حوض الوقود المستهلك

أحواض الوقود المستهلك هي أحواض تخزين (أو "برك" في المملكة المتحدة) للوقود المستهلك من المفاعلات النووية . يبلغ عمقها عادةً 12 مترًا أو أكثر ، ويُجهز الجزء السفلي منها (4.3 متر) برفوف تخزين مصممة لحفظ مجموعات الوقود المُزالة من المفاعلات. يُصمم حوض التبريد المحلي للمفاعل خصيصًا للمفاعل الذي استُخدم فيه الوقود، ويقع في موقع المفاعل. تُستخدم هذه الأحواض للتبريد قصير الأجل لقضبان الوقود، مما يسمح للنظائر قصيرة العمر بالتحلل، وبالتالي يقلل من الإشعاع المؤين وحرارة التحلل المنبعثة من القضبان. يُبرد الماء الوقود ويوفر الحماية الإشعاعية منه . 

توجد أيضًا أحواض تخزين في مواقع بعيدة عن المفاعلات، للتخزين طويل الأجل مثل منشأة تخزين الوقود المستهلك المستقلة (ISFSI)، الموجودة في عملية موريس ، أو كمخزن إنتاج لمدة 10 إلى 20 عامًا قبل إرسالها لإعادة المعالجة أو التخزين الجاف في البراميل .

في حين أن حوالي 20 قدمًا (حوالي 6  أمتار) من الماء كافية للحفاظ على مستويات الإشعاع دون المستويات المقبولة، فإن العمق الإضافي يوفر هامش أمان ويسمح بمعالجة مجموعات الوقود دون الحاجة إلى دروع خاصة لحماية المشغلين.

يُزال ما يقارب ربع إلى ثلث إجمالي حمولة الوقود في قلب المفاعل كل 12 إلى 24 شهرًا ويُستبدل بوقود جديد. تُولّد قضبان الوقود المستهلك حرارة وإشعاعًا يجب احتواؤهما. يُنقل الوقود من المفاعل ويُعالج في حوض التجميع عادةً بواسطة أنظمة مناولة آلية، مع أن بعض الأنظمة اليدوية لا تزال قيد الاستخدام. في وحدة تخزين الوقود المستهلك في مفاعل الماء المضغوط، تُفصل حزم الوقود المُستخرجة حديثًا من القلب عادةً لعدة أشهر لتبريدها مبدئيًا قبل فرزها في أجزاء أخرى من حوض التجميع تمهيدًا للتخلص النهائي منها. ^{[ 1 ]} تحافظ رفوف معدنية على الوقود في مواقع مُحددة لحمايته ماديًا ولتسهيل تتبعه وإعادة ترتيبه. تتضمن رفوف التخزين عالية الكثافة أيضًا البورون-10 ، غالبًا على شكل كربيد البورون (ميتاميك، ^{[ 2 ] [ 3 ]} بورافليكس، ^{[ 3 ]} بورال، ^{[ 4 ]} تترابور وكاربوراندوم ^{[ 5 ]} ) ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 3 ]} أو مواد أخرى ماصة للنيوترونات لضمان عدم الوصول إلى الحالة الحرجة . تُراقَب جودة المياه بدقة لمنع تدهور الوقود أو غلافه. قد يشمل ذلك مراقبة المياه بحثًا عن التلوث بالأكتينيدات ، والذي قد يشير إلى تسرب في قضيب الوقود. ^{[ 8 ]} بالإضافة إلى ذلك، يمكن إضافة حمض البوريك إلى الماء في أحواض الوقود المستهلك في مفاعلات الماء المضغوط لزيادة هامش الأمان اللازم للوصول إلى الحالة الحرجة. ^{[ 1 ]} تسمح اللوائح الحالية في الولايات المتحدة بإعادة ترتيب قضبان الوقود المستهلكة لتحقيق أقصى كفاءة في التخزين. ^{[ 6 ]}

