مفاعل تبريد غازي عالي الحرارة

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

أرضية التزود بالوقود في محطة فورت سانت فرين للسكك الحديدية عالية السرعة ، 1972

المفاعل عالي الحرارة المبرد بالغاز (HTGR) هو نوع من المفاعلات النووية المبردة بالغاز ، يستخدم وقود اليورانيوم والجرافيت لتهدئة الاحتراق ، مما ينتج عنه درجات حرارة عالية جدًا في قلب المفاعل (من 700 إلى 950  درجة مئوية) [ 1 ] . تستخدم جميع مفاعلات HTGR الحالية غاز الهيليوم كمبرد. يمكن أن يكون قلب المفاعل إما "كتلة موشورية" (تشبه قلب المفاعل التقليدي) أو " قلبًا من الحصى ". تدير مجموعة تشاينا هوانينغ حاليًا محطة HTR-PM ، وهي محطة طاقة HTGR بقدرة 250 ميغاواط، تضم مفاعلين من نوع HTGR ذي قلب من الحصى، في مقاطعة شاندونغ ، الصين .

تُتيح درجات حرارة التشغيل العالية لمفاعلات HTGR إمكانية استخدامها في تطبيقات مثل إنتاج الحرارة الصناعية أو الهيدروجين عبر دورة الكبريت واليود الكيميائية الحرارية . ومن بين التطويرات المقترحة لمفاعل HTGR، مفاعل الجيل الرابع ذو درجة الحرارة العالية جدًا (VHTR).

تاريخ

اقترح فارينغتون دانيلز ، المدير المساعد آنذاك لقسم الكيمياء في مختبر المعادن بجامعة شيكاغو ، استخدام مفاعل عالي الحرارة مُبرّد بالغاز لإنتاج الطاقة عام 1944. في البداية، تصوّر دانيلز مفاعلاً يستخدم البريليوم كمُهدِّئ. استمر تطوير هذا التصميم عالي الحرارة في قسم مفاعلات الطاقة التابع لمختبرات كلينتون (المعروفة الآن باسم مختبر أوك ريدج الوطني ) حتى عام 1947. [ 2 ] كما لعب البروفيسور رودولف شولتن في ألمانيا دورًا في التطوير خلال خمسينيات القرن العشرين. وكان بيتر فورتيسكو ، أثناء عمله في شركة جنرال أتوميكس ، قائد الفريق المسؤول عن التطوير الأولي للمفاعل عالي الحرارة المُبرّد بالغاز (HTGR)، بالإضافة إلى نظام المفاعل السريع المُبرّد بالغاز (GCFR). [ 3 ]

كانت وحدة بيتش بوتوم 1 في الولايات المتحدة أول مفاعل نووي عالي الحرارة (HTGR) ينتج الكهرباء، وقد حقق نجاحًا باهرًا، حيث عمل من عام 1966 إلى عام 1974 كنموذج تجريبي للتكنولوجيا. وتُعد محطة فورت سانت فرين لتوليد الطاقة مثالًا على هذا التصميم، حيث عملت كمفاعل HTGR من عام 1979 إلى عام 1989. ورغم أن المفاعل واجه بعض المشاكل التي أدت إلى إيقاف تشغيله لأسباب اقتصادية، إلا أنه أثبت جدوى مفهوم مفاعلات HTGR في الولايات المتحدة (مع العلم أنه لم يتم تطوير أي مفاعلات HTGR تجارية جديدة هناك منذ ذلك الحين). [ 4 ]

توجد مفاعلات تجريبية من نوع HTGR في المملكة المتحدة ( مفاعل دراغون ) وألمانيا ( مفاعل AVR ومفاعل THTR-300 )، وتوجد حاليًا في اليابان ( مفاعل الاختبار الهندسي عالي الحرارة الذي يستخدم وقودًا موشوريًا بسعة 30 ميغاواط حراري ) والصين (مفاعل HTR-10 ، وهو مفاعل ذو طبقة حصوية بسعة توليد 10 ميغاواط كهربائي ). وقد دخل مفاعلان كاملان من نوع HTGR ذوا طبقة حصوية، وهما مفاعلا HTR-PM ، بسعة إنتاج كهربائي تبلغ 100 ميغاواط لكل منهما، حيز التشغيل في الصين اعتبارًا من عام 2021. [ 5 ]

تصميم المفاعل

مخطط تدفق مبسط لمفاعل غاز حراري عالي الحرارة بقدرة 1100 ميغاواط.

مُعدِّل النيوترونات

مادة تعديل النيوترونات هي الجرافيت، على الرغم من أن تكوين قلب المفاعل على شكل كتل موشورية من الجرافيت أو على شكل حصى من الجرافيت يعتمد على تصميم مفاعل HTGR.

