فيزياء تحديث المياه الثقيلة

ويستبدل الماء الثقيل، أو أكسيد الديوتروم، الهيدروجين في المياه العادية بالديوتريوم، أو النظير الذي يحتوي على بروتون واحد، أو النيوترون، أو ما يعادل نحو ضعف الوزن الجزيئي، ولكن الفرق الحاسم في الفيزياء النووية، وعندما يُستحوذ النيت بسرعة من التلال النيجيرية ذات النواة النيتية المنخفضة، فإنه يفقد الطاقة الكهرمائية الأقرب.

(ب) [تتتمثل الآثار العميقة في مفاعل الماء الخفيف، ومشغلو قوات الاستيعاب التابعة لمديرة البرنامج في تخصيب اليورانيوم بنسبة 3 إلى 5 في المائة من اليورانيوم - 235، ويمكن لمفاعل من طراز CANDU، باستخدامه الماء الثقيل، أن يحقق الأهمية مع نسبة 0.7 في المائة من اليورانيوم - 235 الموجود في اليورانيوم الطبيعي، مما يزيل الحاجة إلى مرافق التخصيب وما يرتبط بها من طاقة ورأسمالة ومخاطر الانتشار.

نسبة التدرج في الماء الثقيل نسبة تباطؤ الطاقة إلى التقاطع بين القطع فوق درجة كبيرة من الماء الخفيف أو الجاموس هذا المعدل يبطئ من كفاءة الموصل دون استيعابها، ونسبة المعالجين في الماء الثقيل هي حوالي 000 4 مقارنة بحوالي 70يوم من الماء الخفيف و 70 من الغرافيت

CANDU Core Design: Built Around Heavy Water

ومفاعل CANDU هو مفاعل مكثف للمياه الثقيلة مع تركيبة أفقية فريدة، والمراكز الأساسية على سفينة إسطوانية كبيرة تسمى Clandria ، التي تحمل موصلاً كبيراً للمياه الثقيلة عند درجة حرارة منخفضة (نحو 60-70 درجة مئوية) وضغطاً أفقياً على المفاعلات القريبة من الغلاف الجوي.

وتعاني رزم الوقود من نقص (حوالي 0.5 متر) في تركيبات ثاني أكسيد اليورانيوم الطبيعي التي تُركَّب في سبائك الزركونيوم، لأن اليورانيوم الطبيعي يتطلب طيفاً محركاً جيداً، ويُستحوذ على النسيج السخي، ويشغل جهاز معالجة المياه الثقيلة نحو 80 في المائة من الحجم الأساسي، ويحيط بكل أنبوب ضغط به غطاء من أجهزة التحكم في النيتروز التي تشمل الدوار

وتتكون الكلاندريا عادة من فولاذ لا يصق أو فولاذ كربون منخفض الطواف، مع صمود جدران مصممة لتحمل الحمولة الكبيرة المنخفضة الضغط، ويتكون كل أنبوب ضغط من سبيكة الزركونيوم - النيوبيوم (Zr-2.5Nb) التي يتم اختيارها لاستيعابها المنخفض للنيترات ومقاومة التآكل الممتازة عند درجات الحرارة العالية.

إجراءات بدء التشغيل: توازن محدد للنشاط

التحقق قبل بدء التشغيل وظروف المياه الثقيلة

ويبدأ تشغيل وحدة من وحدات النيتروز قبل فترة طويلة من أول تضاعف للنيترون، ويؤكد المشغلون سلامة كل من أجهزة الموصلات المائية الثقيلة المبردة، ويتحققون من مستويات المخزون، والنقوص الإلكتروني (وهو ما يعادل 99.7 في المائة من الدي2O)، ومعادل الكيمياء (الحرارة، والثباتات التراكمية).

التسبب في حرجية أولية

(أ) مع استقرار ظروف المياه الثقيلة، يُدرج مصدر نيوترون إلى القاع أو قربه، وتُستخدم معظم محطات الكولدو في مستوى الارتفاع المانع للدم أو مستوى الكولون الإضافي (Cf-252) لتوفير تدفق مميت ثابت يمكن قياسه بواسطة أجهزة التبريد، وفي البداية، يكون الركيزة الفرعية مضافاً إلى عامل فعال للتركيز (كلوت: صفر)

ويرصد العاملون قنوات القوة الحركية وأجهزة الكشف عن النيوترونات الواسعة النطاق بينما يقتربون من درجة حرجة، ويجعل أسلوب وحدة الضبط المركزي المفاعلات حرجاً في وقت مضاعف بطيء جداً (من 50 إلى 100 ثانية) وهذه السرعة الحذرة تتيح لأجهزة التحكم الرقمي أن تتعقب التدفق النيوتروني في الوقت الحقيقي وتبدأ رحلات وقائية إذا ارتفعت درجة الحرارة في البلدان النامية.

