مولد بخاري (طاقة نووية)

مولد البخار ( المعروف أيضًا باسم محطة توليد البخار النووي) هو مبادل حراري يُستخدم لتحويل الماء إلى بخار من الحرارة المتولدة في قلب المفاعل النووي . يُستخدم في مفاعلات الماء المضغوط (PWRs)، بين حلقتي التبريد الأولية والثانوية . كما يُستخدم أيضًا في مفاعلات التبريد بالمعدن السائل (LMRs)، ومفاعلات الماء الثقيل المضغوط (PHWRs)، ومفاعلات التبريد بالغاز (GCRs).

في تصميمات مفاعلات الماء المضغوط التقليدية، يكون المبرد الأساسي ماءً عالي النقاوة، يُحفظ تحت ضغط عالٍ لمنعه من الغليان. يُضخ هذا المبرد الأساسي عبر قلب المفاعل حيث يمتص الحرارة من قضبان الوقود. ثم يمر عبر مولد البخار، حيث ينقل حرارته (عن طريق التوصيل عبر المعدن) إلى ماء ذي ضغط منخفض يُسمح له بالغليان.

على عكس مفاعلات الماء المضغوط (PWRs)، لا تستخدم مفاعلات الماء المغلي (BWRs) مولدات بخار. يُسمح للمبرد الأساسي بالغليان مباشرةً في قلب المفاعل، ويُمرر البخار الناتج عبر توربين بخاري. ورغم بساطة هذه الطريقة نظريًا، إلا أنها تُسبب بعض المشاكل في الصيانة. فخلال مروره عبر قلب المفاعل، يتعرض ماء التبريد الأساسي لتدفق نيوتروني عالٍ ، مما يُنشط الأكسجين والنيتروجين المذاب فيه. التفاعل الرئيسي ^{[ 1 ]} هو: تمتص ذرة أكسجين-16 نيوترونًا واحدًا وتُطلق بروتونًا واحدًا، لتتحول إلى نيتروجين-16. يبلغ عمر النصف للنيتروجين-16 سبع ثوانٍ، ويُنتج أشعة غاما عند تحلله عائدًا إلى أكسجين-16. يُعد عمر النصف هذا كافيًا لخروج الماء من المفاعل. في مفاعل الماء المغلي، يعني هذا أن الماء قد يكون موجودًا في التوربين البخاري عند إطلاقه لأشعة غاما. على الرغم من عدم إنتاج نظائر مشعة طويلة الأمد من خلال هذا التفاعل، إلا أن إشعاع جاما يعني أنه لا يمكن للبشر التواجد في قاعة التوربينات الخاصة بمفاعل الماء المغلي أثناء تشغيل المفاعل ولمدة قصيرة بعد ذلك.

على النقيض من ذلك، في مفاعل الماء المضغوط، يفصل مولد البخار ماء التبريد الأولي النشط عن ماء التبريد الثانوي الذي يمر عبر التوربين البخاري. وبالتالي، يمكن للأفراد الوصول بحرية إلى توربينات مفاعل الماء المضغوط ومكونات محطة البخار الأخرى أثناء التشغيل. وهذا يقلل من تكاليف الصيانة ويحسن وقت التشغيل.

في محطات الطاقة النووية التجارية، يوجد من مولدين إلى أربعة مولدات بخار لكل مفاعل؛ يصل ارتفاع كل مولد بخار إلى 21 مترًا (70 قدمًا) ووزنه إلى 800 طن. يحتوي كل مولد بخار على ما بين 3000 و16000 أنبوب، قطر كل منها حوالي 19 ملم (0.75 بوصة) . يُضخ سائل التبريد (الماء المعالج)، الذي يُحافظ على ضغط عالٍ لمنع الغليان، عبر قلب المفاعل النووي . يحدث انتقال حراري بين قلب المفاعل والماء المتداول، ثم يُضخ سائل التبريد عبر الجانب الأنبوبي الرئيسي لمولد البخار بواسطة مضخات التبريد قبل عودته إلى قلب المفاعل. يُشار إلى هذه العملية بالدائرة الرئيسية.  

يؤدي تدفق الماء عبر مولد البخار إلى غليان الماء على جانب الغلاف (الذي يُحافظ على ضغط أقل من الجانب الابتدائي) لإنتاج البخار. يُشار إلى هذه العملية بالدائرة الثانوية. يُنقل البخار الناتج من الدائرة الثانوية إلى التوربينات لتوليد الكهرباء . بعد ذلك، يُكثف البخار بواسطة الماء المبرد من دائرة ثالثية، ثم يُعاد إلى مولد البخار ليُسخن مرة أخرى. قد يُعاد تدوير ماء التبريد الثالثي إلى أبراج التبريد حيث يُطلق الحرارة المهدرة قبل أن يعود لتكثيف المزيد من البخار. في حالات أخرى، يمكن توفير التبريد الثالثي المباشر بواسطة نهر أو بحيرة أو محيط. يُعد نظام التبريد الابتدائي والثانوي والثالثي هذا أساس مفاعل الماء المضغوط، وهو التصميم الأكثر شيوعًا لمحطات الطاقة النووية في جميع أنحاء العالم.

