مفاعل الماء الخفيف

بعد اكتشاف الانشطار النووي ، والتهدئة ، والإمكانية النظرية لحدوث تفاعل نووي متسلسل ، أظهرت النتائج التجريبية المبكرة بسرعة أن اليورانيوم الطبيعي لا يمكن أن يخضع لتفاعل متسلسل مستدام إلا باستخدام الجرافيت أو الماء الثقيل كمهدئ. وبينما كانت المفاعلات الأولى في العالم ( CP-1 ، X10، إلخ) تصل بنجاح إلى حالة التشغيل الحرجة ، بدأ تخصيب اليورانيوم يتطور من مفهوم نظري إلى تطبيقات عملية لتحقيق هدف مشروع مانهاتن ، وهو بناء متفجر نووي .

في مايو 1944، وصلت أولى غرامات اليورانيوم المخصب المنتجة على الإطلاق إلى حالة التفاعل الحرج في مفاعل الطاقة المنخفضة (LOPO) في لوس ألاموس ، والذي استُخدم لتقدير الكتلة الحرجة لليورانيوم-235 اللازمة لإنتاج القنبلة الذرية. ^{[ 1 ]} لا يُمكن اعتبار مفاعل LOPO أول مفاعل ماء خفيف لأن وقوده لم يكن مركب يورانيوم صلبًا مُغلفًا بمادة مقاومة للتآكل، بل كان مُكوّنًا من ملح كبريتات اليورانيل المُذاب في الماء. ^{[ 2 ]} ومع ذلك، فهو أول مفاعل متجانس مائي ، وأول مفاعل يستخدم اليورانيوم المخصب كوقود والماء العادي كمُهدئ. ^{[ 1 ]}

مع نهاية الحرب ، وبناءً على فكرة ألفين واينبرغ ، رُتِّبت عناصر وقود اليورانيوم الطبيعي في شبكة داخل الماء العادي أعلى مفاعل X10 لتقييم عامل تكاثر النيوترونات. ^{[ 3 ]} كان الهدف من هذه التجربة تحديد جدوى مفاعل نووي يستخدم الماء الخفيف كمهدئ ومبرد، واليورانيوم الصلب المغلف كوقود. أظهرت النتائج أنه باستخدام يورانيوم مُخصَّب تخصيبًا خفيفًا، يمكن الوصول إلى حالة الحرجية. ^{[ 4 ]} كانت هذه التجربة الخطوة العملية الأولى نحو مفاعل الماء الخفيف.

بعد الحرب العالمية الثانية ، ومع توفر اليورانيوم المخصب، أصبحت مفاهيم جديدة للمفاعلات النووية قابلة للتطبيق. في عام 1946، اقترح يوجين ويغنر وألفين واينبرغ مفهوم مفاعل يستخدم اليورانيوم المخصب كوقود، والماء الخفيف كمهدئ ومبرد، وقاما بتطويره. ^{[ 3 ]} طُرح هذا المفهوم لمفاعل يهدف إلى اختبار سلوك المواد تحت تأثير تدفق النيوترونات . بُني هذا المفاعل، مفاعل اختبار المواد (MTR) ، في ولاية أيداهو في مختبر أيداهو الوطني ( INL) ، ووصل إلى حالة التفاعل النووي الحرجة في 31 مارس 1952. ^{[ 5 ]} ولتصميم هذا المفاعل، كانت التجارب ضرورية، لذا بُني نموذج أولي لمفاعل اختبار المواد في مختبر أوك ريدج الوطني ( ORNL ) لتقييم الأداء الهيدروليكي للدائرة الأولية، ثم لاختبار خصائصه النيوترونية. وصل هذا النموذج الأولي لمفاعل الاختبار منخفض الكثافة (LITR)، والذي أطلق عليه لاحقًا اسم مفاعل الاختبار منخفض الكثافة (LITR)، إلى حالة التشغيل الحرجة في 4 فبراير 1950 ^{[ 6 ]} وكان أول مفاعل ماء خفيف في العالم. ^{[ 7 ]}

مباشرةً بعد انتهاء الحرب العالمية الثانية، بدأت البحرية الأمريكية برنامجاً تحت إشراف الكابتن (لاحقاً الأدميرال) هايمان ريكوفر ، بهدف تطوير الدفع النووي للسفن. وقد طوّر البرنامج أول مفاعلات الماء المضغوط في أوائل الخمسينيات، وأدى إلى النشر الناجح لأول غواصة نووية، وهي يو إس إس نوتيلوس (SSN-571)   .

