مفاعل متطور مبرد بالغاز

المفاعل المتقدم المبرد بالغاز ( AGR ) هو نوع من المفاعلات النووية صممته وتشغله المملكة المتحدة . وهو الجيل الثاني من المفاعلات البريطانية المبردة بالغاز ، حيث يستخدم الجرافيت كمهدئ للنيوترونات وثاني أكسيد الكربون كمبرد. وقد شكلت هذه المفاعلات العمود الفقري لأسطول توليد الطاقة النووية في المملكة المتحدة منذ ثمانينيات القرن الماضي.

طُوِّر مفاعل AGR انطلاقًا من مفاعل ماغنوكس ، وهو أول تصميم لمفاعلات الجيل الأول في المملكة المتحدة. صُمِّم مفاعل ماغنوكس الأول خصيصًا لإنتاج البلوتونيوم ، ^{[ 2 ]} ولذلك احتوى على خصائص لم تكن الأكثر اقتصادية لتوليد الطاقة. كان من أبرز هذه الخصائص ضرورة تشغيله باليورانيوم الطبيعي ، الأمر الذي استلزم استخدام مُبرِّد ذي مقطع عرضي نيوتروني منخفض، وهو ثاني أكسيد الكربون في هذه الحالة ، ومُعدِّل نيوتروني فعال ، وهو الجرافيت . كما تميز تصميم ماغنوكس بانخفاض درجات حرارة الغاز نسبيًا مقارنةً بتصاميم أخرى لإنتاج الطاقة، مما أدى إلى انخفاض كفاءة ظروف البخار.

احتفظ تصميم مفاعل الغاز المنشط (AGR) بمُهدِّئ الجرافيت ومُبرِّد ثاني أكسيد الكربون الخاصين بمفاعل ماغنوكس، ولكنه رفع درجة حرارة تشغيل غاز التبريد لتحسين ظروف البخار. صُمِّمت هذه الظروف لتكون مماثلة لتلك الموجودة في محطة تعمل بالفحم، مما سمح باستخدام نفس تصميم التوربينات ومعدات التوليد. خلال المراحل الأولى من التصميم، تبيَّن ضرورة استبدال غلاف الوقود من البريليوم بالفولاذ المقاوم للصدأ . مع ذلك، يتميز الفولاذ بمقطع عرضي نيوتروني أعلى ، مما استلزم استخدام وقود اليورانيوم المُخصَّب للتعويض. نتج عن هذا التغيير زيادة في معدل الاحتراق إلى 18000 ميغاواط _/طن -يوم لكل طن من الوقود، مما قلل من عدد مرات التزود بالوقود.

بدأ تشغيل النموذج الأولي لمفاعل ويندسكيل المتقدم المبرد بالغاز في ويندسكيل عام 1962، ^{[ 3 ]} لكن أول مفاعل تجاري من هذا النوع لم يدخل حيز التشغيل حتى عام 1976. وتم بناء ما مجموعه أربعة عشر مفاعلاً من هذا النوع في ستة مواقع بين عامي 1976 و1988. جميع هذه المفاعلات مُجهزة بمفاعلين في مبنى واحد، ويبلغ إنتاج الطاقة الحرارية التصميمي لكل مفاعل 1500  ميغاواط حراري _{، لتشغيل مجموعة توربينات ومولدات كهربائية} بقدرة 660 ميغاواط كهربائي . وتنتج محطات المفاعلات المختلفة طاقة تتراوح بين 555  و670  ميغاواط كهربائي، حيث تعمل بعضها بقدرة أقل من الطاقة التصميمية بسبب قيود تشغيلية. ^{[ 4 ]}

صُمم مفاعل AGR بحيث تكون ظروف البخار النهائية عند صمام إيقاف المرجل مماثلة لتلك الموجودة في محطات توليد الطاقة التقليدية التي تعمل بالفحم ، مما يسمح باستخدام نفس تصميم محطة التوربينات والمولدات. صُممت درجة الحرارة المتوسطة للمبرد الساخن الخارج من قلب المفاعل لتكون 648 درجة مئوية (1198 درجة فهرنهايت) . وللحصول على هذه الدرجات العالية، مع ضمان عمر افتراضي مفيد لقلب الجرافيت ( حيث يتفاعل الجرافيت مع ثاني أكسيد الكربون _عند درجات حرارة عالية)، يُستخدم تدفق مُعاد تدويره للمبرد عند درجة حرارة مخرج المرجل المنخفضة البالغة 278 درجة مئوية لتبريد الجرافيت، مما يضمن عدم اختلاف درجات حرارة قلب الجرافيت كثيرًا عن تلك الموجودة في محطة ماغنوكس . صُممت درجة حرارة وضغط مخرج المُسخّن الفائق ليكون 2485 رطل لكل بوصة مربعة (170 بار) و543 درجة مئوية على التوالي.     