اختبارات فيزياء القوى المنخفضة وأجهزة توليد الطاقة

وبعد أن كانت هناك أهمية حاسمة، فإن مجموعة من الاختبارات الفيزيائية المنخفضة القدرة تحقق من سلوك الجوهر: قيمة الضبط، ودرجة الحرارة، ومعاملات التفاعل اللاغية، وقياسات توزيع التدفق، وتؤكد هذه الاختبارات أن محرك المياه الثقيل يعمل على النحو المتوقع، وأنه لم تحدث أي شذوذات خلال فترة انقطاع الكهرباء، إلا عندما تكون نتائج الاختبار متسقة مع تقرير السلامة التشغيلية قد بدأت عملية التداول المخفض للطاقة.

ومن الجوانب الرئيسية للاختبارات المنخفضة القدرة قياس قيمة قضيب المكيف، والقضبان المكيفة، والمصنعة من الصلب اللاصق، والمحتوية على كميات صغيرة من عناصر الارتداد بالنيوترونات، وتشكل التدفق النيوترونات وتعوض عن الحرق، ويجب أن تكون قيمة هذه المقاييس بالدولارات معروفة تماماً لضمان بقاء المفاعل في حدود هوامش التفاعل الآمن أثناء معالجات الطاقة الكهربائية.

المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة التي تُستخدم في المياه الثقيلة

اقتصاد نيوترون السوبر

(أ) إن قياس الكفاءة في أي دورة نووية هو الاقتصاد النيوتروني - التوازن بين النيوترونات المنتجة وتلك التي فقدت للاستيعاب أو التسرب - في الأراضي الجافة، يتم امتصاص نحو 10-15 في المائة من ألياف النيترونات من قبل مديرة الاجتماع، وفي وحدة مكافحة التخصيب، فإن كمية الوقود الثقيلة التي تلتقطها تتقلص إلى نسبة قليلة من الفلور.

مرونة الوقود والإمدادات في اليورانيوم الطبيعي

كما أن الاقتصاد النيوتروني الممتاز يجعل من وحدة مكافحة التخصيب من الاعتماد على خدمات التخصيب، إذ يمكن للبلدان التي لديها رواسب اليورانيوم الطبيعي المحلي أن تغذي مفاعلاتها بالكامل من المصادر المحلية، وأن تقلل من المخاطر الجغرافية السياسية ومن التعرض للعملات، كما أن الاقتصاد النيوتروناتي الممتاز يجعل من وحدة استخدام اليورانيوم المستنفد منبراه لدورات الوقود البديلة - الوقود الذي يستند إلى الثالوث قد يختبر في مفاعلات البحوث، وقد تستخدم التصميمات للثوريوم ذات عوامل إنتاجية أقل.

عوامل القدرة العالية والوقود على الإنترنت

كما أن إعادة الإمداد بالوقود على الإنترنت تلغي عمليات الإغلاق الدورية والمتعددة الأسابيع اللازمة لاستبدال الوقود في الأراضي المتجمدة الجنوبية، وتتحقق محطات الاتحاد بصورة روتينية عوامل قدرة تتجاوز 90 في المائة، وتتجاوز بعض الوحدات 95 في المائة في التشغيل السنوي، فعلى سبيل المثال، حققت وحدة بروس باور رقم 3 سجلا عالميا قدره 594 يوما من التشغيل المستمر دون انقطاع مخطط له، وعندما يلزم الصيانة، يسمح التصميم الأفقي لأجهزة التحكم في الوقود بإجراء عمليات تفتيش فردية، واستبدال

أما الكفاءة الحرارية لمصانع البرمجيات المحتوية على اليورانيوم المستنفد، التي تبلغ عادة 30 إلى 32 في المائة، فهي أقل قليلا من كفاءة استخدامات الطاقة الحديثة بسبب انخفاض درجة الحرارة المبردة في الدائرة الابتدائية، غير أن هذا يقابله ارتفاع في استخدام الوقود وعوامل القدرة العالية، وتشمل عمليات إعادة الوقود السنوية معالجة آلاف الأرز، ولكن الطبيعة الإلكترونية تعني أن المفاعل لا يحتاج إلى وقف إنتاج الطاقة الكهربائية، مما يسهم في تحقيق ناتج للطاقة أعلى من إجمالي القدرة المركبة.

تكامل السلامة: أوجه القصور في المياه الثقيلة

أما السلامة في تصميمات هذه المادة فهي ليست إضافة؛ فهي مدمجة في فيزياء المياه الثقيلة؛ ونظراً لأن الموصلات تفصل مادياً عن المبرد، فإن حادث فقدان المفاعلات الحرارية لا يزيل فوراً الوقود المتناثر، ولا تزال الكالاندريا مليئة بالماء الثقيل المبرد، وتوفر مصاريف حرارية طارئة مثبتة، وتضمن عدم حدوث تفاعل خفي في السلسلة.