طوّر الاتحاد السوفيتي بشكل مستقل نسخة من مفاعل الطاقة المضغوطة (PWR) في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي، تحت اسم VVER . ورغم تشابهها الوظيفي الكبير مع المفاعل الأمريكي، إلا أنها تتميز أيضاً ببعض الاختلافات التصميمية عن مفاعلات الطاقة المضغوطة الغربية.

قاد الباحث صموئيل أونترمير الثاني الجهود المبذولة لتطوير مفاعل الماء المغلي في محطة اختبار المفاعلات الوطنية الأمريكية (التي تُعرف الآن باسم مختبر أيداهو الوطني ) في سلسلة من الاختبارات تسمى تجارب البوراكس .

كان نظام PIUS، اختصارًا لـ Process Inherent Ultimate Safety (السلامة القصوى المتأصلة في العملية)، تصميمًا سويديًا من ابتكار شركة ASEA-ATOM. وهو عبارة عن مفهوم لنظام مفاعل الماء الخفيف. ^{[ 8 ]} إلى جانب مفاعل SECURE، ^{[ 9 ]} اعتمد هذا النظام على تدابير سلبية، لا تتطلب تدخلًا من المشغل أو مصادر طاقة خارجية، لضمان التشغيل الآمن. ولم يتم بناء أي وحدات منه.

في عام 2020، أعلن مركز تأثير الطاقة عن نشر تصميم هندسي مفتوح المصدر لمفاعل الماء المضغوط القادر على إنتاج 300 ميجاوات حرارية/100 ميجاوات كهربائية من الطاقة يسمى OPEN100 . ^{[ 10 ]}

حتى عام 2022، كان 379 من أصل 441 مفاعلاً نووياً في العالم من نوع مفاعلات الماء الخفيف، و45 من أصل 51 مفاعلاً قيد الإنشاء من تصميم مفاعلات الماء الخفيف. وشملت هذه المفاعلات 306 مفاعلات من نوع مفاعلات الماء الخفيف المضغوطة المبردة والمهدئة، و61 مفاعلاً من نوع مفاعلات الماء الخفيف المغلي المبردة والمهدئة، و12 مفاعلاً من نوع مفاعلات الماء الخفيف المبردة والمهدئة بالجرافيت. وبلغت قدرتها الكهربائية الصافية الإجمالية 361,888 ميغاواط. ^{[ 11 ]}

تُجمّع قضبان التحكم عادةً في مجموعات - عادةً 20 قضيبًا في مفاعل الماء المضغوط التجاري - وتُدخل في أنابيب توجيه داخل عنصر الوقود. يُزال قضيب تحكم من قلب المفاعل النووي أو يُدخل فيه للتحكم في عدد النيوترونات التي ستُفجّر ذرات اليورانيوم. يؤثر هذا بدوره على القدرة الحرارية للمفاعل، وكمية البخار المتولد، وبالتالي على الكهرباء المنتجة. تُزال قضبان التحكم جزئيًا من القلب للسماح بحدوث تفاعل متسلسل . يمكن تغيير عدد قضبان التحكم المُدخلة والمسافة التي تُدخل بها للتحكم في تفاعلية المفاعل.

عادةً ما توجد وسائل أخرى للتحكم في التفاعلية. في تصميم مفاعل الماء المضغوط (PWR)، يُضاف مُمتص نيوترونات قابل للذوبان، عادةً حمض البوريك ، إلى سائل تبريد المفاعل، مما يسمح باستخراج قضبان التحكم بالكامل أثناء التشغيل المستقر للطاقة، ويضمن توزيعًا متساويًا للطاقة والتدفق على كامل قلب المفاعل. أما في تصميم مفاعل الماء المغلي (BWR)، فيستخدم المشغلون تدفق سائل التبريد عبر قلب المفاعل للتحكم في التفاعلية عن طريق تغيير سرعة مضخات إعادة تدوير المفاعل. وتؤدي زيادة تدفق سائل التبريد عبر قلب المفاعل إلى تحسين إزالة فقاعات البخار، وبالتالي زيادة كثافة سائل التبريد/المهدئ، مما ينتج عنه زيادة في الطاقة.

يستخدم مفاعل الماء الخفيف الماء العادي لتبريد المفاعل. يُمرر الماء الخفيف، وهو مصدر التبريد، حول قلب المفاعل لامتصاص الحرارة المتولدة. تُنقل الحرارة بعيدًا عن المفاعل وتُستخدم بعد ذلك لتوليد البخار. تستخدم معظم أنظمة المفاعلات نظام تبريد منفصلًا فعليًا عن الماء الذي سيُغلى لإنتاج البخار المضغوط للتوربينات ، كما هو الحال في مفاعل الماء المضغوط. ولكن في بعض المفاعلات، يُغلى الماء اللازم لتوربينات البخار مباشرةً بواسطة قلب المفاعل، كما هو الحال في مفاعل الماء المغلي.