الوقود المستخدم هو كريات ثاني أكسيد اليورانيوم المخصبة بنسبة 2.5-3.5%، داخل أنابيب من الفولاذ المقاوم للصدأ. كان التصميم الأصلي لمفاعل AGR يعتمد على استخدام غلاف من البريليوم . ولكن عندما ثبت عدم ملاءمة هذا الغلاف بسبب التصدع الهش، ^{[ 5 ]} رُفع مستوى تخصيب الوقود لتعويض خسائر امتصاص النيوترونات الأعلى في غلاف الفولاذ المقاوم للصدأ . وقد أدى ذلك إلى زيادة كبيرة في تكلفة الطاقة المنتجة من مفاعل AGR. يدور سائل التبريد ثاني أكسيد الكربون عبر قلب المفاعل، ليصل إلى درجة حرارة 640 درجة مئوية (1184 درجة فهرنهايت) وضغط حوالي 40 بار (580 رطل لكل بوصة مربعة)، ثم يمر عبر مجموعات الغلاية (مولد البخار) خارج قلب المفاعل، ولكن داخل وعاء الضغط المبطن بالفولاذ والمُدعّم بالخرسانة المسلحة. تخترق قضبان التحكم المهدئ الجرافيتي، ويتضمن نظام ثانوي حقن النيتروجين في سائل التبريد لامتصاص النيوترونات الحرارية لإيقاف عملية الانشطار في حال فشل قضبان التحكم في دخول قلب المفاعل. يتضمن النظام نظام إيقاف تشغيل ثانوي يعمل عن طريق حقن حبيبات البورون في المفاعل، وذلك في حال اضطرار المفاعل إلى تخفيض الضغط مع عدم كفاية عدد قضبان التحكم المُنزلة. وهذا يعني عدم إمكانية الحفاظ على ضغط النيتروجين. ^{[ 6 ] [ 7 ]}   

صُمم مفاعل الغاز المنشط (AGR) بكفاءة حرارية عالية (نسبة الكهرباء المولدة إلى الحرارة المولدة) تبلغ حوالي 41%، وهي نسبة أفضل من مفاعل الماء المضغوط الحديث (PWR) الذي تبلغ كفاءته الحرارية النموذجية 34%. ^{[ 8 ]} ويعود ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة مخرج سائل التبريد إلى حوالي 640 درجة مئوية (1184 درجة فهرنهايت) عند التبريد بالغاز، مقارنةً بحوالي 325 درجة مئوية (617 درجة فهرنهايت) لمفاعلات الماء المضغوط. مع ذلك، يتطلب الحصول على نفس القدرة الناتجة حجمًا أكبر للمفاعل، كما أن معدل استهلاك الوقود عند التفريغ، والذي يبلغ 27000 ميغاواط حراري/يوم لكل طن للوقود من النوع 2، ويصل إلى 34000 ميغاواط حراري/يوم لكل طن للوقود المتين، أقل من معدل استهلاك الوقود في مفاعلات الماء المضغوط البالغ 40000 ميغاواط حراري/يوم لكل طن، مما يؤدي إلى استخدام الوقود بكفاءة أقل، ^{[ 9 ]} وبالتالي يُلغي ميزة الكفاءة الحرارية.       