في أنواع أخرى من المفاعلات، مثل مفاعلات الماء الثقيل المضغوطة من تصميم كاندو ، يكون الماء الثقيل هو المائع الأساسي . أما المفاعلات المبردة بالمعادن السائلة، مثل مفاعل BN-600 الروسي ، فتستخدم معدنًا سائلًا، كالصوديوم، كمبرد أساسي. وتستخدم هذه المفاعلات أيضًا مبادلات حرارية بين المبرد المعدني الأساسي والمبرد المائي الثانوي، وبالتالي فإن تبريدها الثانوي والثالثي مشابه لمفاعل الماء المضغوط.

تؤدي أنابيب التبادل الحراري في مولد البخار دورًا هامًا في السلامة، لأنها تفصل بين أنظمة السوائل المشعة وغير المشعة. (يصبح سائل التبريد الأساسي مشعًا لفترة وجيزة نتيجة تعرضه للقلب، كما يحتوي على كميات ضئيلة من النظائر المشعة طويلة العمر، مثل ذرات الحديد المذابة من الأنابيب). نظرًا لارتفاع ضغط سائل التبريد الأساسي، فإن تمزق أنبوب التبادل الحراري سيؤدي إلى تسربه إلى الدائرة الثانوية. عادةً ما يتطلب ذلك إيقاف تشغيل المحطة لإجراء الإصلاحات. لتجنب مثل هذه التسريبات بين الدائرة الأساسية والثانوية، تُفحص أنابيب مولد البخار دوريًا باستخدام اختبار التيار الدوامي ، ويمكن سد الأنابيب المعطلة لإخراجها من الخدمة. ^{[ 2 ]} وكما هو الحال مع العديد من المكونات النووية، يحدد المهندسون الميكانيكيون وتيرة الفحص باستخدام معدلات التآكل وانتشار الشقوق المعروفة في المادة. إذا كشف الفحص أن جدار الأنبوب رقيق لدرجة قد تؤدي إلى تآكله قبل موعد الفحص الدوري التالي، يتم سد الأنبوب. (عادةً ما يكون سد الأنبوب أسهل من محاولة إصلاحه. هناك العديد من أنابيب التبادل الحراري الصغيرة، وقد صُممت مولدات البخار بأنابيب زائدة للسماح بسد بعضها.)

غالباً ما يتم استبدال مولدات البخار بالكامل في منتصف عمر المحطة، وهو ما يُعدّ مشروعاً ضخماً. وقد تم استبدال مولدات البخار في معظم محطات الطاقة النووية العاملة بالماء المضغوط في الولايات المتحدة. ^{[ 2 ]}

تتميز تصاميم مفاعلات وستنجهاوس وكومبشن إنجينيرينج بأنابيب رأسية على شكل حرف U مع أنابيب مقلوبة للماء الأولي. كما يستخدم موردو مفاعلات الماء المضغوط (PWR) الكنديون واليابانيون والفرنسيون والألمان هذا التكوين الرأسي. أما تصاميم مفاعلات VVER الروسية فتستخدم مولدات بخار أفقية، حيث تُركّب الأنابيب بشكل أفقي. وتستخدم محطات بابكوك آند ويلكوكس (مثل محطة ثري مايل آيلاند ) مولدات بخار أصغر حجماً تدفع الماء عبر الجزء العلوي من مولدات البخار ذات التدفق العكسي (OTSGs) إلى الخارج من الأسفل ليتم إعادة تدويره بواسطة مضخات تبريد المفاعل. وقد أثبت التصميم الأفقي أنه أقل عرضة للتلف من تصميم الأنابيب الرأسية على شكل حرف U.

تتمتع مولدات البخار في مفاعلات الماء المضغوط "النموذجية" في الولايات المتحدة الأمريكية بظروف التشغيل التالية:

تم استخدام العديد من السبائك عالية الأداء والسبائك الفائقة لأنابيب مولدات البخار، بما في ذلك الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 316 ، والسبائك 400 ، والسبائك 600 MA ( المُعالجة حرارياً )، والسبائك 600TT (المُعالجة حرارياً)، والسبائك 690TT، والسبائك 800Mod.

• محطة طاقة نووية
• محطة توليد الطاقة
• توربين بخاري

• جون إم. دايك وويليام جيه. جارلاند، تطور مولدات البخار في مفاعلات كاندو - نظرة تاريخية. مؤرشف بتاريخ 21 نوفمبر 2008 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• معلومات أساسية حول قضايا التوربينات البخارية ، لجنة التنظيم النووي (21 مارس 2014)