مفاعل الماء الثقيل المضغوط

مفاعل الماء الثقيل المضغوط ( PHWR ) هو مفاعل نووي يستخدم الماء الثقيل ( أكسيد الديوتيريوم _D₂O ) كمبرد ومُهدئ للنيوترونات . [ ^{1 ] غالبًا} ما تستخدم مفاعلات الماء الثقيل المضغوط اليورانيوم الطبيعي كوقود، ولكنها تستخدم أحيانًا يورانيومًا منخفض التخصيب . يُحفظ الماء الثقيل المبرد تحت ضغط عالٍ لتجنب الغليان، ^{[ 2 ]} مما يسمح له بالوصول إلى درجات حرارة أعلى (في الغالب) دون تكوين فقاعات بخار، تمامًا كما هو الحال في مفاعل الماء المضغوط (PWR). على الرغم من أن عزل الماء الثقيل عن الماء العادي (الذي يُشار إليه غالبًا بالماء الخفيف تمييزًا له عن الماء الثقيل ) مكلف للغاية، إلا أن انخفاض امتصاصه للنيوترونات يزيد بشكل كبير من كفاءة استخدام النيوترونات في المفاعل، مما يُغني عن الحاجة إلى الوقود المُخصب . ويُعوض ارتفاع تكلفة الماء الثقيل بانخفاض تكلفة استخدام اليورانيوم الطبيعي و/أو دورات الوقود البديلة . حتى عام 2025، كان هناك 43 مفاعلاً من نوع PHWR قيد التشغيل، بسعة إجمالية تبلغ 23.430 جيجاواط كهربائي، وهو ما يمثل حوالي 11% من حيث العدد و6.5% من حيث القدرة الإنتاجية لجميع المفاعلات العاملة حاليًا. يُعدّ كل من مفاعل كاندو ومفاعل IPHWR أكثر أنواع المفاعلات شيوعًا ضمن عائلة مفاعلات PHWR. ومن بين التصاميم الأخرى، تصميم PHWR KWU الألماني المُثبّت في محطة أتوتشا للطاقة النووية في الأرجنتين .

يكمن مفتاح الحفاظ على التفاعل النووي المتسلسل داخل المفاعل النووي في استخدام نيوترون واحد فقط ، في المتوسط، من النيوترونات المنبعثة من كل انشطار نووي لتحفيز انشطار نووي آخر (في نواة قابلة للانشطار أخرى). ومن خلال التصميم الدقيق لهندسة المفاعل، والتحكم الدقيق في المواد الموجودة فيه للتأثير على التفاعلية ، يمكن تحقيق تفاعل متسلسل مستدام ذاتيًا أو ما يُعرف بـ" الحالة الحرجة " والحفاظ عليه.

يتكون اليورانيوم الطبيعي من خليط من نظائر مختلفة ، بشكل أساسي ^{238 U} وكمية أقل بكثير (حوالي 0.72٪ بالوزن) من ²³⁵ U. ^{[ 3} ]

^{لا يمكن انشطار اليورانيوم -238} إلا بواسطة نيوترونات ذات طاقة عالية نسبيًا، حوالي 1 ميغا إلكترون فولت أو أعلى. لا يمكن لأي كمية من اليورانيوم ^-238 أن تصل إلى حالة "الحرجة" لأنها تميل إلى امتصاص نيوترونات أكثر مما تطلقه أثناء عملية الانشطار. من ناحية أخرى، يمكن لليورانيوم ^-235 أن يدعم تفاعلًا متسلسلًا ذاتيًا، ولكن نظرًا لقلة وفرته الطبيعية ، لا يستطيع ^{اليورانيوم} الطبيعي الوصول إلى حالة الحرجة بمفرده.

في مفاعل الماء الثقيل ، تكمن الحيلة لتحقيق التفاعل النووي المتسلسل باستخدام اليورانيوم الطبيعي أو منخفض التخصيب فقط ، والذي لا توجد له كتلة حرجة "مجردة" ، في إبطاء النيوترونات المنبعثة (دون امتصاصها) إلى الحد الذي يسمح لعدد كافٍ منها بإحداث انشطار نووي إضافي في الكمية الضئيلة من اليورانيوم ^-235 المتاحة. ( يُذكر أن اليورانيوم ^-238 ، الذي يُشكل الجزء الأكبر من اليورانيوم الطبيعي، قابل للانشطار أيضًا بالنيوترونات السريعة). يتطلب هذا استخدام مُعدِّل للنيوترونات ، يمتص جميع الطاقة الحركية للنيوترونات تقريبًا ، مُبطئًا إياها إلى الحد الذي تصل فيه إلى حالة التوازن الحراري مع المادة المحيطة. وقد وُجد أن فصل عملية إبطاء طاقة النيوترونات عن وقود اليورانيوم نفسه يُفيد في ترشيد استهلاك النيوترونات، نظرًا لأن اليورانيوم ^-238 لديه احتمالية عالية لامتصاص النيوترونات ذات مستويات الطاقة الحركية المتوسطة، وهو تفاعل يُعرف باسم امتصاص "الرنين". هذا سبب أساسي لتصميم المفاعلات بأجزاء منفصلة من الوقود الصلب، محاطة بالمهدئ، بدلاً من أي شكل هندسي من شأنه أن يعطي مزيجًا متجانسًا من الوقود والمهدئ.

