وقود نووي

الوقود النووي المستخدم في مفاعل الماء الخفيف هو اليورانيوم المخصب وهو يشكل على شكل وحدات قفصية الشكل تسمى وحدات الوقود. وتتكون وحدة الوقود من عدد من قضبان الوقود محفوظة في أنابيب من سبيكة الزركونيوم بأعداد 17 في 17 من قضبان الوقود في هيئة قفص يبلغ مقطعه 45 سم في 45 سم وطوله نحو 4 متر.
يستخدم اليورانيوم المخصب في صورة أكسيد اليورانيوم ويكون في شكل أسطوانة بارتفاع 2.5 سم وقطر نحو 0.9 سم وتعبأ في الأنابيب من سبيكة الزركونيوم، طول الأنبوب 4 متر وتغلق من طرفيها محكمان بحيث لا تخرج منها شوائب مشعة أثناء عمل المفاعل. يحتوي أكسيد اليورانيوم المخصب في العادة على نسبة من النظير الانشطاري اليورانيوم-235 تصل إلى 3 %. ونظرا لأن خام اليورانيوم الطبيعي يحتوي على 0.7% من اليورانيوم-235 الانشطاري فقط والباقي يورانيوم-238 لا ينشطر، فلا بد من استخدام اليورانيوم المخصب بنسبة بين 5-2 % و0-4 % باليورانيوم-235 في المفاعلات التي تعمل بالماء العادي حيث يمتص الماء نيوترونات فيمنع من استمرار التفاعل النووي في المفاعل. أي أن نسبة اليورانيوم-235 المقدرة ب 3 % تعوض عدد النيوترونات الممتصة في الماء والضائعة بحيث يستمر التفاعل التسلسلي.

قضبان التحكم

تزود كل وحدة وقود بعدد من قضبان التحكم (4 أو 6) وهي مصنوعة من مادة شديدة الامتصاص للنيوترونات. يستخدم لهذا الغرض سبيكة من الصلب والبور أو معدن الكادميوم مشكـّلة في هيئة قضيب يبلغ طوله 4 متر أيضا. عن طريق رفع أو خفض قضبان التحكم في قلب المفاعل يمكن التحكم في معدل سير التفاعل، حيث أنها تضبط عدد النيوترونات وتمتص الجزء الزائد منها من قلب المفاعل. ولتوقيف تشغيل المفاعل تغطّس جميع قضبان التحكم في قلب المفاعل فتمتص النيوترونات ويتوقف التفاعل النووي.

مصفوف قلب المفاعل

سنأخذ هنا مثال مفاعل الماء المغلي للتوضيح. يتكون قلب المفاعل من مصفوف شبكي أسطواني معدني يحتوي على فتحات رأسية توضع فيها وحدات الوقود. يبلغ قطر أسطوانة المصفوف نحو 4 متر وهو بارتفاع 4 متر ويتسع لأخد نحو 200 من وحدات الوقود (يشبه من أعلى خلايا النحل). تحتوي وحدة الوقود على نحو 1/2 طن من اليورانيوم المخصب، أي أن المفاعل يعمل بنحو 100 طن من وقود اليورانيوم. هذا بالنسبة لمفاعل قوى كبير ينتج الطاقة الكهربائية بقدرة 1000 ميجا وات.

وحدات الوقود

يوجد قلب المفاعل الذي يحتوي على 200 من وحدات الوقود في وسط خزان ضغط المفاعل، وهو يعتبر غلاية أسطوانية مغلقة قطر 5 متر وارتفاعها نحو 7 متر. يبلغ سمك جدار خزان الضغط للمفاعل نحو 25 سنتيمتر وهو مصنوع من الفولاذ. ينفذ من خزان الضغط أنابيب لضخ الماء فيه وأنابيب أخرى لخروج البخار من خزان الضغط وعودة البخار المكثف إليه. تغطى وحدات الوقود في قلب المفاعل بالماء النقي. الجزء العلوي من خزان الضغط في شكل القبة ويمكن فصله عن الخزان بغرض استبدال وحدات الوقود المستهلكة. وعند إغلاقه فيتم ذلك بإحكام حيث يصل الضغط داخله أثناء التشغيل نحو 400 ضغط جوي.

