Table of Contents
وقد ظلت مفاعلات المياه المغلية تشكل منذ وقت طويل حجر الزاوية في توليد الطاقة النووية، حيث تمثل حصة كبيرة من أسطول المفاعلات العالمية، وتتوقف سلامة هذه النظم بشكل حاسم على قدرتها على إزالة حرارة الديكور بصورة موثوقة، ولا سيما بعد توقف أو خلال سيناريوهات الحوادث، وقد أدت موجة من الابتكار في تكنولوجيات نظم التبريد إلى تحول سلامة BWR، مما أدى إلى تجاوز المضخات النشطة التقليدية وإلى تحويلات الحرارية إلى حد كبير.
The Evolution of BWR cooling Systems
ولم تعتمد نظم التبريد المبكر للبيوتادايين السداسي الكلور على المكونات النشطة: مضخات إعادة تدوير المفاعلات، ومضخات المياه التغذوية، ونظم التبريد الأساسية الطارئة التي تُستخدم من قبل المولدات الكهربائية الديزلية، وفي حين أن هذه التصميمات تستوفي معايير السلامة في وقتها، فإنها تفترض أن الطاقة الكهربائية ستكون متاحة دائما لدفع المضخات والصمامات، وقد دلت حادثة آذار/مارس 2011 في اليابان على أن الحد الأدنى من انقطاع الكهرباء يمكن أن يتحول إلى أضرار أساسية عندما تضيع المفاعلات.
وقد شكل التطور اتجاهين متوازيين، أولا، اعتمدت الصناعة النووية تقييم المخاطر المحتملة لتحديد نقاط الضعف في سلاسل التبريد ولإعداد مسارات احتياطية متنوعة، وثانيا، أن التقدم في مجال علوم المواد والضوابط الرقمية قد أتاح بناء عناصر التبريد الأكثر استدامة وأكثر استجابة، ونتيجة لذلك جيل جديد من تكنولوجيات التبريد ذات الصلة بشبكة BWR التي تجمع بين أفضل التقنيات الفيزيائية السلبية.
الابتكارات الأساسية في تصميم نظام التبريد
نظم التبريد السلبي
(أ) تعمل نظم التبريد السافرة بدون مضخات نشطة، تعتمد بدلاً من ذلك على التداول الطبيعي والجاذبية والتحويل الحرفي للتغيرات في العمليات البرية، أكثر نظم السلامة السلبية انتشاراً هو مكثف العزلة، الذي يقع داخل مجموعة من المياه فوق سفينة المفاعل، يستخدم المركز الدولي للتحكم في القوة المحركة الطبيعية لتكثيث البخار وتدفقات المياه من أجل إزالة حرارة التحلل.
وقد ركزت الابتكارات الأخيرة على زيادة قدرة وموثوقية مكثفات العزلة، حيث تستخدم التصميمات الجديدة تكنولوجيات متطورة (مثل الأنابيب المفلورة أو الميكروفونات) لتحسين معامل نقل الحرارة بالتكثيف، حيث تضم بعض النباتات الآن وحدات متعددة من وحدات التصنيف الدولي الموحد، كل منها مربوط في خزان المياه الخاص بها، لتوفير نظم معالجة ناسورة ذات دوافع الجاذبية، مثل نظام مراقبة الضخ الجاهز.
مبادلات محسنة
وقد قطعت تكنولوجيا مبادلات الحرارة خطوات كبيرة في العقد الماضي، ويجري حالياً استكمال مبادلات الحرارة التقليدية التي تستخدمها القصف والتبديل عن طريق تصميمات مدمجة تحقق معدلات أعلى بكثير من معدلات نقل الحرارة لكل حجم الوحدة، بينما يجري تقييم حجم المبادلات الحرارية المطبوعة التي كانت مطورة في الأصل لصناعات تجهيز المواد الكيميائية والغازية بالنسبة لتطبيقات BWR.
وثمة ابتكار واعد آخر هو استخدام مبادلات الحرارة القائمة على البوليمرات في مغسلة الحرارة النهائية، وعلى الرغم من أن البوليمرات تقل فيها القدرة على التصريف الحراري عن المعادن، فإنها مقاومة بشدة للتآكل ويمكن تصنيعها في تشكيلات تشجع التدفق المضطرب، ففي عمليات التراكم الحراري، تستخدم هذه المبادلات الحرارية في حلقات ثانوية أو لتبريد مجمعات التطهير، ولا سيما في النباتات التي تستخدم مواصف الحرارة كب متدفق حراري.
نظم التبريد النشط المتقدمة مع الدعم السلبي
وفي حين أن النظم السلبية موثوقة إلى حد كبير، فإن لديها قيوداً في معدل إزالة حرارة التحلل في ظل ظروف عالية الضغط، ولذلك فإن هياكل التبريد الحديثة في BWR مختلطة: فهي تحتفظ بمضخات نشطة ذاتية الدفع بالحركة من أجل التشغيل العادي، ومن أجل الاستجابة المبكرة للحوادث، ولكنها مقترنة بنظم سلبية تتغلب تلقائياً على ما إذا كانت الطاقة النشطة قد فقدت، وعلى سبيل المثال، فإن مفاعلات الطاقة الكهربائية العالية الرشية تعمل بالكهرباء.
