مفاعلات مختلفة

من هذا الاستعراض السريع لأنواع المفاعلات نستطيع أن نستنتج الخيارات الكثيرة والمتنوعة لبناء مفاعل نووي. وسوف نستعرض بعض هذه المفاعلات فيما يلي:

أ- مفاعل كاندو:

في الشكل (1) نبين مفاعل كاندو (CANDU) ذو الماء الثقيل المضغوط الذي ذكرناه آنفاً حيث يستخدم هنا الماء الثقيل D₂O كمبرد ومهدئ. أما الوقود فهو عبارة عن اليورانيوم الطبيعي في صورة UO₂ (بنسبة

الشكل (1)

0.72% 235U-) الذي يشكل على هيئة كريات معبأة داخل أنابيب من الزكانيوم قطرها الخارجي 13.1 ملم. وتوضع هذه الأنابيب في حزم يحوي كل منها 37 أنبوبة وتوضع هذه الحزم في مجموعات اسطوانية. يحتوي المفاعل على 4569 حزمة من هذه الحزم وتبلغ كتلة أكيد اليورانيوم 95 طناً. أما قطر قلب المفاعل فيبلغ 6.3 متراً وطوله 5.9 متراً. وتعطي العلاقة بين سمك اسطوانة وعاء الضغط (t) وقطرها (D) والضغط الذي يجب أن تتحمله (P) بالمعادلة:

حيث S قوة تحمل المادة المستخدمة لصناعة الأسطوانة.

ويمكن أثناء تشغيل المفاعل تغيير حزم الوقود دون الحاجة إلى وقف المفاعل. وتبلغ طاقة هذا المفاعل حوالي 750 ميجاوات (كهربية).

ب- مفاعلات الفضاء:

تستخدم هذه المفاعلات لتزويد سفن الفضاء بمصادر طويلة الأمد للطاقة. ولا بد من توفر تقنية متقدمة لذلك حيث يمكن أن يتم التشغيل لمدة سنة او تزيد دون مساعدة بشرية . كما ويجب أن نوجه اهتماماً خاصاً إلى النسبة بين الطاقة إلى الوزن. نبين في الشكل (2) مفاعل SNAP الذي يعتبر اسمه اختصاراً لاستخدامه وهو Systems for Nuclear Auxiliary Power ويتركب المفاعل من منظومة سداسية تتكون من 61 عنصراً اسطوانتين طول كل منها 25.4 سم وقطرها 2.54 سم أما المهدئ فهو عبارة عن مخلوط متجانس من هايدرايد الزركانيوم. والوقود عبارة عن يورانيوم ذو تخصيب مرتفع. ويحاط القلب بعاكس من البيريليوم. أما التحكم فيتم عن طريق نصفي اسطوانتين (Drums) من البيريليوم الذي يعتبر جزءاً من العاكس. اما المبرد فهو سبيكة الصوديوم -البوتاسيوم التي تعمل بالمضخة الكهرومغناطيسية. أما المبادل الحراري فيستخدم الزئبق المغلي. ويزن هذا المفاعل حوالي 100 كيلوجرام بدون الدرع الواقي (أو حوالي 300 كيلو جرام مع الدرع) أما الطاقة الناتجة فتبلغ حوالي 3 كيلووات

الشكل (2)

(كهربية) تتولد باستمرار ولمدة عام او أكثر.

ج- المفاعلات الإنتاجية:

تستخدم هذه المفاعلات كما بينا للحصول على وقود نووي إضافي وذلك بتحويل اليورانيوم 238 والثوريوم - 232 إلى بلوتونيوم - 239 ويورانيوم - 233 على الترتيب. اللذين يمكن استخدامهما كوقود نووي انشطاري. وفي الواقع تعمل هذه المفاعلات على نيوترونات عالية الطاقة ومن ثم فهي مفاعلات نووية سريعة – يبين الشكل (3) قطاعا عرضيا في مفاعل إنتاجي نموذجي بطاقة تبلغ

الشكل (3)

250 ميجاوات (كهربية) حيث يوضع وعند مركز قلب المفاعل وقود مخصب تخصيباً عالياً وتحيط بهذه المنطقة عباءة (Blanket) من المادة المتحولة المخصبة) أو (Fertile) التي هي عبارة عن U²³⁸ او ²³²Th. ثم تحاط هذه بطبقة من مادة عاكسة لتعمل على إعادة النيوترونات إلى داخل قلب المفاعل. ومن ثم تزداد نسبة الإنتاج. هذا عن القلب أما عن باقي أجزاء المفاعل. وترتيبات استخلاص الطاقة فتماثل تلك المتعلقة بمفاعلات القدرة بصورة عامة.

لاحظ أنه في مثل هذه المفاعلات فإن عناصر الوقود يجب أن تنقل إلى محطات إعادة المعالجة بعد حوالي ثلاث سنوات من تشغيل المفاعل حيث يتم استخلاص البلوتونيوم واليورانيوم.

د- المفاعلات التجريبية أو البحثية Research Experimental Reactors:

هناك العديد من هذه المفاعلات التي يمكن استخدامها لأغراض ابحاث الفيزياء النووية وتصميم المفاعلات وتحضير النظائر المشعة وغير ذلك من الاستخدامات. وهناك مفاعلين قديمين ورائدين في هذا المجال هما: مفاعل بريطاني في هارول وآخر أمريكي في بروكهافن. يتركب مفاعل بروكهافن التجريبي من كومة من الجرافيت تعمل كمهدى، والوقود عبارة عن اليورانيوم الطبيعي. وهو ذو حجم كبير نظراً لضخامة كتلة اليورانيوم المستخدمة ولكن هذا الحجم الكبير يسهل إجراء كثير من التجارب، إلا أن فيض النيوترونات الناتج صغير ويقع في حدود 10¹² نيوترون/سم² .ث.

كما ويمكن استخدام الماء كمهدئ ومبرد في أمثال هذه المفاعلات. ومن أشهر المفاعلات التي تعمل وفق هذا المبدأ مفاعل بركة السباحة Swimming Pool Reactor الذي نبينه في الشكل (4). حيث يعلق القلب

الشكل (4)

بالقرب من قاع بركة مياه يبلغ عمقها حوالي سبعة امتار. وتبلغ طاقة الشغيل حوالي 100 كيلووات، أما فيض النيوترونات الحراري فيصل إلى حوالي 10¹² نيوترون/ سم² .ث. أما التدريع فيتم جزئياً عن طريق الماء نفسه كما ويحاط المفاعل بجدار من الخرسانة المسلحة يعمل كدرع إشعاعي. أما التبريد فيتم عن طريق تيارات الحمل الحرة في بركة الماء نفسها ومن ثم تحفظ الحرارة إلى عند مستوى مقبول.

 كما ونبين في الجدولين (1)، (1) خصائص تصاميم معظم المفاعلات المعروفة في العالم حتى يومنا هذا.

الجدول (1)

الجدول (2)