انشطار اليورانيوم-235

عند بدء التفاعل المتسلسل في المفاعل تصطدم النوترونات البطيئة مع أنوية ذرات اليورانيوم-235 فتنشطر بعضها إلى جزئين ويكون ذلك مصحوبا بانطلاق من 2 إلى 3 من النيوترونات. وتخرج النيوترونات من قضبان الوقود لتصطدم بالماء الذي حولها فتهدأ سرعتها وتصبح قادرة على الاصتدام بأنوية جديدة من اليورانيوم-235 ، منتجة هي الأخرى نيوترونات وبهذا يستمر التفاعل المتسلسل الانشطاري مع اليورانيوم.
الإنشطار النووي لذرة اليورانيوم -235 يكون مصحوبا بإصدار طاقة قدرها 202.5 مليون إلكترون فولت (= 3.24 × 10⁻¹¹ J) والتي تساوي 19.54 مول.
ولكن لا بد للتفاعل المتسلسل أن يسير بمعدل ثابت، ولا يُسمح له للتزايد المستمر مثل القنبلة حيث ينتج عن كل نيوترون يتفاعل مع أحد أنوية اليورانيوم-235 بين 2 و3 نيوترونات جديدة تستطيع بدورها التفاعل مع أنوية اليورانيوم منتجة 9 نيوترونات، وهذه تتفاعل مع اليورانيوم وتنتج بدورها 27 نيوترونا وهكذا وهذا ما يحدث في القنبلة الذرية. ولكن في مفاعل القوي يجري التحكم في سير التفاعل عن طريق قضبان التحكم المحتوية علي الكادميوم التي تمتص النيوترونات الزائدة وتحافظ على أن يكون معدل سير التفاعل مساويا للواحد. أي بحيث أن كل نيوترون يتفاعل مع اليورانيوم وينتح مثلا 3 نيوترونات، فتقوم قضبان التحكم بامتصاص 1 نيوترون ويمتص الماء 1 نيوترون بالتقريب ويتبقى 1 نيوترون للتفاعل مع اليورانيوم-235 وهكذا. وتسمى تلك الحالة بالحالة الحرجة للمفاعل.
قضبان التحكم المصنوعة من الكادميوم تشغل أماكن بينية بين قضبان الوقود، وكل وحدة وقود مزودة بعدد منها، يمكن رفعها أو خفضها في قلب المفاعل وتضبط معدل سير التفاعل تلقائيا. كما يمكن بواسطتها إيقاف التفاعل كليا، وذلك بدفع جميع قضبان التحكم كلية في قلب المفاعل بين وحدات الوقود، فيمتص الكادميوم جميع النيوترونات ويتوقف التفاعل النووي.
ينتج عن كل انشطار لنواة اليورانيوم-235 نحو 200 ميجا إلكترون فولت من الطاقة، وهي تظهر في صورة طاقة حركة نواتج الانشطار، وترفع درجة حرارة الماء وتسخنه. ويستغل البخار الناتج في تشغيل التوربين والمحول الكهربائي الضخم الذي ينتج بدوره التيار الكهربائي.

التحكم

يبين الشكل المجاور الأجزاء الرئيسية لقلب المفاعل النووي، وهي وحدات الوقود والمهدئ (الماء)وقضبان التحكم.
يولد المفاعل النووي بخار تحت ضغط قدره نحو 400 ضغط جوي عند درجة حرارة 450 درجة مئوية. يخرج البخار من خزان ضغط المفاعل ويوجه إلى توربين الذي يدير بدوره المولد الكهربائي الكبير الذي ينتج 1000 ميجاوات من التيار الكهربائي.

ثاني أكسيد اليورانيوم

يستعمل ثاني أكسيد اليورانيوم المحتوي على نسبة 3 % من يورانيوم-235 الانشطاري في لمفاعلات الأكثر انتشارا، مثل مفاعل الماء المغلي ومفاعل الماء المضغوط في محطات القوى لتوليد الكهرباء.

