مفاعل شعاع عالي التدفق

كان مفاعل الحزمة عالية التدفق ( HFBR ) مفاعلًا بحثيًا يقع في مختبر بروكهافن الوطني ، وهو مختبر وطني تابع لوزارة الطاقة الأمريكية، ويقع في أبتون، نيويورك ، في لونغ آيلاند، على بعد حوالي 60 ميلًا شرق مدينة نيويورك. ^{[ 1 ]} وقد خلف مفاعل بروكهافن لأبحاث الجرافيت ، وعمل مفاعل HFBR من عام 1965 حتى عام 1996، وتم إيقاف تشغيله جزئيًا. ^{[ 2 ]}

كان الغرض الأساسي من مفاعل HFBR هو إنتاج النيوترونات لاستخدامات علمية متعددة. وقد وفر المفاعل مصدرًا للنيوترونات لأبحاث علمية متعددة التخصصات في علوم المواد والكيمياء والأحياء والفيزياء. كما استُخدم المفاعل في صياغة نظريات حائزة على جائزة نوبل حول الترتيب التعاوني في مجموعات كبيرة من الذرات. ^{[ 1 ]}

وصل المفاعل لأول مرة إلى حالة التشغيل الحرجة في 31 أكتوبر 1965. وكان مفاعل HFBR، الذي يبلغ حجمه ضعف حجم مفاعل BGRR السابق تقريبًا، يعمل في البداية بقدرة حرارية تبلغ 40 ميغاواط. وبعد تحديث المعدات في عام 1982، تم تشغيل المفاعل بقدرة حرارية تصل إلى 60 ميغاواط؛ وأدت إعادة تحليل السلامة إلى إيقاف تشغيل مفاعل HFBR في عام 1989، وتقييد قدرته الحرارية عند إعادة تشغيله في عام 1991 إلى 30 ميغاواط. ^{[ 3 ] [ 2 ]}

أُغلق مفاعل HFBR في ديسمبر 1996 للصيانة الدورية وإعادة التزود بالوقود. خلال فترة الإغلاق، تم رصد تسرب للمياه الملوثة بالتريتيوم من خلال أخذ عينات روتينية من المياه الجوفية من آبار مجاورة لحوض الوقود المستهلك للمفاعل. وبعد مزيد من التحقيق، تم اكتشاف تسرب في حوض الوقود المستهلك نفسه، مما أدى إلى تسرب المياه الملوثة بالتريتيوم إلى باطن الأرض. وظل المفاعل مغلقًا لمدة ثلاث سنوات لإجراء مراجعات السلامة والبيئة. في يناير 1998، أُزيل الوقود المستهلك بالكامل وشُحن إلى خارج الموقع للسماح بتركيب بطانة من الفولاذ المقاوم للصدأ في حوض الوقود المستهلك تمهيدًا لإعادة تشغيل المفاعل. ومع ذلك، في نوفمبر 1999، قررت وزارة الطاقة الأمريكية إغلاق مفاعل HFBR نهائيًا. ^{[ 3 ] [ 2 ]}

كان مفاعل HFBR مفاعلاً بحثياً يعمل بوقود اليورانيوم المخصب، ويُبرّد ويُهدّأ بالماء الثقيل . يتألف قلب المفاعل من 28 مجموعة وقود منفصلة مُرتبة بشكل متراص. مادة الوقود هي يورانيوم مخصب مُسبك بالألومنيوم ومُغلّف بالألومنيوم في صفائح منحنية. يعمل الماء الثقيل ( _D₂O ) كمُهدِّئ/عاكس للنيوترونات ومُبرّد أساسي. صُنع وعاء المفاعل من سبيكة ألومنيوم، ويحتوي على القلب النشط والعاكس وقضبان التحكم. يتكون الوعاء من قسم كروي قطره 82 بوصة ملحوم بأسطوانة قطرها 46 بوصة. يبلغ الارتفاع الكلي لمجموعة الوعاء 24.75 قدمًا. توجد تسعة أنابيب دخول شعاع أفقية تُعد أجزاءً لا تتجزأ من القسم الكروي للوعاء. توفر منطقة القلب مساحة وإمكانية الوصول إلى 16 منشأة تجريبية. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