على غرار مفاعلات ماغنوكس، وكاندو ، و IPHWR ، و RBMK ، وعلى عكس مفاعلات الماء الخفيف ، صُممت مفاعلات AGR بحيث يمكن إعادة تزويدها بالوقود دون إيقاف تشغيلها مسبقًا (انظر: إعادة التزويد بالوقود أثناء التشغيل ). كانت إعادة التزويد بالوقود أثناء التشغيل جزءًا مهمًا من الجدوى الاقتصادية لاختيار مفاعلات AGR على أنواع المفاعلات الأخرى، وفي عام 1965، سمحت هذه الميزة لهيئة توليد الكهرباء المركزية (CEGB) والحكومة بالادعاء بأن مفاعلات AGR ستنتج كهرباء بتكلفة أقل من أفضل محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم. مع ذلك، ظهرت مشاكل اهتزاز مجموعة الوقود أثناء إعادة التزويد بالوقود أثناء التشغيل بكامل الطاقة، لذا في عام 1988، تم تعليق إعادة التزويد بالوقود بكامل الطاقة حتى منتصف التسعينيات، عندما أدت تجارب أخرى إلى انحشار قضيب وقود في قلب المفاعل. الآن، لا تتم إعادة التزويد بالوقود في مفاعلات AGR إلا عند التشغيل الجزئي أو عند إيقاف التشغيل.

يحتوي وعاء الضغط الخرساني مسبق الإجهاد على قلب المفاعل والغلايات. ولتقليل عدد الفتحات في الوعاء (وبالتالي تقليل عدد مواقع الاختراق المحتملة)، صُممت الغلايات بنظام المرور الأحادي، حيث تتم جميع عمليات الغليان والتسخين الفائق داخل أنابيب الغلاية. وهذا يستلزم استخدام مياه فائقة النقاء لتقليل تراكم الأملاح في المبخر وما يتبعه من مشاكل التآكل.

كان الهدف من مفاعل AGR أن يكون بديلاً بريطانياً متفوقاً لتصاميم مفاعلات الماء الخفيف الأمريكية. وقد رُوِّج له باعتباره تطويراً لتصميم ماغنوكس الناجح تشغيلياً (وإن لم يكن اقتصادياً)، واختير من بين العديد من البدائل البريطانية المنافسة - مفاعل الهيليوم المبرد بدرجة حرارة عالية جداً ، ومفاعل الماء الثقيل المولد للبخار ، ومفاعل التوليد السريع - بالإضافة إلى مفاعلات الماء الخفيف الأمريكية المضغوطة ومفاعلات الماء المغلي (PWR وBWR) وتصاميم كاندو الكندية. أجرت هيئة توليد الكهرباء الكندية (CEGB) تقييماً اقتصادياً مفصلاً للتصاميم المنافسة، وخلصت إلى أن مفاعل AGR المقترح لمحطة دونجينيس بي سيولد الكهرباء الأرخص، أرخص من أي من التصاميم المنافسة وأفضل محطات توليد الطاقة بالفحم.

كانت هناك آمال كبيرة في تصميم مفاعل AGR. ^{[ 10 ]} تم إطلاق برنامج بناء طموح لخمس محطات مفاعلات مزدوجة، وهي Dungeness B و Hinkley Point B و Hunterston B و Hartlepool و Heysham ، بسرعة، وتم التطلع بشغف إلى طلبات التصدير.

لأسباب سياسية، صدرت تعليمات إلى هيئة توليد الكهرباء المركزية (CEGB) بتوزيع طلبات "الجيل الأول" على ثلاثة اتحادات مختلفة للتصميم والبناء، بالإضافة إلى مجموعة متنوعة من المقاولين الفرعيين الرئيسيين. ونتيجةً لذلك، كانت محطات CEGB الثلاث الأولى، على الرغم من اشتراكها في نفس المفهوم التصميمي وتصميم قضيب الوقود، مختلفة تمامًا في تفاصيل التصميم. كما أدى ذلك إلى تنافس الاتحادات الثلاثة على نفس العدد المحدود من الموظفين الخبراء، وضرورة امتلاك كل تصميم لملف سلامة فريد (ومعقد للغاية)، والحاجة إلى دعم ثلاثة (ثم أربعة) تصاميم مختلفة لمفاعلات AGR طوال فترة البرنامج.

