انواع المفاعلات النووية

يتحكم المفاعل النووي في إطلاق الطاقة من تقسيم ذرات بعض العناصر، وفي مفاعل الطاقة النووية يستخدم الطاقة المنبعثة كحرارة لصنع البخار الذي يستخدم لتوليد الكهرباء، وتتطابق مبادئ استخدام الطاقة النووية لإنتاج الكهرباء في معظم أنواع المفاعلات.

تستغل الطاقة المتولدة من الانشطار المستمر لذرات الوقود لتحويلها إلى حرارة في الغاز أو الماء، وتستخدم لإنتاج البخار. يتم استخدام البخار لتشغيل التوربينات التي تولد الكهرباء (كما هو الحال في معظم محطات الوقود الأحفوري). أقدم مفاعل نووي في العالم يعمل بشكل طبيعي في مستودع لليورانيوم منذ ما يقرب من ملياري سنة.

أنواع المفاعلات النووية

المفاعلات التجارية حول العالم

هناك ستة أنواع رئيسية من المفاعلات المستخدمة في جميع أنحاء العالم. تستخدم التصميمات المختلفة تركيزات مختلفة من اليورانيوم للوقود ، و مشرفين مختلفين لإبطاء عملية الانشطار ، ومبردات مختلفة لنقل الحرارة ،أكثر أنواع المفاعلات شيوعًا هو مفاعل الماء المضغوط (PWR) ، الذي يمثل 250 من 392 مفاعلًا في العالم تعمل الآن.

مفاعل الماء المضغوط

مفاعلات الماء المضغوط (PWRs) هي أكثر أنواع المفاعلات شيوعًا في العالم  ، و تستخدم PWRs الماء العادي (أو “الخفيف”) كمبرد وسيط ، و يتم ضغط سائل التبريد لمنعه من الوميض في البخار لإبقائه سائلاً أثناء التشغيل ، كما تقوم المضخات القوية بتدوير الماء عبر الأنابيب ، ونقل الحرارة التي تغلي الماء في حلقة منفصلة ثانوية. يدفع البخار الناتج مولدات التوربينات المنتجة للكهرباء.

مفاعلات الماء المغلي

تشكل مفاعلات الماء المغلي (BWRs) 15٪ من إجمالي المفاعلات في العالم. في المفاعلات الماء المغلي، يعمل الماء الخفيف كوسيلة تبريد. يتم الاحتفاظ بسائل التبريد تحت ضغط أقل من تلك الموجودة في مفاعلات الضغط الماء المحمولة (PWRs)، مما يسمح للماء بالغليان. يتم توجيه البخار مباشرة إلى مولدات البخار لتوليد الكهرباء. على الرغم من أن غياب مولد البخار يبسط التصميم، إلا أن النشاط الإشعاعي يمكن أن يلوث التوربين.

مفاعلات الماء الثقيل المضغوط

تعرف المفاعلات المضغوطة للماء الثقيل (PHWRs) المعروفة أيضا باسم مفاعلات CANDU بحوالي 12٪ من مفاعلات العالم وتستخدم في جميع محطات توليد الطاقة النووية الكندية. يتم استخدام الماء الثقيل كوسط تبريد ويتم استخدام اليورانيوم الطبيعي كوقود. تماما مثل المفاعلات PWR ، يتم استخدام وسيط التبريد لغلي الماء العادي في دورة منفصلة. يمكن تزويد مفاعلات CANDU بالوقود دون إيقاف التشغيل.

مفاعلات تبريد الغاز

لا تستخدم المفاعلات المبردة بالغاز إلا في المملكة المتحدة. هناك نوعان، ماغنوكس (سميت من سبائك المغنيسيوم المستخدمة لتكسية عناصر الوقود) والمفاعل المتقدم المبرد بالغاز (AGR). يستخدم كلا النوعين ثاني أكسيد الكربون كمبرد والغرافيت كمشتع. يستخدم ماغنوكس اليورانيوم الطبيعي كوقود، بينما يستخدم AGR اليورانيوم المخصب. مثل مفاعلات CANDU، يمكن تزويد هذه التصاميم بالوقود أثناء التشغيل.