في مفاعل الماء الخفيف ، يُعدّ الماء مُهدئًا ممتازًا؛ إذ تتشابه كتلة ذرات الهيدروجين أو البروتون العادية في جزيئات الماء مع كتلة النيوترون الواحد، وبالتالي ينتج عن تصادمها نقلٌ فعالٌ جدًا للزخم، على غرار تصادم كرتين من كرات البلياردو. مع ذلك، فإلى جانب كونه مُهدئًا جيدًا، يتميز الماء العادي أيضًا بقدرته العالية على امتصاص النيوترونات. لذا، فإن استخدام الماء العادي كمُهدئ سيؤدي بسهولة إلى امتصاص عدد كبير جدًا من النيوترونات، بحيث لا يتبقى منها ما يكفي لاستمرار التفاعل المتسلسل مع نوى اليورانيوم ^-235 الصغيرة المعزولة في الوقود، مما يحول دون الوصول إلى حالة التفاعل الحرجة في اليورانيوم الطبيعي. لهذا السبب، يتطلب مفاعل الماء الخفيف تركيز نظير اليورانيوم ^{-235 في وقود اليورانيوم، على شكل} يورانيوم مخصب ، بنسبة تتراوح عادةً بين 3% و5% من وزن اليورانيوم ^-235 (يُعرف المنتج الثانوي لهذه العملية باسم اليورانيوم المستنفد ، ويتكون أساسًا من اليورانيوم ^-238 النقي كيميائيًا). وتعتمد درجة التخصيب اللازمة لتحقيق التفاعل المتسلسل للأحداث باستخدام الماء الخفيف كمهدئ على الشكل الهندسي الدقيق للمفاعل ومعايير تصميمه الأخرى.

من بين تعقيدات هذا النهج القائم على المياه الخفيفة الحاجة إلى منشآت تخصيب اليورانيوم، والتي تُعدّ مكلفةً عمومًا من حيث البناء والتشغيل. كما أنها تُثير مخاوف بشأن الانتشار النووي ؛ إذ يُمكن استخدام الأنظمة نفسها المُستخدمة لتخصيب اليورانيوم ^-235 لإنتاج موادّ أكثر نقاءً بكثير، صالحة لصنع الأسلحة (90% أو أكثر من اليورانيوم ^-235 )، ما يجعلها مناسبةً لصنع سلاح نووي . وهذا ليس بالأمر الهيّن بأي حال من الأحوال، ولكنه ممكنٌ بما يكفي ليُشكّل وجود منشآت التخصيب خطرًا كبيرًا على الانتشار النووي.

يكمن حل هذه المشكلة في مفاعل الماء الثقيل المضغوط ( PHWR ) في استخدام مُهدِّئ لا يمتص النيوترونات بسهولة الماء. في هذه الحالة، يُمكن تهدئة جميع النيوترونات المنبعثة واستخدامها في تفاعلات مع اليورانيوم ^-235 ، حيث يتوفر منه ما يكفي في ^{اليورانيوم} الطبيعي للحفاظ على التفاعل المتسلسل. يُعد الماء الثقيل ، أو أكسيد الديوتيريوم، أحد هذه المُهدِّئات. ورغم أنه يتفاعل ديناميكيًا مع النيوترونات بطريقة مشابهة للماء الخفيف (مع نقل طاقة أقل في المتوسط، نظرًا لأن كتلة الهيدروجين الثقيل، أو الديوتيريوم ، تبلغ ضعف كتلة الهيدروجين تقريبًا)، إلا أنه يحتوي بالفعل على النيوترون الإضافي الذي يميل الماء الخفيف عادةً إلى امتصاصه.