وُضع المفاعل داخل هيكل مُحكم يعلوه قبة نصف كروية. يقع المفاعل داخل مبنى مُحكم البناء، مُشيد من صفائح فولاذية ملحومة، مدعومة بإطار من عوارض فولاذية على شكل حرف I، يرتكز على قاعدة أسطوانية. يبلغ القطر الداخلي لنصف الكرة عند قاعدته 176 قدمًا و8 بوصات. يبلغ ارتفاع القاعدة الأسطوانية 22 قدمًا و4 بوصات، وترتكز على صفيحة مثبتة بمسامير في حلقة أساس خرسانية مُسلحة. أساس المبنى المُحكم عبارة عن  حصيرة خرسانية مُسلحة بسمك 5 أقدام، ترتكز على التربة أسفل المبنى. احتوى الجزء الداخلي من المبنى المُحكم على المفاعل والدرع البيولوجي، وقُسّم إلى مستويات: المعدات، والتجارب، والشرفة، والعمليات. احتوى مستوى العمليات على غرفة التحكم، وورش الأجهزة والصيانة، والمختبرات، والمكاتب. احتوى مستوى المعدات على نظام تنقية مياه حوض الوقود المُستنفد، والمضخات، والمبادلات الحرارية، وأنظمة التبريد، وحوض الوقود المُستنفد. أما مستوى التجارب، فكان مُخصصًا للمستخدمين العلميين. كان الدرع البيولوجي للمفاعل، الذي يحيط به، يشغل الجزء المركزي من هذا المستوى. احتوت مساحة مفتوحة واسعة تحيط بالدرع البيولوجي على معدات تجريبية، كما وُجدت مختبرات ومكاتب على طول الجدار المحيط. وُجدت مكاتب وغرف تبديل ملابس ودورات مياه ومعدات تكييف الهواء في الشرفة. يحتوي مبنى الاحتواء على أربعة مداخل: غرفة معادلة ضغط للأفراد، وغرفة معادلة ضغط للرافعات الشوكية، وغرفتي معادلة ضغط للشاحنات، إحداهما في مستوى التجارب والأخرى في مستوى المعدات. ^{[ 6 ]}

امتدت تسعة خطوط شعاعية من مفاعل HFBR على شكل شعاعي. ويمكن إجراء ما يصل إلى 15 تجربة في وقت واحد على هذه الخطوط التسعة. ويتولى تشغيل غرفة التحكم في مفاعل HFBR على مدار الساعة اثنان من مشغلي المفاعل واثنان من المشرفين. ^{[ 4 ]} بالإضافة إلى خطوط الشعاع، تم توفير سبعة أنابيب إشعاعية لعينات تجارب التنشيط النيوتروني، تمتد من وعاء المفاعل الكروي باتجاه الوقود النووي. ^{[ 2 ]}

لم يكن مفاعل HFBR، باعتباره مفاعلاً بحثياً، مزوداً بنظام لتحويل الطاقة لتوليد الكهرباء. وكانت الحرارة الناتجة عن التفاعلات النووية تُنقل من الماء الثقيل المتداول كمهدئ ومبرد إلى حلقة تبريد ثانوية من الماء العادي تتدفق عبر أبراج التبريد الواقعة غرب منطقة احتواء مفاعل HFBR. ^{[ 7 ]}

والجدير بالذكر أن المفاعل أنتج أكبر تدفق للنيوترونات خارج قلب المفاعل، وليس داخله، مما أتاح خيارات أكبر في تصميم التجارب. ^{[ 1 ]}

خلال عام 1993، خضع مفاعل HFBR لعمليات تحسين السلامة بالإضافة إلى تركيب أجهزة علمية جديدة. ^{[ 4 ]}

كانت منشأة ترشيح الهواء الجانبية للمفاعل (RBFF) تقع خارج مبنى المفاعل، وتتشاركها مع مفاعل BGRR الذي تم إنشاؤه سابقًا. وقد وفرت هذه المنشأة تنقية محسّنة للهواء قبل تصريفه إلى الغلاف الجوي في حالة حدوث عطل في أحد عناصر الوقود في مفاعل BGRR أو مفاعل HFBR، وهو أمر نادر الحدوث. كما وفرت تنقية كافية للهواء تسمح باستخدام التبريد الهوائي كوسيلة لمكافحة حرائق الجرافيت في مفاعل BGRR. وقد تم تشغيل المنشأة في عام 1965. ^{[ 5 ]}

في 31 مارس 1994، اندلع حريق صغير في إحدى تجارب خط الحزمة التي كانت تُجرى في الطابق التجريبي خارج المفاعل والدرع البيولوجي. ولم يتضرر المفاعل أو أنظمة تشغيله أو أنظمة السلامة المرتبطة به من الحريق. ^{[ 8 ] [ 7 ]}

احتوت تجربة "تريستان"، التي كانت تدرس تحلل اللانثانوم -148، والتي احترقت، على كبسولة أسطوانية من اليورانيوم تزن 5 غرامات، قطرها بوصة واحدة تقريبًا وارتفاعها بوصة ونصف. تعرضت الكبسولة للنيوترونات من خط شعاع المفاعل. نتج عن التجربة نواتج انشطار صلبة وغازية، بما في ذلك غاز اليود-131 ، والتي انطلقت مع الحريق. رصد العاملون المناوبون دخان الحريق حوالي الساعة 2:20  صباحًا؛ وتم إيقاف تشغيل المفاعل الساعة 2:45  صباحًا، وإخلاء حيز مفاعل HFBR الساعة 3:47  صباحًا. وفي الساعة 4:51  صباحًا، أعلن مسؤولو مختبر بروكهافن الوطني حالة طوارئ من الدرجة الثانية، وهي ثاني أدنى درجة من بين أربع درجات طوارئ. انطفأ الحريق تلقائيًا بعد فصل التيار الكهربائي عن التجربة. ^{[ 8 ]}

تعرض سبعة من العاملين في المختبر لتلوث طفيف بالنويدات المشعة المحمولة في دخان الحريق. وقد تم تطهيرهم جميعاً في حمامات المختبر، ثم سُمح لهم بالعودة إلى منازلهم. ^{[ 8 ]}

أثناء الحريق، انطلقت كمية ضئيلة من الإشعاع إلى الغلاف الجوي من مدخنة التهوية التي تخدم مفاعلي BGRR وHFBR. وقد قورنت كمية الإشعاع المنبعثة، التي لا تتجاوز بضع ثوانٍ، بالإشعاع الخلفي الطبيعي. واتفق مسؤولو مختبر بروكهافن الوطني ومسؤولو الصحة في ولاية نيويورك على عدم وجود أي خطر على العامة جراء هذا التسرب. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

تم إغلاق مفاعل HFBR لإجراء عدة دراسات حتى يونيو 1994، ثم أعيد تشغيله. وتم إيقاف تجربة TRISTAN نهائياً. ^{[ 7 ]}

اكتملت عمليات إزالة التلوث وتفكيك مجمع مفاعل التدفق المتجانس عالي التدفق (HFBR)، الذي يتألف من هياكل وأنظمة متعددة لتشغيل المفاعل وصيانته، في الفترة من عام 1999 إلى عام 2009. وتمت إزالة شفرات قضبان التحكم وشحنها إلى خارج الموقع في عام 2009. وتخضع قبة مفاعل التدفق المتجانس عالي التدفق (HFBR) الفارغة والمنظفة، والتي لا تزال تحتوي على وعاء المفاعل المشع، للمراقبة. ^{[ 3 ]} وسيتم التفكيك النهائي لحاوية مفاعل التدفق المتجانس عالي التدفق (HFBR) في نهاية فترة اضمحلال النويدات المشعة التي لا تتجاوز 65 عامًا. ^{[ 2 ]}

كانت مدخنة العادم الحمراء والبيضاء التي يبلغ ارتفاعها 320 قدمًا والتي تم بناؤها لخط سكة حديد BGRR في عام 1949 والتي تم مشاركتها لاحقًا مع خط سكة حديد HFBR معلمًا مميزًا للمنطقة حتى هدمها في عام 2020. ^{[ 9 ]}

• مختبر بروكهافن الوطني
• مفاعل أبحاث الجرافيت في بروكهافن ، وهو سلف مفاعل HFBR في مختبر بروكهافن الوطني
• مفاعل بروكهافن للأبحاث الطبية (BMRR)، وهو مفاعل آخر كان يعمل في مختبر بروكهافن الوطني

• https://www.bnl.gov/hfbr/hfbr-complex.php - الصفحة الرسمية لمختبر بروكهافن الوطني حول مجمع HFBR.

الاقتباسات