ما هو مفاعل الماء؟

ومفاعل مياه الغليان هو نوع من المفاعل النووي المائي الخفيف الذي تعمل فيه المياه العادية كمبرد وموصل النيوترونات، وخلافا لتصميمات المفاعل الأخرى التي يُحتفظ فيها بالمبرد الرئيسي تحت ضغط كبير لمنع الغليان، يسمح مفاعل BWR بتغليب المياه مباشرة داخل قلب المفاعل، ثم يتم تركيب البخار المنتج مباشرة في مولد للتركيب المهيمن، مما يزيل الحاجة إلى مفاعل مستقل.

وقد ساهمت البساطة في تصميم BWR في انتشاره على نطاق واسع، لا سيما في الولايات المتحدة واليابان وأجزاء من أوروبا، وحتى عام 2025، لا تزال حوالي 60 وحدة من وحدات BWR في الخدمة التجارية النشطة، مما أدى إلى توليد آلاف الميغاوات من الكهرباء المنخفضة الكربون كل عام، علما بأن كيفية عمل هذه المفاعلات أمر أساسي لتقدير دورها في توليد الطاقة النووية الحديثة.

كيف أن مفاعل الماء الغليان يولد الكهرباء

إن عملية توليد الكهرباء في مركز BWR هي أساسا دورة حرارية، ولكن سلسلة الأحداث داخل سفينة المفاعل تفصلها عن أنواع أخرى من المفاعلات، وتكسر الأقسام الفرعية التالية كل مرحلة من مراحل العملية.

الصبغة النووية في شركة المفاعل

ويحتوي جوهر المفاعل على آلاف قضبان الوقود، وكلها مليئة بفول السوداني من ثاني أكسيد اليورانيوم المثرى بنحو ٣-٥ في اليورانيوم المائي الإنشطاري - ٢٣٥، وعندما يضرب النيوترون نواة اليورانيوم - ٥٣٢، يقسم إلى عناصر أخف، ويطلق كمية كبيرة من الطاقة في شكل حرارة واثنين أو ثلاثة من النيوترونات السريعة الإضافية.

المركبة المباشرة: ستيام إلى توربين

ويرتفع درجة حرارة الماء إلى أن تصل إلى نقطة التشبع وتبدأ في التغلي، وفي حالة حدوث انخفاض في الماء، تعمل القاع في ضغط يبلغ نحو 7.2 من السائل (040 1 من الفول)، مما يتيح للماء أن يغلي عند حوالي 285 درجة مئوية (545 درجة مئوية) ويرتفع الستار السائل - خليط من بخار الماء والخروج من السائل -

إعادة هيكلة المفاعلات وتثبيتها

ثم يضخ الماء المكثف إلى سفينة المفاعل من خلال سلسلة من سخانات المياه المستعملة، مكملة دورة المياه المغلقة، لأن البخار الذي يقود التربين يأتي مباشرة من قلب المفاعل، فإن جميع المكونات التي تعالج البخار قد تتعرض للتلوث الإشعاعي، ولهذا السبب، فإن محطات BWR تتضمن هياكل قوية للحماية والاحتواء لحماية عمال المزارع والبيئة المحيطة بها.

الاختلافات الرئيسية بين أجهزة إعادة التأهيل وإعادة معالجة المياه المضللة

وفي حين أن كلا من عمليات إعادة التأهيل وإعادة التأهيل وإعادة التأهيل هي مفاعلات للمياه الخفيفة، فإن فلسفات تصميمها تختلف بطرق هامة عديدة، ففي عملية إعادة التأهيل، يظل المبرد الرئيسي في ضغط كبير (نحو 15.5 درجة مئوية) لمنع الغلاية، ويضخ المبرد الرئيسي الساخن من خلال مولد البخار، حيث ينقل الحرارة إلى دائرة مائية ثانوية منفصلة تنتج توربينات ثانوية.

وعلى النقيض من ذلك، يستخدم البخار الذي ينتج مباشرة في القاع الرئيسي المسببات التربينية مباشرة، وهذه الدورة المباشرة تزيل الحاجة إلى مولدات البخار التي يمكن أن تكون باهظة الثمن ومعرضة لتدهور الأنبوب، غير أن ذلك يعني أن التربين وجميع مكونات التلال في المجرى المائي تشكل جزءا من المنطقة الخاضعة للرقابة الإشعاعية، وأن الضغط التشغيلي في مفاعل BWR أقل من الضغط الذي يخفف من مستوى الإجهاد.

مزايا مفاعلات المياه النقية

  • Simplified plant layout:] The absence of a steam birth and pressurizer reduces the number of major components, shortening construction timelines and lowering capital costs.
  • Direct steam cycle:] The steam produced in the core flows directly to the turbine, eliminating the temperature drop associated with a heat exchangermal efficiency by about 1-2% compared to a PWR of similar power rating.
  • Fast load-following capability:] BWRs can respond quickly to changes in electrical demand by adjusting the flow rate of internal recirculation voids, which changes the fraction (steam bubbles) in the core and thus the reactor power. This makes BWRs well-suited for grids with changing renewable energy sources.
  • Proven technology:] BWRs have been in commercial operation since the 1960s, providing a substantial base of operating experience and a well- established supply chain for fuel and components.
  • Low pressure core:] The lower operating pressure (compared to PWRs) reduces the required fishness of the reactor pressure vessel, easing manufacturing constraints and enabling the use of larger vessels for higher power output.

