دليل كامل لفهم الجرافيت في المفاعلات النووية

يؤدّي الجرافيت دوراً مهماً في عدد من المفاعلات النووية، خاصة تلك التي تكون في درجات حرارة عالية أو التي تنفخ اليورانيوم الطبيعي كوقود. ويُستخدم الجرافيت عادةً في المفاعلات النووية كمهدئ لإبطاء النيوترونات الناتجة أثناء الانشطار. ويسمح دور الجرافيت في إبطاء هذه النيوترونات باحتمال أكبر بكثير للتسبب في المزيد من أحداث الانشطار المستحثة، وبالتالي استمرار التفاعل المتسلسل.

لماذا يُستخدم الجرافيت في المفاعلات النووية؟

الاعتدال النيوتروني: السحب الرئيسي للجرافيت في المفاعلات النووية هو قدرته على إبطاء النيوترونات السريعة. وتنطلق النيوترونات بسرعات أعلى بكثير من سرعة انبعاثها بعد التفاعل الانشطاري. ويجب إبطاء النيوترونات المنبعثة من عمليات الانشطار بحيث يكون من المرجح أن تتسبب في مزيد من التفاعلات الانشطارية في وقود المفاعل. ويعمل الجرافيت كمهدئ جيد جداً للنيوترونات، ولن يمتص النيوترونات كثيراً.

مقاومة درجات الحرارة العالية: يمكن للجرافيت أن يقاوم درجات الحرارة العالية جداً، وهي خاصية حاسمة في المفاعلات التي تهدف إلى العمل في درجات حرارة عالية. والجرافيت هو المادة الوحيدة المتاحة التي تحافظ على سلامتها الهيكلية حتى فوق 1000 درجة مئوية، مما يجعلها مناسبة تماماً للاستخدامات في المفاعلات المبرَّدة بالغاز ذات درجات الحرارة العالية والعديد من أنواع المفاعلات المتقدمة.

الرسوم البيانية "شفافة" بالنسبة للنيوترونات: الجرافيت مادة "شفافة" وفقاً لامتصاص النيوترونات، وهذا يعني أنها لا تمتص عدداً كبيراً من النيوترونات التي توسطها. وتساعد هذه الخاصية على ضمان بقاء ما يكفي من النيوترونات للحفاظ على استمرار التفاعل المتسلسل.

يوفر الاستقرار الهيكلي: الجرافيت مادة مستقرة ومتينة نسبيًا عند تعرضها للظروف القاسية؛ وبالتالي، فهي توفر إطارًا هيكليًا يضمن التشغيل السليم للمفاعل. كما يمكن تشكيله في حالته الأصلية للتكيف مع شكل المفاعل، مما يفتح إمكانية التطبيق على مجموعة كبيرة ومتنوعة من الخيارات.

كيف يعمل الجرافيت في المفاعلات النووية؟

التفاعل الانشطاري: انشطار اليورانيوم أو أي مادة انشطارية أخرى ينتج عنه نيوترونات سريعة.

نيوترونات أبطأ لمزيد من الانشطار: من الأرجح أن تُحدِث النيوترونات الأبطأ، المعروفة الآن باسم النيوترونات الحرارية، مزيداً من الانشطار عندما تصطدم بوقود اليورانيوم. ويسمح هذا الاعتدال في دورة النيوترونات بالتحكم في التفاعل النووي المتسلسل والحفاظ عليه.

الجرافيت كوسيط في المفاعلات النووية

التشتت غير المرن: تفقد النيوترونات الطاقة بسبب التشتت غير المرن مع ذرات الجرافيت، مما يؤدي إلى تباطؤ سرعتها. وهذه العملية فعالة للغاية مع التركيب الذري للجرافيت، بحيث تظل النيوترونات التي تفقد سرعتها لديها تصادمات نشطة كافية لفقدان طاقة النيوترونات لتتحول إلى انشطار.

التوافر والتكلفة: الجرافيت متوفر بكثرة في الطبيعة وأقل تكلفة من المواد الأخرى التي يمكن أن تؤدي نفس الوظيفة، مثل الماء الثقيل. ويعزز هذا الاتجاه الجدوى الاقتصادية لمفاعلات الغرافيت، خاصة في إنتاج الطاقة العالية.

الوظائف

انعكاس النيوترونات: لا يبطئ الجرافيت النيوترونات فحسب، بل يعكسها أيضاً إلى قلب المفاعل. وهذه خاصية مهمة لأنها تساعد على تقييد النيوترونات في القلب حيثما تكون مطلوبة، مما يزيد من فعالية المفاعل.

التحكم في الحرارة: على الرغم من أن الغرافيت موصل قوي جداً للحرارة، إلا أنه يستخدم لنقل الحرارة من التفاعلات الانشطارية من منطقة واحدة في جميع أنحاء المفاعل. وهذا مفيد بشكل خاص للمفاعلات التي يمكن أن تعمل في درجات حرارة أعلى، مثل مفاعلات HTGR، لأنها تحتاج إلى أن تكون فعالة في تبديد الحرارة لتجنب ارتفاع درجة الحرارة.