أكسيد مخلوط MOX

هو مخلوط من البلوتونيوم-239 واليورانيوم الطبيعي أو اليورانيوم المتبقي من عملية تخصيب اليورانيوم (يورانيوم منضب) وتكون مواصفات المخلوط معادلة لمواصفات الوقود المخصب باليورانيوم-235. وقد جرب استخدامه في عدة مفاعلات من مفاعل الماء المضغوط ومفاعل الماء المغلي، ونجح استخدامها ويستخدم بعضا منها إلى جانب الوقود النووي المعتاد في تموين المفاعلات النووية بالوقود.
وينتج البلوتونيوم-239 من مفاعلات الماء الخفيف المعتمدة على اليورانيوم المخصب، ويتم فصل البلوتونيوم من وحدات الوقود المستهلكة في مصنع خاص يقوم بتدوير المواد النووية reprocessing.
كما يمكن استغلال البلوتونيوم الموجود في القنابل النووية بعد تفكيكها في إطار الحد من التسلح النووي، وخلطها مع اليورانيوم الطبيعي لتصنيع وحدات وقود تستخدم لإنتاج الطاقة.

الثوريوم

يستخدم نظير الثوريوم-232 الذائب في الأملاح في مفاعل ملح منصهر لإنتاج الطاقة على المستوي الصغير، في مفاعلات تجريبية. وقد استخدم الوقود السائل المحتوي على الثوريوم في صورة مخلوط من الليثيوم والبيريليوم والثوريوم وفلوريد اليورانيوم : LiF-BeF₂-ThF₄-UF₄ (72-16-12-0.4 mol%). ويتميز الوقود هذا الوقود المنصهر بدرجة حرارة تصل إلى 700 درجة مئوية، كما تبين الاختبارات إمكانية رفع درجة الحرارة هذه حيث أن درجة غليان المخلوط الملحي تبدأ عند 1400 رجة مئوية.

أملاح اليورانيوم

جرى استخدام مفاعل المحلول المائي المحتوي على سولفات الأورانيل uranyl sulfate أو محاليل أخرى لليورانيوم بنجاح. ولكنه هذا النوع من المفاعلات لم ينفذ على المستوى الكبير لإنتاج الطاقة، ويرجع ذلك إلى سهولة انتشار المواد النووية في المناطق المجاورة للمفاعل في حالة حدوث حادث جسيم أثناء التشغيل.

وقود ماجنوكس magnox

في إنجلترا يستخدم نوع من المفاعلات تبرد بثاني أكسيد الكربون ويستخدم فيها الجرافيت كمهدئ لسرعة النيوترونات وهي تعمل باليورانيوم الطبيعي (ليس مخصب) وتحفظ الوقود في أنابيب من سبيكة ماجنوكس. وتتكون سبيكة ماجنوكس من المغنسيوم والألمونيوم وهي سبيكة غير قابلة للصدأ وتستخدم فقط لتغليف اليورانيوم الطبيعي في المفاعل. واسم ماجنوء هي اختصار ل :
Magnesium non-oxidising وتتميز تلك التغلفة بقلة امتصاصها للنيوترونات.

وقود اندماج نووي

ينتمي إلى وقود الاندماج النووي التريتيوم (³H) والديوتيريوم (²H) وهي نظائر الهيدروجين، ويسمى التريتيوم أحيانا بالهيدروجين الثقيل. ويتميز تفاعل اندماج نووي عن تفاعل الانشطار النووي في كونه يطلق كثافة حرارية أعلى من المفاعل النووي. وتجرى تجارب باهظة التكاليف لاستخدام تفاعل الاندماج النووي في انتاج الطاقة ونجح العلماء في استمرار التفاعل لمدة دقائق. ولكن الطاقة الكهرباية المستخدمة في تلك التجارب لا تزال أعلى بكثير من الطاقة المكتسبة من المفاعل. هذا هو مستوى البحث الآن، ويرجى في المستقبل زيادة < حجم المفاعل الاندماجي بحيث تكون حصيلته من الطاقة مجدية.
وتتضافر الجهود مجتمعة بين الولايات المتحدة الأمريكية ودول الإتحاد الأوروبي واليابان من أجل بناء مفاعل احتباري من هذا النوع، ولكن مسألة التمويل صعبة في الوقت الحالي.