وقد ركزت عمليات التحديث الأخيرة على جعل هذه المضخات التي تحركها توربين أكثر قوة، كما أن المواد الجديدة من أجل نصلات توربين (مثل سبائك التيتانيوم) تمدد الحياة في ظل ظروف البخار الرطب، وتسمح المحافظات المحسنة للنظم بالعمل على مجموعة أوسع من الضغوط على المفاعلات، وتشمل الآن مسارا مخصصا لإلغاء الضغط السلبي على النيتروجين، حتى استخدام النيتروجين المشبع في قيادة السفن.
علوم المواد وطولها
وتمارس مكونات نظام التبريد في BWRs في بيئة قاسية: ارتفاع درجات الحرارة، والأشعة النيوترونات، والكيمياء المبردة التآكلية (وبخاصة عندما يكون الأوكسجين وبرجين الهيدروجين موجودين بسبب تحلل الراديو) - ولتمديد مدة الخدمة والحد من احتمال حدوث صدع للإجهاد، اعتمدت الصناعة سبائك جديدة وتقنيات للتبريد على أساس التفريغ.
وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام مواد النسيك المركبة (SiC) بدأ يظهر في مكوّنات قنوات التدفق وأنبوب تبادل الحرارة، إذ يتيح السي سي سي سي سي سي سي سي سي سي إمتصاصاً حرارياً ممتازاً ومقاومة إشعاعية واستيعاباً منخفضاً للنيترون، وعلى الرغم من أنه لا يزال في مرحلة العرض المتطور، فإن مبادلات الحرارة التي تستخدمها سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي تي يمكن أن تعمل دون معالجة قضايا التآكلة في المياه التي تصيب الوحدات الفلزات المعدنية.
تكنولوجيا الرصد والمراقبة الذكية
ولا يكفي تحسين العناصر المادية وحدها - يجب أن يقترن بنظم رقابة ذكية يمكن أن تشعر بها وتتشخيصها وتستجيب للأورام أسرع من المشغلين البشريين، فتكامل أجهزة الاستشعار الرقمية وحساب الحواف والتعلم الآلي يؤدي إلى تغيير تدريجي في إدارة نظام التبريد في BWR.
التوائم الرقمية والتقليد الحقيقي
والتوائم الرقمي هو نسخة طبق الأصل من نظام التبريد الذي يعمل في نفس الوقت مع المصنع المادي، وباستخدام البيانات من مئات أجهزة الاستشعار (الالتسمية، والضغط، ومعدل التدفق، والوقوف الصمامي)، فإن التوأم الرقمي يصادق باستمرار على نموذج ذو كفاءة عالية، وأي انحراف - مثل تغيير خفيف في أداء مبادلات الحرارة أو تسارع جزئي في تآكل الصمامات - يُعد تنبيهاً رقمياً قبل أن يصبح الإجهاداًاًاًاً.
التحليلات الطبية والتعلم في مجال الآلات
وتستخدم نظم دعم المشغلات الآن خوارزميات التعلم الآلاتي التي تم تدريبها على سنوات من البيانات التشغيلية للتنبؤ بإخفاقات المعدات، مثلاً عن طريق تحليل مطياف اليقظة من مضخات إعادة هيكلة المفاعلات ومضخات المياه العذبة، يمكن للنموذج التنبؤ بالارتطام بنسبة 90 في المائة قبل ثلاثة أشهر، وهذا يسمح بتحديد مواعيد الصيانة أثناء فترات الإجازات المقررة بدلاً من عمليات الإغلاق القسري.
وفيما عدا الصيانة، يمكن للنظم التي تحركها منظمة العفو الدولية أن تكتشف أنماط التبريد غير الطبيعية - مثل الزيادة التدريجية في درجة حرارة مبادلات الحرارة - واقتراح إجراءات تصحيحية، وفي بعض غرف التحكم المتقدمة، تدمج هذه النظم في منطق آلية لتشكيل السلامة: فإذا أكدت أجهزة الاستشعار المتعددة اتجاهاً مفرطاً في التسخين، يمكن للنظام أن يبدأ بصورة مستقلة في التبريد الإضافي دون انتظار تأكيد المشغل (مع ذلك يسمح باستمرار تجاوز المشغل).
بروتوكولات السلامة الآلية واللوجية الإيجابية
وقد تطورت بروتوكولات الأمان الآلية لنظم التبريد من المنطق البسيط الذي يُستشف من الموجات الصلبة (مثلاً، " إذا كانت عتبة الضغط، ثم الصمامات المفتوحة " ) إلى الخوارزميات التكييفية التي تعتبر حالة النباتات الكاملة، فعلى سبيل المثال، تستخدم نظم الحماية الحديثة في BWR تكاليف المفاعلات ذات الصبغة الصغرية، وبدء تشغيل هذه النظم التي يمكن أن تُغيّر تسلسل التب في حقن على أساس سيناريوه الصدمة.
