Skip to main content
Global

17.2: توليد الكهرباء بالطاقة النووية

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    169287

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    دورة الوقود النووي

    يجب استخراج خام اليورانيوم وطحنه وتخصيبه لإنتاج الوقود النووي. تمثل دورة الوقود النووي تطور الوقود النووي من الإنشاء إلى التخلص (الشكل\(\PageIndex{a}\)). المرحلة الأولى من دورة الوقود النووي هي استعادة اليورانيوم، حيث يتم استخراج خام اليورانيوم. ثم يتم طحنها لإنتاج الكعكة الصفراء (تركيز خام اليورانيوم/أكسيد اليورانيوم/U 3 O 8). يفصل الطحن اليورانيوم عن الأجزاء الأخرى من الخام. ينتج كل طن من خام اليورانيوم المستخرج عادةً 1-4 رطل من الكعكة الصفراء (0.05٪ إلى 0.20٪ من الكعكة الصفراء). بعد ذلك، يتم تحويل تركيز خام اليورانيوم إلى سداسي فلوريد اليورانيوم (UF 6). ثم يتم تخصيبه لزيادة تركيز اليورانيوم 235 (235 U) مقارنة بـ 238 U. وأثناء تصنيع الوقود، يتم تحويل سادس فلوريد اليورانيوم الطبيعي والمخصب إلى ثاني أكسيد اليورانيوم (UO 2) أو سبائك اليورانيوم المعدنية لاستخدامها كوقود لمحطات الطاقة النووية. تمت مناقشة التخلص من قضبان الوقود المستهلك والنفايات الخطرة الأخرى الناتجة عن هذه العملية في عواقب الطاقة النووية.

    تمثل الأسهم والأيقونات مراحل دورة الوقود النووي
    الشكل\(\PageIndex{a}\): تبدأ دورة الوقود النووي باستعادة (تعدين) اليورانيوم الطبيعي، تليها الطحن والتحويل والتخصيب. وبعد ذلك يخضع اليورانيوم المخصب لتصنيع الوقود وإنتاج ثاني أكسيد اليورانيوم (UO 2) أو سبائك اليورانيوم المعدنية (MOX). ثم يذهب الوقود إلى مفاعل نووي في محطة الطاقة. يتم تخزين قضبان الوقود المستهلك في حوض سباحة أو برميل جاف، ومن المحتمل إعادة معالجتها، وإرسالها للتخلص منها. يمكن لليورانيوم المعاد معالجته إعادة إدخال الخطوات السابقة من دورة الوقود. تخضع النفايات المنتجة أثناء التخصيب لعملية التفكيك قبل التخلص منها. الصورة من قبل NRC الأمريكي (المجال العام)

    المفاعلات النووية

    يتم بعد ذلك إغلاق الوقود، الذي هو الآن في شكل حبيبات خزفية أسطوانية، في أنابيب معدنية طويلة تسمى قضبان الوقود، والتي يتم تجميعها في قلب المفاعل جنبًا إلى جنب مع قضبان التحكم. كل حبيبة وقود، يبلغ طولها حوالي 1 سم، تخزن نفس كمية الطاقة مثل طن من الفحم. تشكل الآلاف من قضبان الوقود قلب المفاعل، وهو موقع الانشطار النووي في محطة للطاقة النووية (الشكل\(\PageIndex{b}\)).

    أنابيب معدنية أسطوانية لامعة مرتبة في مستطيل ثلاثي الأبعاد
    الشكل\(\PageIndex{b}\): مجموعة من قضبان الوقود التي تحتوي على حبيبات من الوقود النووي. الصورة من قبل هيئة الطاقات البديلة والطاقة الذرية، فرنسا (المجال العام)