الوقود الكهربائي

يُستخدم في مفاعلات الغاز ذات درجة الحرارة العالية (HTGRs) وقودٌ مُغلّف، مثل وقود TRISO [ 6 ] . يحتوي هذا الوقود المُغلّف على نوى وقود، عادةً ما تكون مصنوعة من ثاني أكسيد اليورانيوم ، ولكن يُمكن أيضًا استخدام كربيد اليورانيوم أو أوكسي كربيد اليورانيوم. يجمع أوكسي كربيد اليورانيوم بين كربيد اليورانيوم وثاني أكسيد اليورانيوم لتقليل نسبة الأكسجين. قد يؤدي انخفاض نسبة الأكسجين إلى انخفاض الضغط الداخلي في جزيئات TRISO نتيجةً لتكوّن أول أكسيد الكربون، بسبب أكسدة طبقة الكربون المسامية في الجزيء. [ 7 ] تُوزّع جزيئات TRISO إما على شكل حصى لتصميم طبقة الحصى، أو تُشكّل على هيئة قضبان مضغوطة تُوضع بعد ذلك في قوالب الجرافيت السداسية.

سائل التبريد

استُخدم الهيليوم كمبرد في جميع مفاعلات HTGR حتى الآن. الهيليوم غاز خامل ، لذا فهو لا يتفاعل كيميائيًا مع أي مادة بشكل عام. [ 8 ] إضافةً إلى ذلك، فإن تعريض الهيليوم لإشعاع النيوترونات لا يجعله مشعًا، [ 9 ] على عكس معظم المبردات الأخرى المحتملة.

يتحكم

في التصاميم المنشورية، تُدخل قضبان التحكم في ثقوب محفورة في كتل الجرافيت التي تُشكل القلب. أما مفاعل VHTR، فيُتحكم به كما في تصاميم PBMR الحالية ، فإذا كان يستخدم قلبًا من الحصى، تُدخل قضبان التحكم في عاكس الجرافيت المحيط . ويمكن أيضًا التحكم بإضافة حصى تحتوي على مواد ماصة للنيوترونات .

ميزات السلامة والمزايا الأخرى

يستفيد التصميم من خصائص الأمان المتأصلة في قلب المفاعل المبرد بالهيليوم والمُهدِّئ بالجرافيت، مع تحسينات تصميمية محددة. يتميز الجرافيت بقصور حراري كبير ، بينما يكون مبرد الهيليوم أحادي الطور وخاملًا ولا يُحدث أي تأثيرات تفاعلية. يتكون القلب من الجرافيت، ويتمتع بسعة حرارية عالية واستقرار هيكلي حتى في درجات الحرارة المرتفعة. يُغطى الوقود بأوكسي كربيد اليورانيوم، مما يسمح باحتراق عالٍ (يقارب 200  جيجاواط يوم/طن) ويحتفظ بنواتج الانشطار. تسمح درجة حرارة خروج الوقود المرتفعة من قلب مفاعل VHTR (1000 درجة مئوية) بإنتاج حرارة معالجة  عالية الجودة دون انبعاثات . صُممت المفاعلات لتخدم لمدة 60 عامًا. [ 10 ]

قائمة مفاعلات HTGR

المفاعلات المصنعة

حتى عام 2011، تم بناء وتشغيل سبعة مفاعلات HTGR. [ 11 ] كما تم تشغيل مفاعلين آخرين من نوع HTGR في موقع HTR-PM الصيني ، في عامي 2021/2022.

اسم المنشأةدولةبتكليفاغلقعدد المفاعلاتنوع الوقوددرجة حرارة المخرج (°مئوية)الطاقة الحرارية (ميغاواط)
مفاعل التنين [ 11 ]المملكة المتحدة196519761موشوري75021.5
قاع الخوخ [ 11 ]الولايات المتحدة196719741موشوري700–726115
AVR [ 11 ]ألمانيا196719881سرير من الحصى95046
حصن سانت فرين [ 11 ]الولايات المتحدة197919891موشوري777842
THTR-300 [ 11 ]ألمانيا198519881سرير من الحصى750750
HTTR [ 11 ]اليابان1999تشغيلي1موشوري850–95030
HTR-10 [ 11 ]الصين2000تشغيلي1سرير من الحصى70010
HTR-PM [ 12 ]الصين2021تشغيلي2سرير من الحصى750250
HTGR ( ليانيونغانغ ) [ 13 ]الصينتمت الموافقة على البناء1؟660

بالإضافة إلى ذلك، في الفترة من عام 1969 إلى عام 1971، أدار مختبر لوس ألاموس الوطني تجربة مفاعل درجة الحرارة الفائقة (UHTREX) بقدرة 3 ميغاواط لتطوير تقنية المفاعلات المبردة بالغاز ذات درجة الحرارة العالية. [ 14 ] في تجربة UHTREX، وعلى عكس مفاعلات HTGR، كان سائل التبريد الهيليوم يلامس الوقود النووي مباشرة، ليصل إلى درجات حرارة تتجاوز 1300 درجة مئوية. 

