المبردات Coolants

تستخدم المبردات لسحب الحرارة من المفاعلات. وهناك أنواع كثيرة منها حسب تصميم المفاعل والغرض الذي بنى من أجله وكذلك لاعتبارات أخرى كثيرة. ومن أشهر المبردات وأبسطها. الماء العادي أو الذي يعرف بالماء الخفيف حيث تعرف المفاعلات التي تبرد بواسطة الماء العادي بمفاعلات الماء الخفيف (LWR). وتعتبر المبردات حلقة الوصل بين الطاقة الانشطارية الناتجة من المفاعل والتي تظهر على شكل حرارة وبين التربينات التي تدير محركات مولدات الطاقة الكهربية. فعندما يدخل المبرد إلى قلب المفاعل فإنه يسخن نظراً لتلامسه مع عناصر الوقود ثم يمر إلى حاوية تحوى ماء بارداً وعند مرور الأنابيب التي تحمل المبرد الساخن إلى هذه الحاوية يسخن الماء بها ويغلى ويتولد البخار الذي يدفع عجلة التربينات. وهذا ما يعرف بالمبادل الحراري. وسوف نستعرض باختصار أنواع المبردات المستخدمة في المفاعلات .

1- الماء العادي: ويلعب دوراً كبيراً وهاماً كمبرد زهيد الثمن وفي نفس الوقت يمكن استخدامه كمهدئ في المفاعلات الحرارية. إلا أن له بعض العيوب التي تتجلى في قدرته على امتصاص النيوترونات ومن ثم يصبح مادة مشعة كما ويجب العناية بمشاكل التآكل التي تنشأ بسببه في الأنابيب كما وأن انخفاض درجة غليانه تحت الضغط العادي يساهم في مثل هذه العيوب.

2- الماء الثقيل: هذا الماء يحوي نظير الهيدروجين أو الديوتيريوم (²₁H) والفرق الواضح بين الماء العادي والثقيل من وجهة نظر المفاعلات هو انخفاض مساحة مقطع امتصاص الماء الثقيل للنيوترونات الحرارية. ومن ثم فإن توفير عدد من النيوترونات يعني استخدام كمية أصغر من المادة الانشطارية اللازمة لشغيل المفاعل.

3- المعادن السائلة: تستخدم هذه المعادن في حالة المفاعلات التي تعمل عند درجات حرارة عالية ومن أشهر المعادن السائلة في هذا المضمار الصوديوم والبوتاسيوم. إذ يمكن صنع سبيكة تحوي 22 % صوديوم و78% بوتاسيوم (بالوزن) تعرف بالرمز (Nak) والتي تكون سائلة عند درجة حرارة الغرفة وحيث أن الصوديوم يمكنه التفاعل بسرعة مع الماء وقد ينتج عن ذلك الحريق حيث يمكن أن يتفاعل الصوديوم مع الماء وينتج غاز الهيدروجين الذي يتحد مع الأكسجين الموجود في الجو بطريقة انفجارية. ولهذا ينبغي أخذ احتياطات هامة قبل التفكير في استخدام الصوديوم كمبرد بأمان في المفاعلات.

إن استخدام هذ المعادن كمبردات توفر الكثير من التعقيدات الهندسية وخصوصاً عند استخدام ما يسمى بالمضخة الكهرومغناطيسية التي تعمل بالمعدن السائل. يبين الشكل (1) تركيب مضخة كهرومغناطيسية. حيث تعمل هذه المضخة حسب مبدأ المحرك أو المولد الكهربي. فعندما يمر تيار كهربي في موصل موضوع بين قطبي مغناطيس كهربي تتولد قوة تعمل على تحريك الموصل. في حالة المضخة الكهرومغناطيسية فإن الموصل هنا هو المعدن السائل حيث يمر في أنبوب يوضع بين قطبي مغناطيسي كهربي ويصنع الأنبوب من النحاس حيث يمر تيار كهربي في موصل نحاسي آخر يوضع متعامداً على حركة المعدن السائل. فعندما يمر التيار الكهربي في الموصل ومن ثم في المعدن السائل (حب الاتجاه المبين بالشكل) فسوف تنشأ قوة دافعة تعمل على تحريك السائل في الاتجاه المبين. ومن ثم يمكن أن يتدفق السائل إلى ومن المفاعل حيث يستخدم للتبريد.

الشكل (1)

تمتاز هذه المضخة بأنها لا تحتوي على أجزاء متحركة كما في حالة المضخات التقليدية. إلا أن هناك عيباً لاستخدام مثل هذه المضخة ويتضح ذلك من احتمال امتصاص الصوديوم للنيوترونات وتكون النظير Na²⁴ المشع الذي يطلق أشعة β وينتج عن ذلك انطلاق أشعة γ على شكل فوتونين بطاقة تساوي 1.38 و2.75 م. أ. ف. . كما وأن عمر النصف لهذا النظير يبلغ حوالى 15 ساعة. وبالتالي فإن علينا استخدام درع مناسب للوقاية من الإشعاع عند استخدام الصوديوم كمبرد.

4- الغازات: عند استخدام الغازات كمبردات فإن المشاكل المتعلقة بالإشعاع والاستقرار الحراري تتقلص عن مثيلاتها عند استخدام المبردات الأخرى. إلا أن الانتقال الحراري في حالة الغازات أقل منه في حالة المعادن السائلة أو السوائل ولكن ذلك لم يمنع استخدام الغازات كمبردات من التنافس مع المبردات الأخرى. وبالتالي هناك الكثير من المفاعلات التي تعتمد الغازات كمبردات. رمن أشهر الغازات المستعملة ثاني أكسيد الكربون والهيليوم والهواء الجوي وغيرها.

وهناك العديد من المبردات الأخرى مثل الأملاح المصهورة مثل مخاليط فلوريدات البيريليوم والليثيوم. كما وتوجد المبردات العضوية التي يمكن استخدامها مثل التيرفينيل (Terphenyls).

في ضوء ما سبق فإننا نستطيع أن نقسم مفاعلات القدرة Power Reactors إلى عدة أقسام:

1- مفاعلات الماء العادي كمهدئ: وهذا القسم يتضمن مفاعلات الماء المغلي والماء المضغوط.

2- مفاعلات الماء الثقيل كمهدئ:

في هذه المفاعلات يمكن استخدام الغازات والصوديوم كمبردات.

3- مفاعلات التبريد العضوي:

وهنا يمكن للمحلول العضوي أن يعمل كمبرد وكمهدئ كما ويمكن استخدام مهدئات أخرى.

4- مفاعلات الصوديوم - الجرافيت:

وهنا يستخدم الصوديوم كمبرد أما المهدئ فهو عبارة عن الجرافيت.

5- مفاعلات التبريد لغازي:

يستخدم في أمثال هذه المفاعلات اليورانيوم الطبيعي أو المخصب كوقود.

6- المفاعلات الإنتاجية السريعة :

يستخدم الصوديوم هنا بصورة عامة كمبرد .