الوظيفة الهيكلية: هناك دور آخر يؤديه الجرافيت وهو دور هيكلي بطبيعته داخل قلب المفاعل. فما هي الخصائص التي تجعله أكثر ملاءمة وأكثر استقراراً من المواد التي ستكون مطلوبة في المفاعلات التي ستكون ذات أشكال هندسية معقدة والتي ستحتاج إلى الدقة في ظل ظروف قاسية؟

دور الجرافيت في كفاءة المفاعل

استخدام اليورانيوم الطبيعي: من المزايا الرئيسية لـ الجرافيت كوسيط هو أنه يمكّن المفاعلات من استخدام اليورانيوم الطبيعي كوقود. وتتطلب معظم المفاعلات الأخرى ما يُعرف باليورانيوم "المخصب"، وهو أغلى بكثير من اليورانيوم الطبيعي، ولذلك فإن المفاعلات التي لا تتطلب اليورانيوم المخصب الأغلى ثمناً تعمل أيضاً بتكلفة تشغيل أقل.

درجات حرارة تشغيل معززة: يمكن لقلب المفاعل أن يعمل أيضاً في درجات حرارة أعلى بسبب الغرافيت. ويتيح الغرافيت كفاءة حرارية أفضل في المفاعلات مثل مفاعل HTGR لأنه قادر على تحمّل الحرارة الكبيرة المتولدة أثناء التفاعل الانشطاري.

اعتبارات السلامة

تحسينات الجرافيت: خلال سنوات من التعرض للإشعاع ودرجات الحرارة المرتفعة، يكون الجرافيت عرضة للتحلل. ويمكن أن يؤثر ذلك على خواصه المتحللة، وإذا استمر هذا الاتجاه، فمن المحتمل أن يؤدي إلى خلل هيكلي. ولذلك، فإن طول عمره داخل المفاعلات يستلزم الفحص والصيانة المنتظمة.

القابلية للاشتعال: الجرافيت قابل للاشتعال خاصة مع ارتفاع درجة حرارة الأكسجين. وكانت هذه مشكلة كبيرة في كارثة تشيرنوبل، حيث أدت حرائق الجرافيت إلى تفاقم طبيعة الكارثة. إذا أصبح الجرافيت ساخنًا بما فيه الكفاية، يمكن أن تشتعل فيه النيران، لذلك يجب توخي المزيد من الحذر لمنع حدوث ذلك إذا تعطل المفاعل.

الضرر الإشعاعي: يمكن أن يؤدي التعرض الطويل الأمد للإشعاع إلى الممتلكات المادية التغيرات في الجرافيت، بما في ذلك التقصف أو التشقق. وقد يؤدي ذلك إلى ضعف الأداء وزيادة متطلبات الصيانة.

مستقبل الجرافيت في المفاعلات النووية

مفاعلات الجيل التالي: تجري دراسة الغرافيت لاستخدامه في مفاعلات الجيل التالي من المفاعلات النووية، بما في ذلك المفاعلات النمطية الصغيرة والمفاعلات المبرَّدة بالغاز عالية الحرارة. وهذه المفاعلات أصغر حجماً وأكثر أماناً وكفاءة، ولا يزال الغرافيت عنصراً رئيسياً في تصميمها.

بدايات جديدة: من تطوير مواد متقدمة مثل الأشكال الجديدة من الغرافيت أو المواد المركبة التي يمكن أن تتحمل مستويات أعلى من الإشعاع ودرجات حرارة أعلى لتحسين أمان وكفاءة المفاعل.

التطبيقات الفضائية: ويجري النظر أيضاً في استخدام الغرافيت في المفاعلات النووية المخصصة للتطبيقات خارج الأرض، حيث إن الحاجة إلى مقاومة الحرارة والقدرة على الاعتدال النيوتروني تجعله خياراً جذاباً في المفاعلات الفضائية.

هل الجرافيت مشع؟

الجرافيت النقي نفسه غير مشع. وهو مادة مستقرة تتكون من الكربون. يمكن استخدامه بأمان في الأغراض اليومية، مثل أقلام الرصاص والبطاريات والتشحيم الصناعي، إلخ. إذا تم تشعيع الجرافيت بشكل مصطنع في الصناعة النووية أو بعض التجارب النووية، أو إذا تلامس مع مواد مشعة (مثل اليورانيوم والثوريوم وغيرها)، فقد يحمل تلوثًا إشعاعيًا.

الخاتمة

كان الجرافيت جزءًا أساسيًا من تصميم المفاعلات النووية لسنوات عديدة؛ حيث كان بمثابة المشرفومادة هيكلية وموصل للحرارة. وقدرته على خفض النيوترونات إلى جانب ثباته الحراري وامتصاصه النيوتروني الأدنى يجعله ضرورياً في المفاعلات التي تعمل على مستوى اليورانيوم الطبيعي ودرجة حرارة عالية. ومن ثم، تتواصل الأبحاث لمعالجة هذه التحديات الرئيسية المتعلقة بالسلامة بينما يجري تحسين المفاعلات القائمة على الغرافيت. ومع تطور قطاع الطاقة النووية على مدى العقود المقبلة، يمكن أن يظل الجرافيت جزءاً مهماً من مزيج الطاقة لسنوات عديدة.