وهذه النظم الذكية للمراقبة مصممة بحيث تكون قوية ضد الفشل الوحيد والفشل المشترك، وتشمل منطق التصويت المتنوع، وقنوات الاتصال الزائدة عن الحاجة، والتشخيص الذاتي الدوري، والنتيجة هي هيكل لمراقبة التبريد الذي يمكن أن يستجيب لفقدان المحطة عن طريق الانتقال السلس من المضخات النشطة إلى مكثفات العزلة السلبية، دون أي عمل يقوم به المشغلون، مع توفير مركز الوقت الحقيقي لغرفة التحكم الرئيسية عبر وصلات لاسلكية.
التكامل مع نظم التبريد الأساسية في حالات الطوارئ
ولا توجد تكنولوجيات التبريد المبتكرة في عزلة - يجب أن تعمل في إطار التشكيل الحالي للجماعة الاقتصادية لدول وسط أفريقيا - في المراكز الحديثة، تشمل نظم الحقن ذات الضغط العالي والضغط المنخفض، فضلا عن مجمعات القمع التي توفر الغواصة الحرارية وضغط الاحتواء، وتركز التحسينات الأخيرة على زيادة موثوقية مجمع القمع كغس حراري من خلال نظم التداول الحرفي المتكرر.
وثمة مجال آخر للتكامل هو الجمع بين التبريد السلبي وهبوارات الاحتواء، وخلال الأحداث التي تتخطى الحدود، يمكن أن يساعد فتح فتحة الاحتواء الملوَّثة على الحفاظ على سلامة الاحتواء، ولكن يجب أن يبرد مسار التهوية لمنع درجات الحرارة المفرطة، وتشتمل التصاميم الجديدة على سترات تبريد سلبية على الأنابيب المهوية، باستخدام نفس مصادر المياه التي تغذي أجهزة الإشعاع المبرد العزلة.
وتقدم الرابطة النووية العالمية لمحة عامة ممتازة عن كيفية الجمع بين هذه النظم الفرعية للتبريد لتحقيق أهداف السلامة، مما يوضح الانتقال من الهياكل الهجينة النشطة فقط إلى الهياكل الهجينة السلبية.
الاتجاهات التنظيمية والرخص
وقد استكمل القائمون على التنظيم في جميع أنحاء العالم متطلباتهم لمكافأة الملامح السلبية للسلامة، وفي الولايات المتحدة، فإن إطار مركز الموارد الطبيعية في جمهورية الكونغو الديمقراطية المعنون " Risk-Informed, Performance-Based " يسمح للنباتات بطلب تعديلات الترخيص التي تحل محل بعض العناصر النشطة ببدائل سلبية، شريطة تعزيز حالة السلامة العامة، وفي اليابان، يجب أن تكون لدى جميع الجهات المعنية بتبني المواد الكيميائية القدرة على التوليد.
كما أن هذه الاتجاهات التنظيمية تشجع التنوع: فقد يلزم إنشاء مصنع يعتمد أساسا على المضخات النشطة لإضافة نظام مكرس للتبريد السلبي كدعم متنوع، مثلا، فإن تركيب نظام خارجي للتخلي عن الحرارة، منفصل عن مركب العزلة القائم، أصبح الآن شائعا في تطبيقات تجديد التراخيص، وهذا التنوع يقلل من خطر الفشل في التبريد.
الاتجاهات المستقبلية والمفاعلات التالية
وفي المستقبل، يجري إدماج نفس الابتكارات في التبريد في تصميمات المفاعلات المتقدمة، بما في ذلك المفاعلات النموذجية الصغيرة والجيل الثالث + BWRs مثل مشغلات التبريد الاقتصادي المبسطة، كما أن الإزالات الحرارية التي تبثها الهيئة تعتمد كلياً على التداول الطبيعي للعمليات العادية، وتبسيط نظام المفاعلات التي تُبنى على مضخات التحلل الكهربائي الخفية.
وعلاوة على ذلك، فإن البحث في دورات برايتون فوق درجة حرجة بالنسبة للمركبات الثنائية الفينيل المتعددة الكلور يمكن أن يؤدي إلى نظم تبريد أكثر كفاءة، حيث أن ثاني أكسيد الكربون الخارق له كثافة عالية وقدرة حرارية أعلى من البخار، مما يتيح إحداث تربوم في الاتفاقات ونسب منخفضة الضغط، وبينما لا تزال هذه التكنولوجيا في المرحلة الأولية، فإنها تعد بتخفيض البصمة المادية لنظم التبريد مع زيادة الكفاءة الاقتصادية في نهاية المطاف.
خاتمة
إن مشهد نظام التبريد لمفاعلات المياه الغليان يمر بتحول أساسي، إذ إن الصناعة النووية، من خلال الجمع بين الفيزياء السلبية والضوابط الرقمية الذكية والمواد المتقدمة، تقوم ببناء نظم تبريد أكثر مرونة بكثير من نظم الأجيال السابقة، وهذه المواسير التي تُعمد فيها التكنولوجيا، مع تعزيز السطح، ومبادلات الحرارة، والمضخات التي تستخدمها أجهزة التربيل ذات القوة الذاتية، والتحسينات الرقمية غير المؤتة.