تنخفض درجة الحرارة القصوى لحزم الوقود المستهلك بشكل ملحوظ بين سنتين وأربع سنوات، وبدرجة أقل بين أربع وست سنوات. ويتم تبريد مياه حوض الوقود باستمرار لإزالة الحرارة الناتجة عن حزم الوقود المستهلك. تقوم المضخات بتدوير المياه من حوض الوقود المستهلك إلى مبادلات حرارية ، ثم تعيدها إلى حوض الوقود المستهلك. تُحفظ درجة حرارة الماء في ظروف التشغيل العادية دون 50  درجة مئوية (120  درجة فهرنهايت). ^{[ 9 ]} يُعدّ التحلل الإشعاعي ، أي تفكك الجزيئات بفعل الإشعاع، مصدر قلق بالغ في التخزين الرطب، إذ قد يتحلل الماء بفعل الإشعاع المتبقي، وقد يتراكم غاز الهيدروجين مما يزيد من خطر الانفجارات. لهذا السبب ، يجب مراقبة ومعالجة الهواء في غرفة الأحواض باستمرار، وكذلك الماء.

بدلاً من إدارة مخزون حوض المفاعل النووي لتقليل احتمالية استمرار النشاط الانشطاري ، تقوم الصين ببناء مفاعل نووي بقدرة 200 ميغاواط يعمل بالوقود المستهلك من محطات الطاقة النووية لتوليد حرارة العمليات اللازمة للتدفئة المركزية وتحلية المياه . وهو في الأساس مفاعل ذو حوض مفاعل عميق يعمل كحوض سباحة ؛ وسيعمل عند الضغط الجوي ، مما سيقلل من متطلبات السلامة الهندسية. ^{[ 10 ]}

تتصور أبحاث أخرى مفاعلاً مماثلاً منخفض الطاقة يستخدم الوقود المستهلك، حيث يتم تشجيع إنتاج الهيدروجين عن طريق إضافة محفزات ومواد ماصة للأيونات إلى ماء التبريد بدلاً من الحد منه عن طريق التحليل الإشعاعي . ثم يُزال هذا الهيدروجين لاستخدامه كوقود. ^{[ 11 ]}

لوحظ أن المواد الماصة للنيوترونات في أحواض الوقود المستهلك تتدهور بمرور الوقت، مما يقلل من هوامش الأمان اللازمة للحفاظ على حالة ما دون الحرجة؛ ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 12 ] [ 3 ] [ 7 ]} بالإضافة إلى ذلك، فقد تبين أن تقنية القياس في الموقع المستخدمة لتقييم هذه المواد الماصة للنيوترونات (مقياس كثافة البورون السطحي لتقييم الرفوف، أو BADGER) تنطوي على درجة غير معروفة من عدم اليقين. ^{[ 7 ]}

في حال حدوث انقطاع مطول في التبريد بسبب حالات الطوارئ، قد يتبخر الماء الموجود في أحواض الوقود المستهلك، مما قد يؤدي إلى إطلاق عناصر مشعة في الغلاف الجوي. ^{[ 13 ]}

في الزلزال الذي بلغت قوته 9 درجات والذي ضرب محطات فوكوشيما النووية في مارس 2011، كانت ثلاثة من أحواض الوقود المستهلك موجودة في مبانٍ متضررة، ولوحظ انبعاث بخار الماء منها. وقد ذكرت هيئة التنظيم النووي الأمريكية خطأً أن حوض الوقود في المفاعل رقم 4 قد جف تمامًا ^{[ 14 ]} ، وهو ما نفته الحكومة اليابانية آنذاك، وثبت عدم صحته في عمليات التفتيش اللاحقة وفحص البيانات. ^{[ 15 ]}

