوس التقليدية، وهو التصميم القياسى لمفاعلات وستنجهاوس ذات الثلاث دوائر تبريد، لكن تمت بعض التعديلات فى فوهات الدخول والخروج لمياه التبريد فى وعاء الضغط، لتتناسب مع المفاعل AP-1000 الذى يحتوى على دائرتى تبريد بدلا من ثلاث دوائر.
نتيجة التطور التكنولوجى، فهناك بعض التحسينات التى ادخلت على قلب المفاعل لتحسين الأداء، منها شبكات سبيكة الزركونيوم، والفوهات العليا القابلة للإزالة، وزيادة مدة احتراق الوقود.
قدرة المفاعل الحرارية 3415 ميجاوات حرارى، والقدرة الكهربية الصافى 1117 ميجاوات، والوقود المستخدم هو أكسيد اليورانيوم UO2، ونسبة التخصيب فى المنطقة الاولى 2.35%، ونسبة التخصيب فى المنطة الثانية 3.4%، ونسبة التخصيب فى المنطقة الثالثة 4.45%، دورة الوقود فى المفاعل 18 شهر، وفترة إعادة تحميل الوقود تستغرق 17 يوم.
طول وعاء الضغط 12 متر، والقطر الداخلى لوعاء الضغط 4 متر، وقطر قلب المفاعل 3.04 متر، وطول قلب المفاعل 4.27 متر، وعدد حزم الوقود النووى فى قلب المفاعل 157 حزمة، وحزمة الوقود من النوع 17x17، وعدد قضبان الوقود فى حزمة الوقود 264 قضيب، والطول الفعال للوقود 4.27 متر، وهناك 15% هامش أمان فى البعد عن نقطة الغليان DNB وذلك فى حالة الحوادث التى لا تتسبب فى فقد تدفق مياه التبريد، بالإضافة الى ذلك، فقد استبدلت أجهزة القياس المتحركة والداخلة لقلب المفاعل من أسفل وعاء الضغط، الى أجهزة قياس ثابتة ومثبتة من أعلى وعاء الضغط.
موديل مولد البخار هو Delta-125، وهو من النوع الرأسى Vertical-shell U-tube evaporator، وقدرة مولد البخار الحرارية 1707.5 ميجاوات حرارى، وضغط البخار الخارج من فوهة مولد البخار الى التربينة 57.6 بار، وطول مولد البخار 22.46 متر، والقطر الداخلى للجزء العلوى من مولد البخار 5.3 متر، والقطر الداخلى للجزء السفلى من مولد البخار 4.2 متر، والأجزاء السفلية من مولد البخار وهم channel head و tube-sheet، يعتبروا جزء من حدود طلمبة تبريد المفاعل RCP.
طلمبات تبريد المفاعل Reactor coolant pump RCP، يوجد منها طلمبتين متصلتين مباشرة مع كل مولد بخار من منطقة channel head، وموتورات الطلمبتين تدوران فى نفس الاتجاه، وكل طلمبة تستخدم موتور رأسى معلب Centrifugal Canned-motor pump، قدرة الموتور الواحد 7000 حصان (5.22 ميجاوات)، جميع مكونات الطلمبة تبرد بالماء، وتزيت كراسى التحميل يتم بالماء، والطلمبة تتكون من مرحلة واحدة، ولا توجد موانع تسرب seals على العمود الرئيسى للطلمبة، مما يقلل من عمليت الصيانة ويمنع الحوادث المحتملة والناتجة عن أعطال موانع التسرب، والطلمبة مزودة بوحدة تحكم لضبط سرعة الموتور، ففى حالة التشغيل البارد تضبط سرعة الموتور لتعويض ارتفاع كثافة المياه، وعندما يصل المفاعل الى قدرته، تفصل وحدة التحكم فى السرعة والطلمبة تعمل على سرعة ثابتة.
الضاغط أكبر حجما من الضواغط المتواجدة فى محطات الجيل الثانى، والزيادة فى حجم الضاغط تقدر ب 50%، فحجم الضاغط 59.5 متر مكعب، وبناء على ذلك فقد تم الاستغناء عن صمامات تخفيف الضغط والتى تسببت فى حادثة ثرى مايل أيلاند عام 1979 فى أمريكا.
هناك عدد 53 قضيب تحكم تستخدم فى حالة التشغيل العادى، وهذه القضبان تسمى Normal BLACK rods، وهناك 16 قضيب تحكم تسمى Gray Rods، وهى تستخدم فى متابعة الحمل (حيث قدرة المفاعل تتغير حسب متطلبات الحمل)، كما تستخدم فى التخفيض السريع لقدرة المفاعل، وفى هذه الحالة فلا إحتياج لتغيير تركيز البورون اليومى والذى يحتاج لألاف اللترات من الماء يوميا، لكن تخفيف تركيز البورون يتم كل أسبوع لتحسين شكل توزيع الطاقة داخل قلب المفاعل نتيجة احتراق الوقود.
نظم الأمان السلبية تشمل: نظم حقن الأمان السلبية passive safety injection، ونظم إزالة الحرارة المتبقية السلبية passive residual heat removal، ونظم تبريد الوعاء الحاوى السلبية passive containment cooling.
نظام الطوارئ لتبريد قلب المفاعل ECCS، أصبح من النظم السلبية ويسمى passive core cooling system (PXS)، فهو يقوم بإزالة الحرارة المتبقية، وحقن الأمان، وتخفيض الضغط depressurization، فهو يحمى قلب المفاعل فى حالة حدوث تسرب لمياه تبريد المفاعل، حتى فى حالة حدوث كسر بمقدار 20 cm فى خطوط إمداد المفاعل بالمياه، وكذا فى حالة حدوث كسر كامل فى الماسورة الرئيسية لتبريد المفاعل.
نظام ال PXS، يستخدم ثلاث مصادر للمياه أثناء تشغيل نظام حقن الأمان، لتوفير مياه تبريد لقلب المفاعل، ومصادر الحقن هذه هى: خزانات مياه تعويض قلب المفاعل core makeup tanks-CMTs، والمراكم accumulators، وخزان مياه إعادة التزود بالوقود فى الوعاء الحاوىin-containment refueling water storage tank- IRWST ، هذه المصادر متصلة مباشرة بأثنين من فوهات وعاء الضغط، وخزان المياه IRWST موضوع فوق نظام تبريد المفاعل RCS، وبذلك تستخدم الجاذبية فى ضخ المياه لقلب المفاعل، ولابد من تخفيف الضغط قبل حقن المياه من خزان IRWST، ونظام الPXS ، يقوم بتخفيض الضغط آليا Automatic depressurization system ADS من خلال أربع مراحل.
نظام ال PXS، يحتوى على مبادل حرارىheat exchanger ، متواجد فى منظومة passive residual heat removal، وهو PRHR HX، وهو متصل بدائرة الدخول والخروج لنظام تبريد قلب المفاعل RCS فى دائرة التبريد رقم واحد، فهو يحمى المحطة من حدوث خلل فى المياه المغذية المولد البخار أو خلل فى البخار الخارج منه.