أما إزالة الحرارة السائبة فهي وجه آخر من مزايا المياه الثقيلة، ففي حالة انقطاع المحطة، يمكن للمدير وحده أن يستوعب الحرارة المتبقية لساعات، مما يوفر فترة سماحية سخية قبل أن يعاد التبريد الفعلي، وقد تجلى هذا الميز خلال الزلزال الذي وقع في اليابان في عام 2011، عندما كان يعمل وحدات وحدة الإنقاذ في أونتاريو يتنقل عبر اضطرابات الشبكة دون وقوع حوادث، كما أن التواتر الحراري للمعدات المائية الثقيلة الكبيرة (تة)

ونظام الإغلاق المزدوج هو سمة أمنية مميزة، إذ يستخدم نظام الإغلاق 1 (SDS1) قضبان مقفلة آلية تنخفض إلى القاع من الجاذبية، بينما يستخدم النظام المغلق 2 (SDS2) حلا مركزا لنيترات الغادوليوم في الموصل بضغط مرتفع، ويتسبب كلا النظامين في إحداث حرارة مختلفة مثل ارتفاع معدل التدفق النيوتروني، أو انخفاض الضغط المبرد، أو ارتفاع درجة الحرارة.

إدارة مستودعات المياه الثقيلة ومراقبة التريتيوم

ويحتاج تشغيل مفاعل CANDU إلى جرد كبير من كميات المياه الثقيلة - ما بين 250 و300 طن من أجل وحدة واحدة تبلغ 700 مليون طن من الطاقة الكهربائية، ومن الناحية التاريخية، قامت كندا ببناء محطات مخصصة للمياه الثقيلة في خليج غلايس، ونوفا سكوشيا، ثم في بروس، أونتاريو، حيث تعمل محطة مياه بروس هيفي حتى التسعينات، وتعيد الاحتياطات الاستراتيجية والاتفاقات الدولية إلى مستوى الطلب الجديد.

وتتراكم هذه المادة من خلال المستودعات المستقرة في إطار نظام تخزين النفايات السائلة، حيث أن هذه المادة تستهلك في المستقبل، كما أن هذه المادة من المواد الكيميائية، التي تستخدم في شكل أجهزة مائية مجهزة بالغاز، وتحتفظ بمفاعلات مائية ثقيلة، وتحتفظ بمرافق مجهزة في إطارات المياه السائلة، وتشغلها أجهزة التنظيف.

الابتكارات ومستقبل مفاعلات المياه الثقيلة

وما زالت البحوث تؤدي إلى دفع قدرات مفاعلات المياه الثقيلة، إذ أن دورات الوقود المتقدمة التي تتزوج بطانيات هرمونات ذات منطقة وقود مركزية تعمل على وضع نماذج لمفاعلات نموذجية صغيرة مستمدة من وحدة مكافحة التصحاح، والتي تُعد بخفض مظلتها بشكل كبير في إطار نفايات المواد الخاملة التي تستخدمها الوكالة الدولية للطاقة الذرية.

وفي موقع بروس باور، أدمجت مشاريع إطراد الحياة نماذج جديدة لتنقية المياه الثقيلة تقلل من طول التريتيوم، ويجري النظر في نهج مماثلة لإعادة تجديدها في محطات أخرى، ويظل تطوير مساهمين في إنتاج الوقود المتحمل للحادث، وتحسين المواد التي تحمل ضغطاً كبيراً، يهدف إلى زيادة درجة الحرارة المسموح بها، ورفع الناتج الكهربائي دون تغيير هيكل المياه الثقيلة الأساسية.

ويقوم عدد من مشغلي الاتحاد باستكشاف استخدام اليورانيوم المعاد تدويره من الأسلحة النووية المفككة كمصدر للوقود، وهذه المبادرة، المعروفة باسم " دورة الوقود الموحدة " ، ستمزج اليورانيوم العالي التخصيب من نوع الأسلحة الذي يستهلك اليورانيوم المستنفد من أجل خلق وقود من الدرجة المفاعلات يمكن استخدامه في مفاعلات الاتحاد دون مزيد من التخصيب، وتزيد هذه البرامج من الأمن العالمي مع توفير استخدام عملي لفوائد المواد العسكرية.

خاتمة

فالماء الثقيل ليس مجرد مدخلات لمفاعلات الاتحاد؛ بل هو المادة التمكينية التي تحدد فلسفتها التشغيلية، ومن بداية الدورة المحسنة التي تدار بطريقة تجعل من التكوينات دون الحرجة إلى طاقة مستقرة ذاتية، إلى عملية مفاعلات عالية القدرة، تكون ممكنة عن طريق إعادة الإمداد بالوقود على شبكة الإنترنت، وقلة كفاءة المخبز