ثانيا - التحديات والاعتبارات المتعلقة بالسلامة

وعلى الرغم من مزاياها الكثيرة، فإن عمليات إعادة التأهيل الاجتماعي تطرح تحديات محددة يتعين على المشغلين والمنظمين التصدي لها للحفاظ على سلامة التشغيل وموثوقيته.

التعرض للإشعاع واحتواءه

ونظرا لأن البخار الذي ينتج في بركان الماء مشع - يحتوي على النيتروجين - ١٦ )من نشاط المياه(، والغازات النبيلة، وكميات النسيج - يجب حماية التوربينات، والمكثفات، وما يرتبط بها من صنوف، ويحتاج العمال إلى ضوابط صارمة على الدخول وإلى قياسات شخصية للتقليل من التعرض المهني، ونظام الاحتواء الرئيسي المعروف باسم " مارك أولا " ، أو " قمم " " المادة الثالثة " .

نظم السلامة المتقدمة في عمليات حفظ السلام الحديثة

وتشمل التصاميم الحديثة للإنشاءات المتعددة الطبقات الدفاعية التي تتجاوز النظم الأصلية للجيل الثاني، على سبيل المثال، تتضمن عوامل السحب المتقدمة لمفاعل المياه (ABWR) مضخات إعادة التصريف الداخلية التي تربو تحت القاع، وتزيل حلقة الاستعادة الخارجية الكبيرة التي كانت تشكل ضعفا في التصميمات السابقة للتراكمات المائية - مثل انقطاع خط التراكم الذي أسهم في حدوث مضخة محاكاة الفولتشي.

تاريخ وتطور تكنولوجيا BWR

وقد بدأ تطوير مفاعلات المياه المغلية في الخمسينات في محطة اختبار المفاعلات الوطنية في إيداهو، وقد اكتسبت أول عملية تجريبية في BWR، وهي تجربة مصنع BORAX-I (العملية الخاصة بمفاعلات البناء) اختبارا لإمكانية الغليان المباشر كوسيلة لتوليد الطاقة، وفي عام 1955، كان المفاعل BORAX-III متصلا بالشبكة الكهربائية، مما أدى إلى اختصارعة في مدينة أرن النووية القريبة من نوعها.

وطوال الستينات والسبعينات، صقل الجنرال كهرباء تصميم BWR من خلال خطوط منتجات متتالية - BWR/2 إلى BWR/6 - كل منها أدخل تحسينات في تصميم الوقود وكثافة الطاقة الأساسية ونظم الأمان، وفي الثمانينات، أصبحت أجهزة BWRs خيارا موحدا للمرافق في الولايات المتحدة واليابان والسويد وبلدان أخرى، وقد أدى الحادث الخطير الذي وقع في فوكوشيما دايفيشي في عام 2011، إلى تعزيز نظم السلامة في منطقة بيروسيا.

التصميمات المتقدمة للزراعة والزراعة: ABWR و ESBWR

وقد حصل المجلس الوطني للبحر الأبيض المتوسط، الذي وضعه الجنرال هيتاشي، على موافقة تنظيمية في الولايات المتحدة في التسعينات، وقد بني في اليابان وتايوان، وهو يضم نظم المراقبة الرقمية، وقنابل التحكم في الغرامات، ولب المفاعلات التي يمكن أن تنتج ما يصل إلى ٦٠٠ ١ ميغاواط، كما أن مضخات إعادة التطهير الداخلية التي تصل إلى عشرة مضخات مجهزة داخل منطقة قاعدية من سفينة المفاعلات الخارجية.

وتعتمد هذه الهيئة على نظام التبسيط، الذي حصل على شهادة تصميم نهائية من لجنة التنظيم النووي في الولايات المتحدة في عام 2014، وهي تعتمد كليا على التداول الطبيعي لتدفق المبردات، وتزيل جميع مضخات إعادة الضبط وما يرتبط بها من مصادر وضوابط، وهذا التصميم يقلل من عدد المضخات بنسبة 10 إلى 11 مقارنة بـ 600 6 من ملامح القوة الثابتة التي تُستخدم في نظام BWR/6، ويلغي الحاجة إلى نظام كبير لتبريد المنتجات.

إدارة الوقود والنفايات في عمليات إعادة البناء

وتختلف تركيبات وقود البيوتادايين السداسيين من حيث المساحة الجغرافية عن تلك المستخدمة في عمليات إعادة تصنيع الأسلحة، كما أن مجموعة وقود التراكم الأحيائي نموذجية تبلغ 8x8 أو 9x9 أو 10 ×10 من قضبان الوقود، وهي مجهزة في صندوق قناة مصنوع من سبائك الزركونيوم، ويعزل التدفق المبرد حول كل مجموعة من الفولاطون، مما يسمح بتصميم الفولطيورانيوم المختلط على النحو الأمثل.

