وقود نووي

دورة الوقود النووي، مثل 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.

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.

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.

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.

قضيب وقود ماجنوكس.

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 ماجنوس هي اختصار ل: Magnesium non-oxidising وتتميز تلك التغلفة بقلة امتصاصها للنيوترونات.

استخدم الديوتيريوم ²H والتريتيوم ³H كوقود اندماجي. التريتيوم هو نظير الهيدروجين ، ويسمى الهيدروجين الثقيل لأن نواته تحوي 1 بروتون و 1 نيوترون. والتريتيوم هو أيضا نظير الهيدروجين ويحوي في نواته 1 بروتون و 2 نيووترون. وهي تتفاعل طبقا للثلاثة تفاعلات الآتية ؛ (تفاعلات التحام واندماج وتنتج هيليوم ( وهي تمثل الاندماج النووي الذي يحدث في الشمس والنجوم وتستمد منها طاقتها العظيمة)):

²H + ³H ${\displaystyle \leftarrow }$ نيوترون (14.07 MeV) + ⁴He (3.52 MeV)

²H + ²H ${\displaystyle \leftarrow }$ نيوترون (2.45 MeV) + ³He (0.82 MeV)

²H + ²H ${\displaystyle \leftarrow }$ بروتون (3.02 MeV) + ³He (1.01 MeV)

وتنتج من تلك التفاعلات (الاندماجية) طاقة كبيرة يحملها كما في الاندماج الأول النيوترون وهي طاقة قدرها 14.07 مليون إلكترون فولط، ويحمل الهيليوم الناتح أيضا طاقة قدرها 3.52 مليون إلكترون فولط.

كما ينتج من الاندماجين الآخرين أيضا طاقة موزعة على نواتج الاندماج كما توضحه المعادلات.

تلك الطاقة الناتجة هي طاقة حركة تتحرك بها الجسيمات بسرعات هائلة، وتنتج منها حرارة (بالتحول من طاقة حركة إلى طاقة حرارية).

يحتاج الجيل الثاني للاندماج النووي إلى زمن أطول لانحصار البلازما ولدرجة حرارة أعلى لكي تتصادم الجسيمات المشتركة في الاندماج بطريقة أشد، وذلك بالمقارنة بتفاعلات الجيل الأول. وهي تتميز بأنها تنتج نيوترونات أقل وهو شرط مرغوب فيه حيث تصتدم النيوترونات بحوائط المفاعل وتجعلها مشعة. ولا يمكن حصر النيوترونات في المفاعل بعيدا عن الحوائط بمغناطيسات لأن النيوترونات متعادلة كهربائيا ولا تتأثر تقريبا بالمغناطيسية. (حينما تصبح الحوائط مشعة يصعب التخلص منها كنفايات مشعة).

وتتكون المواد الداخلة في تفاعل الاندماج النووي للجيل الثاني من الديوتيريوم والهيليوم-3. ونواتج التفاعل كلها جسيمات مشحونة، إلا أنه توجد تفاعلات جانبية تؤدي إلى إصدار النيوترونات.

²H + ³He ${\displaystyle \leftarrow }$ بروتون (14.68 MeV) + ⁴He (3.67 MeV)

يمنتج من الاندماج هنا أيضا طاقة كبيرة توزع بين النواتج (الجسيمات) المختلفة، فيتحرك البروتون بطاقة قدرها 68و14 مليون إلكترون فولط ويتحرك الهيليوم-4 بطاقة قدرها 67و3 مليون إلكترون فولط (أي تنتج من الاندماج حرارة وهي تفوق كمية الحرارة التي نبدأ بها الاندماج).

تنتج تفاعلات الجيل الثالث من التفاعل الندماجي جسيمات مشحونة فقط خلال التفاعلات الابتدائية، ولا تهم التفاعلات الجانبية. وحيث أنها تنتج عددا قليلا من النيوترونات فلن تكتسب جدران المفاعل خواصا إشعاعية غير مرغوب فيها. ويعتبر تفاعل الجيل الثالث هو التفاعل المرغوب فيه، ويشكل الهيليوم-3 الأنسب بين مواد الوقود الاندماجي. إلا أنه لا توجد مصادر طبيعية لهذا النظير على الأرض.

³He + ³He ${\displaystyle \rightarrow }$ 2بروتون + ⁴He (12.86 MeV)

كما تُعطى الأبحاث أهمية لتفاعل آخر، وهو التفاعل الاندماجي بين البروتون مع البور:

بروتون + ¹¹B → 3⁴He

وتبين التقديرات أن التفاعلات الجانبية لذلك التفاعل سوف تنتج نحو 1و0 % فقط من الطاقة المحمولة عن طريق النيوترونات. وتبلغ درجة الحرارة المثلى لإتمام هذا التفاعل نحو 10 أضعاف درجة الحرارة التي يحتاجها تفاعل الهيدروجين مع بعضه (الجيل الأول)، وهذا يستلزم طاقة لحصر البلازما energy confinement تقدر ب 500 ضعف للطاقة المستخدمة لحصر تفاعل الديوتيريوم والتريتيوم في فرن التفاعل.

(ملحوظة: حاولنا كتابة نيوترون وبروتون بالعربية في التفاعلات أعلاه مما أدى إلى عدم سلامة المعادلات )، لهذا لجأنا إلى كتابتهما بالإنجليزية للإبقاء على سلامة التفاعلات (هذا عيب في السوفتوير يظهر أحيانا عند ترجمة التفاعلات من اللغة الإنجليزية إلى اللغة العربية).