تُبرَّد العديد من المفاعلات الأخرى بالماء الخفيف، ولا سيما مفاعل RBMK وبعض مفاعلات إنتاج البلوتونيوم العسكرية . ولا تُصنَّف هذه المفاعلات ضمن مفاعلات الماء الخفيف، لأنها تُبرَّد بالجرافيت ، وبالتالي تختلف خصائصها النووية اختلافًا كبيرًا. وعلى الرغم من أن معدل تدفق سائل التبريد في مفاعلات الماء المضغوط التجارية ثابت، إلا أنه ليس كذلك في المفاعلات النووية المستخدمة على متن سفن البحرية الأمريكية .

يستلزم استخدام الماء العادي تخصيب وقود اليورانيوم بنسبة معينة قبل الحفاظ على مستوى التفاعل المطلوب في المفاعل. يستخدم مفاعل الماء الخفيف اليورانيوم 235 كوقود، مخصبًا بنسبة 3% تقريبًا. ورغم أن هذا هو وقوده الرئيسي، فإن ذرات اليورانيوم 238 تساهم أيضًا في عملية الانشطار بتحولها إلى بلوتونيوم 239 ، يُستهلك نصفها تقريبًا داخل المفاعل. تُعاد تعبئة مفاعلات الماء الخفيف بالوقود كل 12 إلى 18 شهرًا، حيث يُستبدل حينها حوالي 25% من الوقود.

يُحوّل _سادس فلوريد اليورانيوم المخصب إلى مسحوق ثاني أكسيد اليورانيوم ، ثم يُعالَج ليُشكّل على هيئة كريات. تُسخّن هذه الكريات في فرن تلبيد عالي الحرارة لإنتاج كريات خزفية صلبة من اليورانيوم المخصب . بعد ذلك، تُطحن الكريات الأسطوانية للحصول على حجم موحد. يُجفّف أكسيد اليورانيوم قبل إدخاله في الأنابيب للتخلص من الرطوبة في الوقود الخزفي التي قد تؤدي إلى التآكل والتقصف الهيدروجيني. تُكدّس الكريات، وفقًا لمواصفات تصميم كل قلب نووي، داخل أنابيب مصنوعة من سبيكة معدنية مقاومة للتآكل . تُغلَق الأنابيب بإحكام لاحتواء كريات الوقود، وتُسمى هذه الأنابيب بقضبان الوقود.

تُجمّع قضبان الوقود الجاهزة في مجموعات وقود خاصة تُستخدم بدورها في بناء قلب الوقود النووي لمفاعل الطاقة. ويختلف المعدن المستخدم في الأنابيب باختلاف تصميم المفاعل؛ ففي الماضي، كان يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ ، أما الآن فتُستخدم سبيكة الزركونيوم في معظم المفاعلات . وفي معظم أنواع المفاعلات الشائعة، تُجمّع الأنابيب في حزم بمسافات دقيقة بينها. ثم تُمنح هذه الحزم رقم تعريف فريد، مما يُمكّن من تتبعها من مرحلة التصنيع مرورًا بالاستخدام وصولًا إلى التخلص منها.

يتكون وقود مفاعل الماء المضغوط من قضبان أسطوانية مجمعة في حزم. تُشكّل كريات من سيراميك أكسيد اليورانيوم وتُوضع داخل أنابيب من سبيكة الزركونيوم المجمعة معًا. يبلغ  قطر أنابيب سبيكة الزركونيوم حوالي 1 سم، وتُملأ الفجوة بين الوقود وغلافه بغاز الهيليوم لتحسين توصيل الحرارة من الوقود إلى الغلاف. تحتوي كل حزمة وقود على ما بين 179 و264 قضيبًا، ويتم تحميل ما بين 121 و193 حزمة وقود في قلب المفاعل . تتكون حزم الوقود عادةً من قضبان مُجمّعة بأبعاد تتراوح بين 14×14 و17×17 قضيبًا. يبلغ طول حزم وقود مفاعل الماء المضغوط حوالي 4 أمتار. تُضغط أنابيب سبيكة الزركونيوم بالهيليوم لتقليل احتكاك الكريات بالغلاف، والذي قد يؤدي إلى تلف قضبان الوقود على المدى الطويل.