وبعد ما يقرب من ١٢ إلى ٢٤ شهرا من التشغيل، تُزال تجمعات الوقود المستهلك من القاع وتخزن في مجمعات التبريد في الموقع، حيث يؤدي فك التشفير في المنتجات الانشطارية إلى خفض ناتجها الحراري والنشاط الإشعاعي خلال السنوات القليلة الأولى، ومن هناك، يمكن في نهاية المطاف نقل التجمعات إلى تخزين الكاسك الجاف أو إرسالها لإعادة المعالجة )وإن لم تتم إعادة المعالجة حاليا بالنسبة للوقود التجاري المستنفد في قطاع النفايات في الولايات المتحدة(.

العوامل الاقتصادية والتشغيلية

ويتوقف الأداء الاقتصادي لمصانع BWR على مجموعة معقدة من العوامل، منها تكاليف التشييد، وتكاليف دورة الوقود، وعامل القدرة، وعمر النباتات، ولأن عمليات إعادة البناء تعمل تحت ضغط أقل من عمليات إعادة التأهيل، يمكن اختلاق وعاء ضغط المفاعل في مسامير أكبر، مما يتيح إنتاج طاقة أعلى داخل سفينة واحدة - وهو عامل يمكن أن يقلل من تكلفة تشغيل المفاعلات في محيطها، وإن كان القضاء على مولدات الطاقة الحرارية يقلل أيضا من الفوائد الرأسمالية.

وقد أثبتت عمليات إعادة البناء عوامل القدرة مقارنة بعاملات عمليات إعادة التأهيل - حيث تحقق وحدات حديثة عديدة من وحدات إعادة التشغيل بانتظام عوامل قدرة سنوية تزيد على 90 في المائة، وتزيد القدرة على إجراء تغييرات سريعة في الطاقة عن طريق مراقبة تدفق الاسترداد من قيمتها بالنسبة لمشغلي الشبكات، ولا سيما في الأسواق التي ينمو فيها اختراق مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة، غير أن تصميم الدورة المباشرة يتطلب مزيدا من الحذر في مراقبة الإشعاع ومعالجة الكيمياء في مجال نقل المنتجات الزراعية.

ومن الاعتبارات الهامة الأخرى، أن شركات صناعة النفط الفلسطينية قد استثمرت بشدة في الولايات المتحدة في تعزيزات السلامة بعد فوكوشيما، بما في ذلك تحسينات الفيضانات والزلازل، ومعدات احتياطية محمولة إضافية، وهياكل أساسية للاستجابة لحالات الطوارئ، بينما كانت هذه الاستثمارات ضرورية للسلامة، زادت من تكلفة تشغيل النباتات القائمة ويجب أن تؤخذ في الحسبان في أي قرار لبناء قدرة جديدة على إعادة البناء.

مستقبل مفاعلات المياه النقية

ومن المتوقع أن تظل عمليات إعادة التأهيل ذات الصلة جزءا هاما من الأسطول النووي العالمي لعقود قادمة، حيث تجري وحدات عديدة قائمة تجديدات للترخيص تمتد فترة عملها إلى 60 أو 70 أو حتى 80 سنة، مما يتطلب استثمارات مستمرة في إدارة عصر النباتات، واستبدال مكونات كبيرة (مثل مروجي مياه التربين، والمكثفات، وسفن المفاعلات الداخلية)، وتحسينات أداء المواد الهيدروكربونية الحرارية مثل الأسواق الحكومية ذات الصلة.

وتهدف المفاهيم الأصغر القائمة على أساس BWR، مثل BWRX-300 التي يقوم بتطويرها الفريق الاستشاري المعني بالتنوع البيولوجي، إلى تحقيق فوائد التداول الطبيعي والسلامة السلبية في نطاق إنتاج أصغر (300 ميغاواط)، والحد من الاستثمار الرأسمالي المباشر، وتمكين خيارات الجلوس الأكثر مرونة، كما أن نظام BWRX-300 هو مفاعل نموذجي صغير جديد يحتفظ بالملامح الرئيسية لتكاليف البناء المتحركة - التدفق الحر

وبالإضافة إلى توليد الكهرباء، يمكن لتكنولوجيات BWR أيضاً أن تجد تطبيقات في الجيل المشترك - تنتج الكهرباء وتسخين العمليات للاستخدامات الصناعية مثل إنتاج الهيدروجين أو تحلية المياه - إن طبيعة الدورة المباشرة للمركبات العضوية الثابتة تبسط استخراج الحرارة من نظام التربين، مما يتيح تحويل الطاقة الحرارية إلى مستخدمين صناعيين دون أن يؤثر ذلك تأثيراً كبيراً على توليد الطاقة، وتوحي هذه التطورات، إلى جانب التحسينات المستمرة في أداء الوقود، والرصد عبر الإنترنت، والأدوات الرقمية، بأن الطاقة الحرارية.

الموارد الخارجية للقراءة: World Nuclear Association – How Nuclear Reactors Work]; ]U.S. Nuclear Regulatory Commission – Boiling Water Reactors; ] IAEA Power Reactor Information System (PRIS).