أثبتت محطات المفاعلات النووية المتقدمة (AGR) أنها معقدة وصعبة البناء. وقد زادت العلاقات العمالية السيئة للغاية في ذلك الوقت من حدة المشاكل. تم طلب المحطة الرائدة، دونجينيس ب، في عام 1965 مع تحديد عام 1970 كموعد مستهدف لإنجازها. وبعد مشاكل في كل جانب تقريبًا من تصميم المفاعل، بدأت أخيرًا في توليد الكهرباء في عام 1983، أي بعد 13 عامًا من الموعد المحدد. ^{[ 10 ]}

أثبتت تصاميم المفاعلات اللاحقة في هينكلي بوينت وهانترستون، التي طُلبت بعد عام أو عامين، أنها أفضل بكثير من تصميم دونجنيس، بل وتم تشغيلها قبل دونجنيس. سعى تصميم مفاعل AGR التالي، الذي بُني في هيشام 1 وهارتلبول، إلى خفض التكلفة الإجمالية للتصميم عن طريق تقليل مساحة المحطة وعدد الأنظمة المساعدة. إلا أن هذا أدى إلى صعوبات في البناء.

عادت محطتا AGR الأخيرتان في تورنيس وهيشام 2 إلى تصميم هينكلي المُعدَّل والمُحسَّن مع هامش أمان زلزالي أكبر بكثير، وأثبتتا أنهما الأكثر نجاحًا في الأسطول. ^{[ 11 ]} وصف ديفيد هندرسون ، المستشار الاقتصادي السابق لوزارة الخزانة ، برنامج AGR بأنه أحد أكثر خطأين تكلفةً في المشاريع التي ترعاها الحكومة البريطانية، والآخر هو مشروع الكونكورد . ^{[ 12 ]}

عندما بدأت الحكومة في خصخصة قطاع توليد الكهرباء في ثمانينيات القرن الماضي، كشف تحليل التكاليف للمستثمرين المحتملين أن تكاليف التشغيل الحقيقية ظلت غامضة لسنوات عديدة. وقد تم التقليل بشكل كبير من تكاليف إيقاف التشغيل على وجه الخصوص. أدت هذه الشكوك إلى استبعاد الطاقة النووية من عملية الخصخصة في ذلك الوقت. ^{[ 10 ]}

تم إيقاف تشغيل النموذج الأولي المصغر لمفاعل الغاز المنشط ذي الغلاف الجوي (AGR) في سيلافيلد (ويندسكيل) اعتبارًا من عام 2010 ، حيث تم تفكيك قلب المفاعل ووعاء الضغط، ولم يتبق سوى هيكل المبنى الذي يشبه كرة الغولف. وقد مثّل هذا المشروع أيضًا دراسةً لما هو مطلوب لإيقاف تشغيل مفاعل نووي بأمان.

في أكتوبر/تشرين الأول 2016، أُعلن عن تركيب قضبان تحكم فائقة التمفصل في مفاعلي هنترستون بي وهينكلي بوينت بي، نظرًا للمخاوف المتعلقة باستقرار قلب المفاعل المصنوع من الجرافيت . وفي أوائل عام 2018، لوحظ معدل أعلى قليلًا من المتوقع لتشققات جذر مجرى المفتاح في المفاعل رقم 3 في هنترستون بي خلال فترة توقف مُجدولة، وأعلنت شركة EDF في مايو/أيار 2018 عن تمديد فترة التوقف لإجراء المزيد من التحقيقات والتحليلات ووضع النماذج. ^{[ 13 ]}

أظهرت عمليات التفتيش التي أمرت بها هيئة التنظيم النووي في عام 2018 في محطة دونجينيس بي أن دعامات مقاومة الزلازل وأنابيب المياه وخزانات التخزين كانت "متآكلة إلى درجة غير مقبولة"، وكانت هذه هي الحالة التي كانت عليها المفاعل أثناء تشغيله. وصنفت هيئة التنظيم النووي هذا الحادث على أنه من المستوى الثاني على المقياس الدولي للحوادث النووية . ^{[ 14 ]}

اعتبارًا من يناير 2026، لا تزال أربع من محطات توليد الطاقة النووية المتقدمة السبع التي تم إنشاؤها قيد التشغيل، وتحتوي كل منها على مفاعلين. ^{[ 15 ]} جميع المحطات مملوكة ومدارة من قبل شركة EDF Energy .