مفاعلات جرافيت الماء الخفيف

تستخدم روسيا مفاعلات الجرافيت في الماء الخفيف (LWGRs)، حيث يعمل الماء العادي كمبرد والغرافيت كمشرف. تشبه تلك المفاعلات تصميمات BWRs، حيث يتم تسخين سائل التبريد أثناء مروره في المفاعل، ويتم توجيه البخار المتولد مباشرة إلى مولدات التوربينات. وغالبا ما يتم تصميم وتشغيل تلك المفاعلات بدون الحاجة إلى ميزات السلامة والمواصفات المطلوبة في أماكن أخرى. وقد حدث حادث تشيرنوبيل المعروف في عام 1986 في أوكرانيا لمفاعل من هذا النوع.

مولدات سريعة المفاعلات

نظرا لاحتمالية تفكك ذرات اليورانيوم بواسطة النيوترونات البطيئة ، تم تصميم معظم أنواع المفاعلات للاستفادة من هذه الظاهرة. على الجانب الآخر ، تستخدم المفاعلات سريعة التكاثر (FBR) النيوترونات السريعة لتحويل مواد مثل اليورانيوم 238 والثوريوم-232 إلى مواد قابلة للاشتعال، والتي تستخدم لتشغيل المفاعلات. يمكن لهذه العملية، جنبا إلى جنب مع إعادة تدوير الوقود النووي، زيادة الموارد النووية المتاحة على المدى الطويل. تعمل المفاعلات سريعة التكاثر بشكل رئيسي في روسيا، وتم تصميم وحدات المفاعلات الصغيرة الحديثة (SMR) للبناء بشكل اقتصادي في ظروف مشابهة للمصانع (بدلا من الموقع)، وتتراوح سعاتها بين حوالي 10 ميجاوات و 300 ميجاوات.

مفاعلات وحدات صغيرة

هناك اهتمام متزايد في الشركات الصغيرة والمتوسطة لتوفير الكهرباء لشبكات الكهرباء الصغيرة، وربما لتوفير الحرارة للصناعات والموارد. يمكن أيضا توصيل الشركات الصغيرة والمتوسطة تدريجيا بشبكات أكبر مع زيادة الطلب. تقدر الوكالة الدولية للطاقة الذرية أن حوالي 96٪ من الشركات الصغيرة والمتوسطة يمكن أن تعمل في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2030.

تتضمن بعض تصاميم SMR العديد من التصميمات لتكون تحت الأرض بالكامل في مراحل متقدمة من التطوير، مما يقلل من استخدام الأراضي والموظفين والاحتياجات الأمنية، وتشمل بعض التصميمات أنظمة السلامة السلبية، ويمكن أن تعمل لفترة تصل إلى أربع سنوات دون الحاجة للتزود بالوقود.

عمر المفاعل

لا تزال بعض مفاعلات الجيل الأول، مثل مفاعلات Magnox المبردة بالغاز في المملكة المتحدة، تعمل بعد أن اقتربت من نهاية فترة تشغيلها. تم بناء العديد من هذه المفاعلات في السبعينيات والثمانينيات وستصل إلى سن الأربعين بدءا من عام 2015. ومع ذلك، لم تظهر الدراسات المعتمدة على التجربة والمواد أي مشاكل تكنولوجية كبيرة تعرقل عمر التشغيل الطويل للعديد من المفاعلات، وخاصة المفاعلات PWR و BWR.

توفر المراقبة الدقيقة لأداء المصانع وتحليل تجربة التشغيل وبرامج التحديث والتجديدات فرصًا جيدة لتمديد عمر العديد من المصانع. وعلى سبيل المثال، تم جدولة عشرة مفاعلات CANDU للتجديد اعتبارًا من عام 2014 لتمديد عمرها التشغيلي من 25 إلى 30 عامًا وما بعده.