في مفاعلات الماء المغلي، يكون الوقود مشابهًا لوقود مفاعلات الماء المضغوط، باستثناء أن حزم الوقود تُغلّف بأنبوب رفيع يحيط بكل حزمة. والهدف من ذلك هو منع تباينات الكثافة الموضعية من التأثير على الديناميكا النيوترونية والحرارية للقلب النووي على نطاق واسع. في حزم وقود مفاعلات الماء المغلي الحديثة، يتراوح عدد قضبان الوقود في كل مجموعة بين 91 و92 و96 قضيبًا، وذلك حسب الشركة المصنعة. ويتراوح عدد المجموعات في قلب المفاعل بين 368 مجموعة لأصغر مفاعلات الماء المغلي الأمريكية و800 مجموعة لأكبرها. ويُملأ كل قضيب وقود في مفاعل الماء المغلي بالهيليوم حتى يصل ضغطه إلى حوالي ثلاثة أضعاف الضغط الجوي (300 كيلو باسكال).

مهدئ النيوترونات هو وسط يُخفّض سرعة النيوترونات السريعة ، مُحوّلاً إياها إلى نيوترونات حرارية قادرة على دعم التفاعل النووي المتسلسل الذي يشمل اليورانيوم-235. المهدئ الجيد للنيوترونات هو مادة غنية بذرات ذات أنوية خفيفة لا تمتص النيوترونات بسهولة. تصطدم النيوترونات بالأنوية وترتد عنها. بعد عدد كافٍ من الاصطدامات، تُصبح سرعة النيوترون مُقاربة للسرعات الحرارية للأنوية؛ ويُطلق على هذا النيوترون حينها اسم النيوترون الحراري.

يستخدم مفاعل الماء الخفيف الماء العادي ، أو ما يُسمى أيضًا بالماء الخفيف، كمُهدئ للنيوترونات. يمتص الماء الخفيف كمية كبيرة من النيوترونات تجعله غير مناسب للاستخدام مع اليورانيوم الطبيعي غير المُخصب، ولذلك يصبح تخصيب اليورانيوم أو إعادة معالجته نوويًا ضروريًا لتشغيل هذه المفاعلات، مما يزيد من التكاليف الإجمالية. وهذا ما يُميزه عن مفاعل الماء الثقيل ، الذي يستخدم الماء الثقيل كمُهدئ للنيوترونات. فبينما يحتوي الماء العادي على بعض جزيئات الماء الثقيل، إلا أن هذه الكمية غير كافية لتكون ذات أهمية في معظم التطبيقات. في مفاعلات الماء المضغوط، يُستخدم ماء التبريد كمُهدئ للنيوترونات من خلال السماح لها بالتعرض لتصادمات متعددة مع ذرات الهيدروجين الخفيفة الموجودة في الماء، مما يؤدي إلى فقدانها للسرعة. ويحدث هذا التهدئة للنيوترونات بشكل متكرر كلما زادت كثافة الماء، نظرًا لزيادة عدد التصادمات.

يُعدّ استخدام الماء كمُهدِّئ ميزة أمان مهمة في مفاعلات الماء المضغوط، إذ أن أي ارتفاع في درجة الحرارة يؤدي إلى تمدد الماء وانخفاض كثافته، مما يُقلل من تباطؤ النيوترونات وبالتالي يُقلل من التفاعلية في المفاعل. لذلك، إذا زادت التفاعلية عن المعدل الطبيعي، فإن انخفاض تهدئة النيوترونات سيؤدي إلى تباطؤ التفاعل المتسلسل، مُنتجًا حرارة أقل. هذه الخاصية، المعروفة بمعامل درجة حرارة التفاعلية السالب، تجعل مفاعلات الماء المضغوط مستقرة للغاية. في حالة حدوث حادث فقدان سائل التبريد ، يُفقد المُهدِّئ أيضًا ويتوقف تفاعل الانشطار النشط. تستمر الحرارة في التولد بعد توقف التفاعل المتسلسل من النواتج الثانوية المشعة للانشطار، بنسبة 5% تقريبًا من القدرة المقدرة. تستمر هذه "حرارة الاضمحلال" لمدة تتراوح بين سنة وثلاث سنوات بعد الإيقاف، وعندها يصل المفاعل أخيرًا إلى "الإيقاف البارد الكامل". حرارة الاضمحلال، على الرغم من خطورتها وقوتها الكافية لإذابة قلب المفاعل، إلا أنها ليست بنفس شدة تفاعل الانشطار النشط. خلال فترة ما بعد إيقاف التشغيل، يحتاج المفاعل إلى ضخ مياه التبريد وإلا سيرتفع حرارته بشكل مفرط. إذا تجاوزت درجة الحرارة 2200 درجة مئوية، ستتحلل مياه التبريد إلى هيدروجين وأكسجين، مما قد يُشكل خليطًا قابلًا للانفجار كيميائيًا. تُعد حرارة الاضمحلال عامل خطر رئيسي في سجل سلامة مفاعلات الماء الخفيف.