في عام 2005 أعلنت شركة بريتيش إنرجي عن تمديد عمر محطة دونجينيس بي لمدة 10 سنوات، مما سيؤدي إلى استمرار تشغيل المحطة حتى عام 2018، ^{[ 16 ]} وفي عام 2007 أعلنت عن تمديد عمر محطتي هينكلي بوينت بي وهانترستون بي لمدة 5 سنوات حتى عام 2016. ^{[ 17 ]} سيتم النظر في تمديدات العمر في محطات الطاقة المتجددة الأخرى قبل ثلاث سنوات على الأقل من مواعيد إغلاقها المقررة.

منذ عام 2006، تم تقييد إنتاج محطتي هينكلي بوينت بي وهانترستون بي إلى حوالي 70% من إنتاجهما الطبيعي بالميغاواط بسبب مشاكل متعلقة بالغلايات استدعت تشغيلهما عند درجات حرارة منخفضة. ^{[ 17 ]} وفي عام 2013، ارتفع إنتاج هاتين المحطتين إلى حوالي 80% من إنتاجهما الطبيعي بعد إجراء بعض التعديلات عليهما. ^{[ 18 ]}

في عام 2006، تصدّرت مفاعلات الغاز المتقدمة عناوين الأخبار بعد حصول صحيفة الغارديان على وثائق بموجب قانون حرية المعلومات لعام 2000، زعمت فيها أن شركة الطاقة البريطانية لم تكن على دراية بمدى تشقق قوالب الجرافيت في قلب مفاعلاتها. كما زُعم أن الشركة لم تكن تعرف سبب حدوث التشقق، وأنها لم تكن قادرة على مراقبة قلب المفاعلات دون إيقاف تشغيلها أولاً. أصدرت شركة الطاقة البريطانية لاحقًا بيانًا أكدت فيه أن تشقق قوالب الجرافيت هو عرض معروف للقصف النيوتروني المكثف، وأنها تعمل على إيجاد حل لمشكلة المراقبة. كما ذكرت أن المفاعلات تخضع للفحص كل ثلاث سنوات كجزء من "عمليات الصيانة الدورية". ^{[ 19 ]}

في 17 ديسمبر 2010، أعلنت شركة EDF Energy عن تمديد عمر كل من Heysham 1 و Hartlepool لمدة 5 سنوات لتمكين المزيد من التوليد حتى عام 2019. ^{[ 20 ]}

في فبراير 2012، أعلنت شركة EDF أنها تتوقع تمديد عمر جميع محطات الطاقة المتجددة الهوائية (AGRs) لمدة سبع سنوات في المتوسط، بما في ذلك محطتي هيشام 1 وهارتلبول اللتين تم تمديد عمرهما مؤخرًا. تخضع هذه التمديدات لمراجعة وموافقة تفصيلية، وهي غير مدرجة في الجدول أعلاه. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

في 4 ديسمبر 2012 أعلنت شركة EDF أنه تم تمديد عمر محطتي هينكلي بوينت بي وهانترستون بي لمدة 7 سنوات، من 2016 إلى 2023. ^{[ 23 ]}

في 5 نوفمبر 2013 أعلنت شركة EDF أن محطة هارتلبول قد مُنحت تمديدًا لمدة 5 سنوات، من 2019 إلى 2024. ^{[ 24 ]}

في عام ٢٠١٣، كشف فحص دوري عن عيب في إحدى غلايات الكبسولات الثماني في مفاعل هيشام A1. استأنف المفاعل تشغيله بمستوى إنتاج أقل مع تعطيل غلاية الكبسولة هذه، حتى يونيو ٢٠١٤، حين أكدت فحوصات أكثر دقة وجود شرخ في هيكل الغلاية. وكإجراء احترازي، أُغلقت محطة هيشام A2 ومحطة هارتلبول الشقيقة لمدة ثمانية أسابيع لإجراء فحص شامل. ^{[ ٢٥ ] [ ٢٦ ]}

في أكتوبر/تشرين الأول 2014، تم اكتشاف نوع جديد من الشقوق في طوب المهدئ الجرافيتي في مفاعل هنترستون بي. وقد تم التكهن بوجود هذا النوع من الشقوق في جذر مجرى المفتاح، ولكن لم يتم رصده. لا يؤثر وجود هذا النوع من الشقوق بشكل مباشر على سلامة المفاعل، إلا أنه في حال تجاوز عدد الشقوق حدًا معينًا، سيتم إيقاف تشغيل المفاعل، نظرًا لعدم إمكانية إصلاح هذه الشقوق. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