    يتم إنتاج الحرارة في مفاعل نووي عندما تضرب النيوترونات ذرات اليورانيوم، مما يؤدي إلى انقسامها في تفاعل متسلسل مستمر يطلق طاقة حرارية (الشكل\(\PageIndex{c}\)). على وجه التحديد، يؤدي انشطار 235 U إلى إطلاق نيوترونات إضافية، مما يؤدي بعد ذلك إلى انشطار نواة 235 U القريبة. ومع ذلك، إذا حدث الانشطار في عدد كبير جدًا من الذرات في وقت واحد، يتم إطلاق الكثير من الطاقة، مما قد يتسبب في حدوث انفجار أو انصهار. يتم منع ذلك عن طريق قضبان التحكم المصنوعة من مادة مثل البورون التي تمتص النيوترونات الزائدة المنبعثة في الانشطار النووي. عندما يتم سحب قضبان التحكم الممتصة للنيوترونات من النواة، يصبح المزيد من النيوترونات متاحًا للانشطار، ويسرع التفاعل المتسلسل، مما ينتج المزيد من الحرارة. عندما يتم إدخالها في النواة، يتوفر عدد أقل من النيوترونات للانشطار، ويتباطأ التفاعل المتسلسل أو يتوقف، مما يقلل الحرارة المتولدة.

    يتم تحفيز انشطار اليورانيوم 235 بواسطة نيوترون، مما يسبب تفاعلًا متسلسلًا
    الشكل\(\PageIndex{c}\): رسم تخطيطي لتفاعل سلسلة الانشطار. (1) تمتص ذرة اليورانيوم 235 النيوترون، وتنفصل إلى ذرتين جديدتين (شظايا الانشطار)، وتطلق ثلاثة نيوترونات وطاقة جديدة. (2) تمتص ذرة اليورانيوم 238 إحدى هذه النيوترونات، ولا تستمر في التفاعل. يتم فقدان نيوترون آخر ببساطة ولا يصطدم بأي شيء، كما لا يستمر في التفاعل. ومع ذلك، يصطدم نيوترون واحد بذرة اليورانيوم 235، التي تنقسم بعد ذلك وتطلق نيوترونين وبعض طاقة الارتباط. (3) يصطدم كل من هذين النيوترونين بذرات اليورانيوم 235، التي ينشطر كل منها وينطلق بين نيوترون واحد وثلاثة، وهكذا. الصورة والتعليق (تم تعديلهما) بواسطة Fastfision (المجال العام).

    تحتوي المفاعلات النووية (الشكل\(\PageIndex{d}\)) على قلب المفاعل والآلات اللازمة لتوليد الكهرباء من الحرارة المنبعثة. قلب المفاعل مغمور في الماء. بالإضافة إلى نقل الطاقة الحرارية، يعمل الماء أيضًا على إبطاء أو «تعديل» النيوترونات الضرورية للحفاظ على تفاعلات الانشطار. في نهاية المطاف، يتم استخدام الطاقة الحرارية لتوليد بخار عالي الضغط، والذي يحول التوربين لتوليد الكهرباء. تشبه الآلية آلية الكهرباء المولدة بالفحم أو الغاز الطبيعي، لكن الانشطار النووي بدلاً من احتراق الفحم هو مصدر الطاقة الحرارية.

    قسم من محطة الطاقة النووية بخمس خطوات محددة
    الشكل\(\PageIndex{d}\): (1) في المفاعل النووي، يتم وضع قضبان الوقود المليئة بكريات اليورانيوم في الماء. (2) داخل قضبان الوقود، تنقسم ذرات اليورانيوم، وتطلق الطاقة. (3) تسخن هذه الطاقة الماء وتنتج البخار. (4) يتحرك البخار عبر التوربين الذي يقوم بتشغيل المولد لتوليد الكهرباء. (5) في المكثف، يبرد البخار مرة أخرى إلى الماء، والذي يمكن بعد ذلك استخدامه مرة أخرى. في بعض محطات الطاقة النووية، يتم إطلاق حرارة إضافية من برج التبريد. الصورة والتعليق (تم تعديلهما) بواسطة EPA (المجال العام).

    هناك نوعان رئيسيان من المفاعلات النووية: مفاعلات الماء المضغوط ومفاعلات الماء المغلي.