قبل تطوير الهند للأسلحة النووية (انظر أدناه)، كان يُنظر إلى القدرة على استخدام اليورانيوم الطبيعي (وبالتالي الاستغناء عن تخصيب اليورانيوم، وهي تقنية ذات استخدام مزدوج ) على أنها عائق أمام الانتشار النووي. إلا أن هذا الرأي قد تغير جذريًا في ضوء قدرة العديد من الدول على صنع قنابل ذرية من البلوتونيوم، الذي يُمكن إنتاجه بسهولة في مفاعلات الماء الثقيل. ولذلك، قد تُشكل مفاعلات الماء الثقيل خطرًا أكبر للانتشار النووي مقارنةً بمفاعلات الماء الخفيف المماثلة ، نظرًا لانخفاض امتصاص الماء الثقيل للنيوترونات، والذي اكتشفه هانز فون هالبان وأوتو فريش عام 1937. ^{[ 6 ]} في بعض الأحيان، عندما تتعرض ذرة من اليورانيوم ^-238 لإشعاع نيوتروني ، فإن نواتها ستلتقط نيوترونًا ، مُحولةً إياها إلى يورانيوم ^-239 . يخضع اليورانيوم ^-239 بعد ذلك لتحللين سريعين من نوع ^بيتا السالبة ، ينبعث في كل منهما إلكترون ومضاد نيوترينو . يحوّل التحلل الأول اليورانيوم ^-239 إلى نبتونيوم ^-239 ، بينما يحوّل التحلل الثاني النبتونيوم ^-239 إلى بلوتونيوم ^-239 . على الرغم من أن هذه العملية تحدث مع اليورانيوم الطبيعي باستخدام مواد مهدئة أخرى مثل الجرافيت فائق النقاء أو البريليوم، إلا أن الماء الثقيل يُعدّ الأفضل بلا منازع. ^{[ 6 ]} استخدم مشروع مانهاتن في نهاية المطاف مفاعلات مُهدّأة بالجرافيت لإنتاج البلوتونيوم، بينما استبعد المشروع النووي الألماني في زمن الحرب الجرافيت خطأً كمُهدّئ مناسب بسبب إغفال الشوائب، وبالتالي قام بمحاولات غير ناجحة باستخدام الماء الثقيل (الذي حددوه بشكل صحيح كمُهدّئ ممتاز). وبالمثل، استخدم البرنامج النووي السوفيتي الجرافيت كمهدئ، وقام في النهاية بتطوير مفاعل RBMK المهدئ بالجرافيت كمفاعل قادر على إنتاج كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية والبلوتونيوم المستخدم في الأسلحة دون الحاجة إلى الماء الثقيل أو، على الأقل وفقًا لمواصفات التصميم الأولية، تخصيب اليورانيوم .

البلوتونيوم ^-239 مادة انشطارية مناسبة للاستخدام في الأسلحة النووية . ونتيجة لذلك، إذا تم تغيير وقود مفاعل الماء الثقيل بشكل متكرر، يمكن استخلاص كميات كبيرة من البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة كيميائياً من وقود اليورانيوم الطبيعي المشع عن طريق إعادة المعالجة النووية .

بالإضافة إلى ذلك، يؤدي استخدام الماء الثقيل كمُهدِّئ إلى إنتاج كميات ضئيلة من التريتيوم عندما تمتص نوى الديوتيريوم الموجودة في الماء الثقيل النيوترونات، وهو تفاعل غير فعال للغاية. يُعد التريتيوم ضروريًا لإنتاج أسلحة الانشطار المُعزَّز ، والتي بدورها تُسهِّل إنتاج الأسلحة النووية الحرارية ، بما في ذلك القنابل النيوترونية . ومن المتوقع حاليًا أن تُوفِّر هذه العملية (جزئيًا على الأقل) التريتيوم لمشروع ITER . ^{[ 7 ]}

لقد تم إثبات خطر انتشار مفاعلات الماء الثقيل عندما أنتجت الهند البلوتونيوم لعملية بوذا المبتسم ، وهي أول تجربة لها على الأسلحة النووية، عن طريق استخراجه من الوقود المستهلك لمفاعل أبحاث الماء الثقيل المعروف باسم مفاعل سيروس . ^{[ 8 ]}

• مفاعل شيكاغو بايل-3 ، أول مفاعل ماء ثقيل
• مفاعل كاندو : النوع السائد من مفاعلات الماء الثقيل المضغوط
• IPHWR-700 و IPHWR-220 ، وهما نوعان من مفاعلات الماء المضغوط عالي الضغط (PHWR) تم تطويرهما في الهند
• قائمة المفاعلات النووية
• مفاعل الماء المضغوط

• اقتصاديات الطاقة النووية من مفاعلات الماء الثقيل
• برنامج الطاقة النووية – المرحلة 1 – مفاعل الماء الثقيل المضغوط
• الوكالة الدولية للطاقة الذرية - سلسلة التقارير الفنية رقم 407

• الموقع الرسمي لشركة AECL