بحسب خبراء السلامة في محطات الطاقة النووية، فإن احتمالية حدوث تفاعل حرج في حوض الوقود المستهلك ضئيلة للغاية، ويتم تجنبها عادةً عن طريق توزيع حزم الوقود، وإضافة ماص للنيوترونات في رفوف التخزين، وبشكل عام لأن مستوى تخصيب الوقود المستهلك منخفض جدًا بحيث لا يسمح بحدوث تفاعل انشطار ذاتي. ويشيرون أيضًا إلى أنه في حال تبخر الماء الذي يغطي الوقود المستهلك، فلن يكون هناك عنصر قادر على إحداث تفاعل متسلسل عن طريق تهدئة النيوترونات. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

بحسب الدكتور كيفن كراولي من مجلس الدراسات النووية والإشعاعية، "إنّ الهجمات الإرهابية الناجحة على أحواض الوقود المستهلك، وإن كانت صعبة، إلا أنها ممكنة. فإذا أدى هجوم ما إلى انتشار حريق في غلاف الزركونيوم، فقد ينتج عنه تسرب كميات كبيرة من المواد المشعة." ^{[ 19 ]} بعد هجمات 11 سبتمبر 2001، ألزمت هيئة التنظيم النووي الأمريكية محطات الطاقة النووية "بالحماية بأعلى درجات الأمان" ضد تهديدات محددة تشمل أعدادًا وقدرات معينة من المهاجمين. كما طُلب من المحطات "زيادة عدد ضباط الأمن" وتحسين "ضوابط الوصول إلى المنشآت". ^{[ 19 ]}

في 31 أغسطس/آب 2010، تعرّض غواصٌ يعمل في حوض الوقود المستهلك بمحطة لايبشتات للطاقة النووية (KKL) لمستويات إشعاع تتجاوز الحدود السنوية المسموح بها، وذلك بعد أن طلب منه مشرفه استعادة قطعة أنبوب غير معروفة سقطت في قاع الحوض. تبين لاحقًا أن هذه القطعة هي جزء من أنبوب واقٍ كان يحمي جهاز مراقبة الإشعاع في قلب المفاعل، حيث أصبح شديد الإشعاع بفعل تدفق النيوترونات . وقد انقطع هذا الجزء من الأنبوب عرضيًا أثناء نقل الوقود قبل أربع سنوات، وبقي ملقىً في قاع حوض الوقود حتى يوم الحادث. وضع الغواص الأنبوب في حقيبة أدواته وبدأ صعوده إلى السطح. أطلق مقياس الإشعاع الشخصي الخاص به إنذارًا على الفور، لكن صوته غطى عليه صوت فقاعات جهاز التنفس الخاص به. كما أطلقت أجهزة استشعار الإشعاع في قاعة المفاعل إنذاراتها فورًا عند تمرير حقيبة الأدوات إلى عمال آخرين على حافة حوض الوقود. أُعيدت الحقيبة إلى الماء بسرعة. تلقى الغواص جرعة إشعاعية في يده تُقدّر بحوالي 1 سيفرت ، أي ما يقارب ضعف الحد القانوني المسموح به لكامل الجسم وهو 0.5 سيفرت. ووفقًا لسلطات مؤسسة كيرن كيوتو للأبحاث البحرية (KKL)، لم يُعانِ الغواص من أي آثار طويلة الأمد نتيجة تعرضه للإشعاع. وتبين أنه لا يوجد ما يبرر اتخاذ إجراء تأديبي ضد المشرف. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

• مستودع جيولوجي عميق
• تخزين البراميل الجافة
• قوائم الكوارث النووية والحوادث الإشعاعية
• دورة الوقود النووي
• النفايات المشعة
• حاوية شحن الوقود النووي المستهلك
• إشعاع تشيرينكوف

• الإرهاب الإشعاعي: تخريب حوض الوقود المستهلك
• تخزين الوقود النووي المستهلك - هيئة التنظيم النووي الأمريكية (NRC)
• رسم تخطيطي نموذجي لحوض الوقود المستهلك في مركز إنديان بوينت للطاقة
• "إجابات المهووسين: هل تتوهج النفايات النووية حقًا؟" بقلم غراهام تمبلتون، 17 يوليو 2014، على موقع Geek.com