التصاميم المقترحة

مراجع

  1. ↑ إيفانز د. كيتشر (26 أغسطس 2020). "ورقة بيضاء: خيارات التخلص من مفاعل غازي عالي الحرارة" (ملف PDF) . مختبر أيداهو الوطني. يُعد المفاعل الغازي عالي الحرارة (HTGR) تصميمًا لمفاعل نووي يعمل باليورانيوم، ومُهدَّأ بالجرافيت، ومُبرَّد بالغاز، وقادر على إنتاج درجات حرارة عالية جدًا عند مخرج قلب المفاعل.
  2. ↑ ماكولوغ، سي. رودجرز؛ موظفو قسم ركائز الطاقة (15 سبتمبر 1947). تقرير موجز عن تصميم وتطوير ركيزة طاقة مبردة بالغاز ذات درجة حرارة عالية (تقرير فني). أوك ريدج ، تينيسي ، الولايات المتحدة الأمريكية: مختبرات كلينتون ( مختبر أوك ريدج الوطني حاليًا ). doi : 10.2172/4359623 . OSTI 4359623. تاريخ الاسترجاع: 25 مايو 2025 . 
  3. ↑ "وفاة بيتر فورتيسكو عن عمر يناهز 102 عامًا" .
  4. ↑ قاعدة معارف الوكالة الدولية للطاقة الذرية بشأن المتفجرات عالية الطاقة
  5. ↑ "عرض توضيحي لمفاعل HTR PM يستعد للربط بالشبكة : أخبار الطاقة النووية الجديدة - أخبار الطاقة النووية العالمية" . world-nuclear-news.org . 16 ديسمبر 2021. 
  6. ↑ الرواشدة، محمد؛ العامري، سعيد أ. (4 أغسطس 2020). "تحليل ثنائي الأبعاد لكامل قلب جزيئات وقود TRISO المغلفة بـ IFBA في مفاعلات ذات درجات حرارة عالية جدًا". المجلد 1: ما وراء أساس التصميم؛ القوانين والمعايير؛ ديناميكا الموائع الحسابية (CFD)؛ إزالة التلوث وإيقاف التشغيل؛ الوقود النووي والهندسة؛ هندسة المحطات النووية . المؤتمر الدولي للهندسة النووية. افتراضي: ASME. doi : 10.1115/ICONE2020-16838 . ISBN 978-0-7918-8376-1ICONE2020-16838.
  7. ^ أولاندر، د. (2009). “الوقود النووي – الحاضر والمستقبل” . مجلة المواد النووية . 389 (1): 1– 22. بيب كود : 2009JNuM..389....1O . دوى : 10.1016/j.jnucmat.2009.01.297 .
  8. ↑ "تطوير تكنولوجيا مفاعلات التبريد بالغاز ذات درجة الحرارة العالية" (ملف PDF) . الوكالة الدولية للطاقة الذرية. 15 نوفمبر 1996. ص 61. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 مايو 2009 . 
  9. ↑ "الأداء الحراري وعدم استقرار التدفق في وحدة تحويل متعددة القنوات، مبردة بالهيليوم، مصنوعة من معدن مسامي" . المعهد الوطني للبحوث في الهندسة. 2000. مؤرشف من الأصل في 30 يناير 2012. تم الاطلاع عليه في 8 مايو 2009 .
  10. ↑ http://www.uxc.com/smr/Library/Design%20Specific/HTR-PM/Papers/2006%20-%20Design%20aspects%20of%20the%20Chinese%20modular%20HTR-PM.pdf الصفحة 489، الجدول 2. اقتباس: العمر التشغيلي المصمم (بالسنوات) 60
  11. 1 2 3 4 5 6 7 8 ج. م. بيك، ل. ف. بينكوك (أبريل 2011). "مفاعلات الغاز المبردة بدرجة حرارة عالية: دروس مستفادة قابلة للتطبيق على محطات الطاقة النووية من الجيل التالي" (ملف PDF) . مختبر أيداهو الوطني. حتى الآن، تم بناء وتشغيل سبع محطات من نوع HTGR
  12. ↑ "نظام معلومات المفاعلات المتقدم | أريس" (ملف PDF) . الوكالة الدولية للطاقة الذرية . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 25 فبراير 2024.
  13. ↑ «الصين تبدأ بناء مشروع نووي مبتكر» . world-nuclear-news.org . ١٦ يناير ٢٠٢٦.
  14. ↑ ليبر، إتش دبليو (1969)، "المفاعلات المبردة بالغاز ذات درجة الحرارة العالية باستخدام مبرد الهيليوم"، وقائع ندوة الهيليوم في عام 1968: مائة عام من الهيليوم ، الولايات المتحدة، ص 117، ثلاثة من هذه المحطات، AVR، وبيتش بوتوم، وفورت سانت فرين، هي محطات توليد كهرباء فعلية، واثنتان، دراغون وUHTREX، هما محطتان تجريبيتان تستخدمان بشكل أساسي لتطوير تكنولوجيا المفاعلات المبردة بالغاز ذات درجة الحرارة العالية.