    مفاعل الماء المضغوط

    في مفاعل الماء المضغوط، هناك ثلاثة تيارات منفصلة من الماء: الماء المتلامس مع قلب المفاعل، والماء الذي ينتج البخار، ومياه التبريد (الشكل\(\PageIndex{e}\)). يتم غمر قلب المفاعل في الماء الذي يحتفظ به وعاء فولاذي. هذا محاط بهيكل احتواء. عندما يؤدي تفاعل الانشطار النووي إلى تسخين المياه المحيطة به، يتم ضخ الماء في تيار دوري. ينقل الحرارة إلى التيار الثاني من الماء، الموجود في وعاء منفصل. يتم الاحتفاظ بهذا التيار الثاني عند ضغط منخفض، مما يسمح للماء بالغليان وتكوين البخار. يقوم البخار بتحويل التوربينات لتوليد الكهرباء. ثم يتم تبريد البخار في المكثف بواسطة تيار منفصل من مياه التبريد. نظرًا لأن الماء من قلب المفاعل لا يختلط مع أجزاء أخرى من المفاعل، فليس كل المفاعل مشعًا.

    يحتوي مفاعل الماء المضغوط على قلب المفاعل، وثلاثة تيارات من الماء، وتوربين، وجيل، ومكثف
    الشكل\(\PageIndex{e}\): هناك ثلاثة تيارات منفصلة من الماء في مفاعل الماء المضغوط. يرتبط التيار الأول بنواة المفاعل في وعاء ضغط المفاعل. يرتبط التيار الثاني بمولد البخار. التيار الثالث يأتي من مصدر خارجي ويستخدم لتكثيف البخار. يحتوي وعاء ضغط المفاعل على قضبان تحكم وقضبان وقود (غير مصنفة). ينظم خزان الضغط ضغط الماء. ينتقل الماء الساخن من المفاعل إلى مولد البخار، حيث يقوم بتسخين الماء في التيار الثاني لإنتاج البخار. ينتقل البخار من مولد البخار عبر خط البخار ويقوم بتشغيل التوربين لتشغيل المولد الكهربائي. يبرد البخار في المكثف، ثم يتم ضخ الماء المبرد مرة أخرى إلى مولد البخار. كل من وعاء ضغط المفاعل وخزان الضغط ومولد البخار كلها في هيكل احتواء. يتم استخدام الماء من مصدر خارجي لتبريد البخار في المكثف. يبرد الماء من المصدر الخارجي في برج التبريد المخروطي الشكل. الصورة من مكتب الطاقة النووية/ وزارة الطاقة الأمريكية (ملكية عامة).

    مفاعل الماء المغلي

    في مفاعل الماء المغلي، يوجد تياران منفصلان من الماء: الماء المتلامس مع قلب المفاعل ومياه التبريد (الشكل\(\PageIndex{f}\)). يقوم قلب المفاعل بتسخين الماء الذي يتم غمره فيه. يتم الاحتفاظ بهذه المياه بواسطة وعاء فولاذي محاط بهيكل احتواء. يتحول البخار الناتج أثناء تسخين قلب المفاعل للماء إلى توربين يولد الكهرباء. ثم يتم تبريد البخار في المكثف بواسطة تيار منفصل من مياه التبريد. نظرًا لأن الماء من قلب المفاعل يتلامس مع جميع أجزاء المفاعل، فإن كل شيء يكون مشعًا.

    يحتوي مفاعل الماء المغلي على قلب المفاعل، وتجريين من الماء، وتوربين، وجيل، ومكثف
    الشكل\(\PageIndex{f}\): يحتوي مفاعل الماء المغلي على تيارين من الماء. في التيار الأول، نفس الماء الذي يغمر قلب المفاعل في وعاء ضغط المفاعل ويتحول إلى بخار ويتحول إلى توربين. التيار الثالث يأتي من مصدر خارجي ويستخدم لتكثيف البخار. يحتوي وعاء ضغط المفاعل على قضبان تحكم وقضبان وقود (غير مصنفة). إنه داخل هيكل احتواء أكبر. عندما يتم تسخين الماء بواسطة المفاعل، فإنه يتبخر إلى البخار. ينتقل هذا عبر خط البخار ويؤدي إلى تشغيل التوربين لتشغيل المولد الكهربائي. يبرد البخار في المكثف، ثم يتم ضخ الماء المبرد مرة أخرى إلى وعاء ضغط المفاعل. يتم استخدام الماء من مصدر خارجي لتبريد البخار في المكثف. يبرد الماء من المصدر الخارجي في برج التبريد المخروطي الشكل. الصورة من مكتب الطاقة النووية/ وزارة الطاقة الأمريكية (ملكية عامة).

    الإسناد

    تم تعديله بواسطة Melissa Ha من المصادر التالية: