مبنى احتواء

في مفاعل الماء المضغوط ، يشمل حيز الاحتواء مولدات البخار وجهاز الضغط ، وهو مبنى المفاعل بأكمله. أما الدرع الواقي المحيط به، فهو عادةً مبنى أسطواني أو مقبب طويل. وتكون أحياز احتواء مفاعلات الماء المضغوط كبيرة الحجم (تصل إلى سبعة أضعاف حجم أحياز احتواء مفاعلات الماء المغلي) لأن استراتيجية الاحتواء أثناء حادثة تسرب مصممة أساساً تتطلب توفير حجم كافٍ لتمدد خليط البخار والهواء الناتج عن حادثة فقدان سائل التبريد، مما يحد من الضغط الأقصى (القوة الدافعة للتسرب) الذي يصل إليه حيز الاحتواء.

كانت التصاميم المبكرة، بما في ذلك تصاميم سيمنز وويستنجهاوس وكومبشن إنجينيرينج ، ذات شكل أسطواني في الغالب، مبنية من الخرسانة المسلحة. ونظرًا لقوة الضغط العالية للخرسانة مقارنةً بقوة الشد، يُعد هذا التصميم منطقيًا لمواد البناء، إذ يُولّد الجزء العلوي الثقيل للغاية من الحاوية قوة ضغط كبيرة نحو الأسفل، مما يمنع حدوث إجهاد شد في حال ارتفاع ضغط الحاوية فجأة. ومع تطور تصاميم المفاعلات، تم بناء العديد من تصاميم الحاويات شبه الكروية لمفاعلات الماء المضغوط. وبحسب المادة المستخدمة، يُعد هذا التصميم الأكثر منطقية، لأن الشكل الكروي هو الأنسب لاحتواء الضغط العالي. وتتضمن معظم تصاميم مفاعلات الماء المضغوط الحالية مزيجًا من الشكلين، بجزء سفلي أسطواني وجزء علوي نصف كروي.

اتجهت التصاميم الحديثة بشكل متزايد نحو استخدام هياكل احتواء فولاذية. في بعض الحالات، يُستخدم الفولاذ لتبطين الخرسانة من الداخل، مما يُعزز قوة كلا المادتين في حال تعرض حاوية الاحتواء لضغط عالٍ. بينما تتطلب تصاميم أخرى أحدث استخدام كلٍ من الفولاذ والخرسانة في حاوية الاحتواء، وهو ما يُستخدم منذ عقود في تصاميم مفاعلات الماء المضغوط الألمانية الحالية ، ولا سيما مفاعل AP1000 وخطة المفاعل الأوروبي المضغوط التي تستخدم كلا النوعين؛ مما يوفر حماية من الصواريخ بفضل الخرسانة الخارجية، وقدرة على تحمل الضغط بفضل الهيكل الفولاذي الداخلي. وقد خُطط لإنشاء فتحات تهوية في أسفل الهيكل الخرساني المحيط بالهيكل الفولاذي، وذلك بهدف المساعدة في تحريك الهواء فوق الهيكل الفولاذي وتبريد حاوية الاحتواء في حال وقوع حادث كبير (بطريقة مشابهة لكيفية عمل برج التبريد ).

• 
  كانت جزيرة ثري مايل تصميمًا مبكرًا لمفاعلات الطاقة الكهربائية من تصميم شركة بابكوك آند ويلكوكس ، وتظهر تصميمًا للاحتواء على شكل "علبة" وهو تصميم شائع في جميع أجيالها.
• 
  صورة أكثر تفصيلاً لحاوية من نوع "العلبة" من محطة برينيليس للطاقة النووية الفرنسية
• 
  حاويات مفاعلات الماء المضغوط المزدوجة في محطة كوك النووية في ميشيغان
• 
  محطة غرافنراينفيلد الألمانية التي تعرض تصميم احتواء كروي بالكامل تقريبًا، وهو أمر شائع جدًا في مفاعلات الماء المضغوط الألمانية؛ إنه احتواء مزدوج مع غلاف فولاذي داخلي.

يتشابه تصميم مفاعل VVER -1000 الروسي إلى حد كبير مع مفاعلات الماء المضغوط الحديثة الأخرى فيما يتعلق بنظام الاحتواء، كونه مفاعل ماء مضغوط بحد ذاته. مع ذلك، يتميز مفاعل VVER-440 بنظام احتواء أكثر عرضة للتلف، يتمثل في مكثف فقاعي ذي ضغط تصميم منخفض نسبيًا.

لم تُبنَ مفاعلات الجرافيت التي تعمل بالماء الخفيف إلا في الاتحاد السوفيتي. استخدمت تصاميم مفاعلات RBMK هياكل احتواء ثانوية، لكن الصفيحة العلوية للمفاعل كانت جزءًا من الهيكل الواقي. خلال حادثة تشيرنوبيل عام 1986، تعرضت الصفيحة لضغط تجاوز الحدود المتوقعة وارتفعت.

في مفاعل الماء المغلي (BWR) ، تختلف استراتيجية الاحتواء. يتكون نظام الاحتواء في مفاعل الماء المغلي من بئر جافة، حيث يوجد المفاعل ومعدات التبريد المرتبطة به، وبئر رطبة. البئر الجافة أصغر بكثير من نظام الاحتواء في مفاعل الماء المضغوط (PWR) وتؤدي دورًا أكبر. أثناء حادث التسرب النظري المصمم وفقًا للأساس التصميمي، يتحول سائل تبريد المفاعل فجأة إلى بخار في البئر الجافة، مما يؤدي إلى زيادة الضغط فيها بسرعة. توجه أنابيب التهوية من البئر الجافة البخار إلى ما دون مستوى الماء الموجود في البئر الرطبة (المعروفة أيضًا باسم حوض التكثيف)، مما يؤدي إلى تكثيف البخار والحد من الضغط الذي يتم الوصول إليه في النهاية. يُحاط كل من البئر الجافة والبئر الرطبة بمبنى احتواء ثانوي، يُحافظ على ضغط منخفض قليلاً عن الضغط الجوي أو ضغط سلبي أثناء التشغيل العادي وعمليات إعادة التزود بالوقود.

تُعرف تصاميم الاحتواء الشائعة بأسماء مارك 1، ومارك 2، ومارك 3. يُعدّ مارك 1 الأقدم، ويتميز بوجود بئر جافة تُشبه مصباحًا مقلوبًا فوق بئر رطبة عبارة عن حلقة فولاذية تحتوي على الماء. استُخدم مارك 2 مع مفاعلات BWR-4 وBWR-5 المتأخرة. يُطلق عليه اسم تصميم "فوق-تحت"، حيث تُشكّل البئر الجافة مخروطًا ناقصًا على لوح خرساني . أسفلها توجد غرفة كبح أسطوانية مصنوعة من الخرسانة بدلًا من الصفائح المعدنية. يستخدم كلا التصميمين "احتواءً ثانويًا" خفيف الوزن من الفولاذ أو الخرسانة فوق الطابق العلوي، ويُحافظ عليه عند ضغط سلبي طفيف لتصفية الهواء. الطابق العلوي عبارة عن مساحة مفتوحة واسعة مع رافعة علوية مُعلّقة بين جدارين طويلين لنقل حاويات الوقود الثقيلة من الطابق الأرضي، وإزالة/استبدال المعدات من المفاعل وبئر المفاعل. يمكن غمر بئر المفاعل بالماء، وهو مُحاط بأحواض تفصلها بوابات على كلا الجانبين لتخزين معدات المفاعل التي توضع عادةً فوق قضبان الوقود، ولتخزين الوقود أيضًا. تحتوي منصة التزود بالوقود على صاري تلسكوبي متخصص لرفع وخفض مجموعات قضبان الوقود بدقة عبر "ممر التوجيه" إلى منطقة قلب المفاعل . ^{[ 6 ]} يستخدم مفاعل مارك 3 قبة خرسانية، تشبه إلى حد ما مفاعلات الماء المضغوط، ويحتوي على مبنى منفصل لتخزين قضبان الوقود المستهلكة في طابق مختلف. كما تستخدم الأنواع الثلاثة جميعها المسطح المائي الكبير في أحواض التبريد لإخماد البخار المنطلق من نظام المفاعل أثناء حالات الاضطراب.

استُخدم نظام الاحتواء من طراز مارك 1 في المفاعلات التي شهدت حادثة فوكوشيما النووية الأولى . عانى الموقع من حدثين كارثيين تجاوزا حدود التصميم : زلزال قوي يُحتمل أنه ألحق أضرارًا بأنابيب المفاعل وهياكله، وتسونامي بارتفاع 15 مترًا دمّر خزانات الوقود والمولدات والأسلاك، مما أدى إلى تعطل مولدات الطاقة الاحتياطية، وتعطل المضخات التي تعمل بالبطاريات في نهاية المطاف. أدى عدم كفاية التبريد وتعطل المضخات اللازمة لاستعادة المياه المفقودة بسبب التبخر إلى انصهار جزئي أو كامل محتمل لقضبان الوقود التي غمرتها المياه. نتج عن ذلك تسرب كميات كبيرة من المواد المشعة إلى الهواء والبحر، وانفجارات هيدروجينية. لم تُصمم أنظمة الاحتواء الثانوية الرقيقة لتحمل الانفجارات الهيدروجينية، فتعرضت لانهيار أو تدمير الأسقف والجدران، وتدمير جميع المعدات في طابق التزود بالوقود، بما في ذلك الرافعات ومنصة التزود بالوقود. تعرضت الوحدة 3 لانفجار هائل بشكل خاص، مما أدى إلى تصاعد عمود من الحطام يزيد ارتفاعه عن 300 متر، ونتج عنه انهيار الطرف الشمالي من الطابق العلوي، وانبعاج الأعمدة الخرسانية في جانبها الغربي، كما يتضح من الصور الجوية. ورغم تزويدها بأنظمة تهوية مُعدّلة ومُقوّاة لتصريف الهيدروجين إلى مداخن العادم، إلا أنها ربما لم تكن فعّالة في حال انقطاع التيار الكهربائي. حتى قبل حادثة فوكوشيما، وُجّهت انتقادات لنظام الاحتواء من النوع الأول (Mark I) لكونه أكثر عرضة للفشل أثناء انقطاع التيار الكهربائي. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

من بعيد، يبدو تصميم مفاعل الماء المغلي (BWR) مختلفًا تمامًا عن تصميم مفاعل الماء المضغوط (PWR)، إذ يُستخدم عادةً مبنى مربع الشكل للاحتواء الثانوي. ونظرًا لوجود مسار واحد فقط يمر عبر التوربينات والمفاعل، ولأن البخار المتدفق عبر التوربينات مشعّ أيضًا، يجب حماية مبنى التوربينات بشكل كبير. ينتج عن ذلك مبنيان متشابهان في التصميم، أحدهما أعلى ويضم المفاعل، والآخر أطول ويضم قاعة التوربينات والهياكل الداعمة.

• 
  وحدة كروميل الألمانية السابقة من نوع BWR؛ يوجد الغلاف الفولاذي داخل مبنى المفاعل على اليمين.
• 
  نموذج نموذجي لمفاعل الماء المغلي الأمريكي ذي الوحدتين في محطة برونزويك لتوليد الطاقة النووية ؛ كما أن حاويات الاحتواء (مارك 1) موجودة داخل مباني الدرع المكعبة أيضًا.
• 
  لقد اتجهت المحطات الحديثة نحو تصميم ليس أسطوانيًا أو كرويًا تمامًا، مثل هذا الغلاف الموجود داخل مبنى المفاعل المطلي باللون الأزرق في محطة كلينتون لتوليد الطاقة النووية .

تستخدم محطات الطاقة النووية من نوع كاندو ، التي سُميت نسبةً إلى تصميم الديوتيريوم-يورانيوم الكندي، مجموعةً أوسع من تصاميم الاحتواء وأنظمة الكبح مقارنةً بتصاميم المحطات الأخرى. ونظرًا لطبيعة تصميم قلب المفاعل، غالبًا ما يكون حجم الاحتواء لنفس القدرة الكهربائية أكبر من حجمه في مفاعلات الماء المضغوط التقليدية، إلا أن العديد من الابتكارات قد قللت من هذا الحجم.

تستخدم العديد من محطات كاندو متعددة الوحدات مبنىً مفرغًا مزودًا بنظام رش الماء . وترتبط جميع وحدات كاندو الفردية في الموقع بهذا المبنى المفرغ عبر قناة كبيرة لتخفيف الضغط، وهي جزء من نظام الاحتواء. يقوم المبنى المفرغ بسحب وتكثيف أي بخار ناتج عن أي تسرب محتمل بسرعة، مما يسمح لضغط مبنى المفاعل بالعودة إلى مستويات أقل من الضغط الجوي. وهذا يقلل من أي تسرب محتمل لمنتجات الانشطار إلى البيئة. ^{[ 9 ]}

إضافةً إلى ذلك، توجد تصاميم مماثلة تستخدم نظام احتواء مزدوج ، حيث يتم ربط نظامي الاحتواء من وحدتين، مما يسمح بحجم احتواء أكبر في حالة وقوع أي حادث كبير. وقد كان تصميم مفاعل الماء الثقيل المضغوط الهندي (IPHWR) رائدًا في هذا المجال، حيث تم تطبيق نظام وحدة مزدوجة وحوض إخماد.

لكن أحدث تصميمات وحدات كاندو تتطلب حاوية جافة تقليدية واحدة لكل وحدة. ^{[ 10 ]}

• 
  محطة توليد الطاقة بروس بي، تُظهر مبنى فراغ كبير (يسارًا) يخدم 4 وحدات منفصلة محاطة بمبنى درع يشبه مبنى مفاعل الماء المغلي.
• 
  تتكون المرحلة الثالثة من تشينشان من وحدتين من وحدات كاندو حيث يكون نظام الاحتواء مستقلاً لكل وحدة.
• 
  وحدة واحدة من محطة بيكرينغ لتوليد الطاقة النووية ، تظهر بشكل مختلف قليلاً عن شكل حاوية مفاعل الماء المضغوط النموذجي، ويعود ذلك في الغالب إلى المساحة الأكبر التي يتطلبها تصميم مفاعل كاندو. ويمكن رؤية مبنى الفراغ محجوبًا جزئيًا على اليمين.

في الولايات المتحدة، يُحدد الباب العاشر من قانون اللوائح الفيدرالية ، الجزء 50، الملحق أ، معايير التصميم العامة (GDC 54-57)، أو أي أساس تصميمي آخر، المعايير الأساسية لعزل الأنابيب التي تخترق جدار الاحتواء. يحتوي كل أنبوب كبير يخترق جدار الاحتواء، مثل أنابيب البخار ، على صمامات عزل ، مُصممة وفقًا لما هو مسموح به في الملحق أ؛ وعادةً ما يكون هناك صمامان. ^{[ 11 ]} أما بالنسبة للأنابيب الأصغر، فيكون أحدهما في الداخل والآخر في الخارج. بالنسبة للأنابيب الكبيرة ذات الضغط العالي، فإن المساحة اللازمة لصمامات التنفيس واعتبارات الصيانة تدفع المصممين إلى تركيب صمامات العزل بالقرب من نقطة خروج الأنابيب من جدار الاحتواء. في حالة حدوث تسرب في أنابيب الضغط العالي التي تحمل سائل تبريد المفاعل، تُغلق هذه الصمامات بسرعة لمنع تسرب المواد المشعة من جدار الاحتواء. أما صمامات الأنابيب الخاصة بأنظمة الاحتياط التي تخترق جدار الاحتواء فتكون مغلقة عادةً. قد تُغلق صمامات عزل الاحتواء أيضًا عند ورود إشارات أخرى متنوعة، مثل ارتفاع ضغط الاحتواء الناتج عن انقطاع خط عالي الطاقة (مثل خطوط البخار الرئيسية أو خطوط تغذية المياه). يُستخدم مبنى الاحتواء لاحتواء البخار/الضغط الناتج، ولكن عادةً لا توجد عواقب إشعاعية مرتبطة بهذا النوع من الانقطاع في مفاعل الماء المضغوط.

أثناء التشغيل العادي، يكون حيز الاحتواء محكم الإغلاق، ولا يمكن الوصول إليه إلا عبر أقفال هوائية بحرية. تحدّ درجة حرارة الهواء المرتفعة والإشعاع المنبعث من قلب المفاعل من الوقت الذي يمكن للأفراد قضاؤه داخل حيز الاحتواء، والذي يُقاس بالدقائق، أثناء تشغيل المحطة بكامل طاقتها. في حالة حدوث طارئ كارثي، يُسمى "حادثًا أساسيًا في التصميم" وفقًا للوائح هيئة التنظيم النووي الأمريكية، يُصمّم حيز الاحتواء لعزل الانصهار النووي واحتوائه . تُركّب أنظمة احتياطية لمنع الانصهار، ولكن كسياسة عامة، يُفترض حدوثه، ومن هنا تأتي الحاجة إلى مبنى الاحتواء. لأغراض التصميم، يُفترض حدوث ثقب في أنابيب وعاء المفاعل، مما يُسبب "حادث فقدان سائل التبريد" (LOCA)، حيث يتسرب الماء من وعاء المفاعل إلى الغلاف الجوي داخل حيز الاحتواء ويتحول إلى بخار. يؤدي ارتفاع الضغط الناتج داخل حيز الاحتواء، المصمم لتحمّل هذا الضغط، إلى تشغيل رشاشات الاحتواء ("رشاشات الإخماد") لتكثيف البخار وبالتالي خفض الضغط. يبدأ إيقاف التشغيل التلقائي (SCRAM ) بعد وقت قصير جدًا من حدوث العطل. تقوم أنظمة الأمان بإغلاق الخطوط غير الضرورية المؤدية إلى الحاوية المحكمة الإغلاق عن طريق إغلاق صمامات العزل. يتم تشغيل أنظمة تبريد قلب المفاعل في حالات الطوارئ بسرعة لتبريد الوقود ومنعه من الانصهار. يعتمد التسلسل الدقيق للأحداث على تصميم المفاعل. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

تخضع مباني الاحتواء في الولايات المتحدة لاختبارات إلزامية لأحكام الاحتواء وعزل الاحتواء بموجب الجزء 50 من الباب 10 من قانون اللوائح الفيدرالية، الملحق J. تُجرى اختبارات معدل التسرب المتكامل للاحتواء (اختبارات النوع "أ" أو CILRTs) كل 15 عامًا. أما اختبارات معدل التسرب الموضعي (اختبارات النوع B أو النوع C، أو LLRTs) فتُجرى بوتيرة أعلى بكثير ، وذلك لتحديد التسرب المحتمل في حالة وقوع حادث، ولتحديد مسارات التسرب وإصلاحها. تُجرى اختبارات LLRTs على صمامات عزل الاحتواء، والفتحات، وغيرها من الملحقات التي تخترق الاحتواء. يُلزم ترخيص تشغيل المحطة النووية بإثبات سلامة الاحتواء قبل إعادة تشغيل المفاعل بعد كل عملية إيقاف. ويمكن استيفاء هذا الشرط بنتائج اختبارات موضعية أو متكاملة مرضية (أو مزيج من الاثنين عند إجراء اختبار ILRT ). ^{[ 14 ]}

في عام ١٩٨٨، أجرت مختبرات سانديا الوطنية اختبارًا لاصطدام طائرة مقاتلة بكتلة خرسانية كبيرة بسرعة ٧٧٥ كم/ساعة (٤٨٢ ميل/ساعة) . ^{[ ١٥ ] [ ١٦ ]} لم تُحدث الطائرة سوى خدش بعمق ٦٤ مليمترًا (٢.٥ بوصة ) في الخرسانة. ورغم أن الكتلة لم تُبنَ كدرع صاروخي لمبنى احتواء، ولم تُصمَّم التجربة لإثبات قوة هيكل احتواء محطة طاقة نووية، فقد اعتُبرت النتائج مؤشرًا. وخلصت دراسة لاحقة أجراها معهد أبحاث الطاقة الكهربائية (EPRI ) إلى أن الطائرات التجارية لا تُشكِّل خطرًا. ^{[ ١٧ ]}   

تعرضت محطة توليد الطاقة النووية في تركيا بوينت لضربة مباشرة من إعصار أندرو عام 1992. تضم المحطة وحدتين تعملان بالوقود الأحفوري ووحدتين نوويتين. بلغت الأضرار أكثر من 90 مليون دولار، معظمها في خزان مياه ومدخنة إحدى الوحدات التي تعمل بالوقود الأحفوري في الموقع، بينما لم تتضرر مباني الاحتواء. ^{[ 18 ] [ 19 ]}