في يناير 2015، تم تمديد عمر محطة Dungeness B لمدة عشر سنوات، مع تحديث أنظمة الكمبيوتر في غرفة التحكم وتحسين الدفاعات ضد الفيضانات، مما أدى إلى تأجيل تاريخ إغلاق الحسابات إلى عام 2028. ^{[ 29 ]}

في فبراير 2016، مددت شركة EDF عمر أربع من محطاتها النووية الثماني في المملكة المتحدة. تم تمديد عمر محطتي هيشام 1 وهارتلبول لمدة خمس سنوات حتى عام 2024، بينما تم تأجيل موعد إغلاق محطتي هيشام 2 وتورنيس لمدة سبع سنوات حتى عام 2030. ^{[ 30 ]}

في 7 يونيو 2021، أعلنت شركة EDF أن محطة دونجينيس بي، التي كانت تعاني من انقطاع طويل للتيار الكهربائي منذ سبتمبر 2018، ستدخل مرحلة إزالة الوقود بأثر فوري. ^{[ 31 ]}

في 15 ديسمبر 2021 أعلنت شركة EDF أنه من المتوقع إغلاق محطتي هيشام 2 وتورنيس في مارس 2028. ^{[ 32 ]}

في 7 يناير 2022، أُغلق المفاعل رقم 4 في محطة هانترستون بي نهائياً، منهياً بذلك الإنتاج بعد ما يقرب من 47 عاماً. وكان المفاعل رقم 3 قد انتقل إلى مرحلة إزالة الوقود في نوفمبر 2021. ^{[ 33 ]}

في 1 أغسطس 2022 تم إيقاف تشغيل المفاعل رقم 3 في محطة هينكلي بوينت بي، وتم إيقاف تشغيل المفاعل رقم 4 في 6 يوليو 2022. ^{[ 34 ]}

في 3 ديسمبر 2024، أعلنت شركة EDF تمديد عمر محطات الطاقة النووية الأربع المتبقية في المملكة المتحدة من نوع AGR. تم تمديد عمر محطتي هيشام 2 وتورنيس لمدة عامين إضافيين حتى عام 2030، بينما مُنحت محطتا هيشام 1 وهارتلبول تمديدًا لمدة عام واحد حتى عام 2027. ^{[ 35 ]}

في يناير 2025، أعلنت شركة EDF أن "طموحها هو توليد الطاقة لما بعد هذه التواريخ، رهناً بعمليات تفتيش المحطات والرقابة التنظيمية"، على الرغم من أنها تتوقع "أن تصبح جميع محطات الطاقة السبع من طراز AGR مملوكة لحكومة المملكة المتحدة بحلول منتصف ثلاثينيات القرن الحالي" (لغرض إيقاف تشغيلها). ^{[ 36 ]}

• قائمة المفاعلات النووية
• الطاقة النووية في المملكة المتحدة

• التصميم العام ومبادئ المفاعل المتقدم المبرد بالغاز (AGR)، مؤرشف بتاريخ 7 سبتمبر 2017 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine )، قاعدة معارف الجرافيت النووي التابعة للوكالة الدولية للطاقة الذرية
• المفاعلات المتقدمة المبردة بالغاز - ورقة مؤتمر الوكالة الدولية للطاقة الذرية ، سبتمبر 1980
• مشروع WAGR - إيقاف تشغيل محطة ويندسكيل AGR
• مواعيد الإغلاق المقدرة لشركة AGR ، عمود هانسارد في مجلس اللوردات WA232، 24 فبراير 2005
• مراجعة لمشاكل قلب الجرافيت في محطة هينكلي بوينت بي وغيرها من محطات الغاز المنشط ، شركة لارج وشركاؤه (مهندسون استشاريون) لصالح منظمة غرينبيس
• مشاكل شركة الطاقة البريطانية عند انقسام خطوطها ، مجلة الهندسة النووية الدولية، 22 نوفمبر 2006
• تقرير عن زيارة تورنيس إيه جي آر ، بقلم تشارلي ستروس