كيف يتم احتواء اللب المنصهر للمفاعل

كيف يتم احتواء اللب المنصهر للمفاعل : في حالة وقوع حادث خطير في محطة للطاقة النووية ، فإن خليط الوقود والمواد المنصهرة عالي النشاط الإشعاعي يمكن أن يخترق الوعاء الفولاذي للمفاعل. النمذجة الدقيقة للتطور الكيميائي الحراري لهذا الخليط وتحليلات المقاومة الميكانيكية للخزان تقيم الظروف التي يجب احترامها لتجنب ذلك.

أظهر التاريخ حقيقة خطر وقوع حادث خطير في محطة للطاقة

ثري مايل آيلاند ، تشيرنوبيل ، فوكوشيما دايتشي ، أظهر التاريخ حقيقة خطر وقوع حادث خطير في محطة للطاقة النووية. على الرغم من أن هذا الخطر لم يكن متوقعًا للأجيال الأولى من المفاعلات ، إلا أنه يتم أخذه في الاعتبار الآن من تصميم التركيب. وهكذا ، فإن أي مفهوم لمفاعل جديد من الجيل الثالث يكون مصحوبًا باستراتيجية للحد من عواقب وقوع حادث خطير. لكن ما هو الحادث الخطير؟ عندما يتم الكشف عن شذوذ كبير في محطة للطاقة النووية (الماء شديد السخونة ، تسرب ، ضغط زائد ، إلخ) ، يتم تشغيل نظام إغلاق المفاعل الأوتوماتيكي ويقطع التفاعل النووي. لكن في قلب المفاعل ، تستمر المنتجات المشعة الناتجة عن انشطار الوقود في التفكك وتنتج الحرارة. لتجنب ارتفاع درجة الحرارة الذي قد يؤدي إلى ذوبان الوقود ، فإن أنظمة التبريد في حالات الطوارئ عن طريق حقن الماء تتولى المسؤولية. حتى ذلك الحين ، الوضع تحت السيطرة.

إقرأ أيضا:5 أماكن في المنزل نغفل عن تنظيفها

كيف يتم احتواء اللب المنصهر للمفاعل : فوكوشيما دايتشي

ولكن إذا تعطلت هذه الأنظمة كما هو الحال في فوكوشيما دايتشي بسبب الزلزال والتسونامي ، ترتفع درجة الحرارة ، ويتدهور الوقود والهياكل المعدنية الداخلية ويذوب. ثم يتشكل “حمام الكوريوم” – خليط من الوقود والكسوة المعدنية التي تحيط به والحطام الهيكلي المنصهر . في وعاء المفاعل الفولاذي الذي يتجاوز 2500 درجة مئوية. يخاطر هذا الحمام باختراق الخزان ، مما يؤدي إلى ذوبانه. يجب عمل كل شيء لتحقيق الاستقرار في هذا الكوريوم ومنعه من تدهور الاحتواء ، وهو الحاجز النهائي قبل إطلاقه في البيئة. تتولى أنظمة التبريد في حالات الطوارئ عن طريق حقن الماء. حتى ذلك الحين ، الوضع تحت السيطرة. ولكن إذا تعطلت هذه الأنظمة كما هو الحال في فوكوشيما دايتشي بسبب الزلزال والتسونامي ، ترتفع درجة الحرارة ، ويتدهور الوقود والهياكل المعدنية الداخلية ويذوب.

خليط من الوقود والكسوة المعدنية التي تحيط به والحطام الهيكلي المنصهر

ثم يتشكل “حمام الكوريوم” – خليط من الوقود والكسوة المعدنية التي تحيط به والحطام الهيكلي المنصهر – في وعاء المفاعل الفولاذي الذي يتجاوز 2500 درجة مئوية. يخاطر هذا الحمام باختراق الخزان ، مما يؤدي إلى ذوبانه. يجب عمل كل شيء لتحقيق الاستقرار في هذا الكوريوم ومنعه من تدهور الاحتواء ، وهو الحاجز النهائي قبل إطلاقه في البيئة. تتولى أنظمة التبريد في حالات الطوارئ عن طريق حقن الماء. حتى ذلك الحين ، الوضع تحت السيطرة. ولكن إذا تعطلت هذه الأنظمة كما في فوكوشيما دايتشي بسبب الزلزال والتسونامي ، ترتفع درجة الحرارة ، ويتدهور الوقود والهياكل المعدنية الداخلية ويذوب. ثم يتشكل “حمام الكوريوم” – خليط من الوقود والكسوة المعدنية التي تحيط به والحطام الهيكلي المنصهر – في وعاء المفاعل الفولاذي الذي يتجاوز 2500 درجة مئوية.

إقرأ أيضا:حيوانات غريبة

كيف يتم احتواء اللب المنصهر للمفاعل : يخاطر هذا الحمام باختراق الخزان

يخاطر هذا الحمام باختراق الخزان ، مما يؤدي إلى ذوبانه. يجب عمل كل شيء لتحقيق الاستقرار في هذا الكوريوم ومنعه من تدهور الاحتواء ، وهو الحاجز النهائي قبل إطلاقه في البيئة. الوضع تحت السيطرة. ولكن إذا تعطلت هذه الأنظمة كما هو الحال في فوكوشيما دايتشي بسبب الزلزال والتسونامي ، ترتفع درجة الحرارة ، ويتدهور الوقود والهياكل المعدنية الداخلية ويذوب. ثم يتشكل “حمام الكوريوم” – خليط من الوقود والكسوة المعدنية التي تحيط به والحطام الإنشائي المنصهر – في وعاء المفاعل الفولاذي الذي يتجاوز 2500 درجة مئوية. يخاطر هذا الحمام باختراق الخزان ، مما يؤدي إلى ذوبانه. يجب عمل كل شيء لتحقيق الاستقرار في هذا الكوريوم ومنعه من تدهور الاحتواء ، وهو الحاجز النهائي قبل إطلاقه في البيئة. الوضع تحت السيطرة.

ولكن إذا تعطلت هذه الأنظمة كما في فوكوشيما دايتشي بسبب الزلزال والتسونامي ، ترتفع درجة الحرارة ، ويتدهور الوقود والهياكل المعدنية الداخلية ويذوب. ثم يتشكل “حمام الكوريوم” – خليط من الوقود والكسوة المعدنية التي تحيط به والحطام الإنشائي المنصهر – في وعاء المفاعل الصلب الذي يتجاوز 2500 درجة مئوية. يخاطر هذا الحمام باختراق الخزان ، مما يؤدي إلى ذوبانه. يجب عمل كل شيء لتثبيت هذا الكوروم ومنعه من تدهور الاحتواء ، وهو الحاجز النهائي قبل إطلاقه في البيئة. ثم يتشكل “حمام الكوريوم” .

إقرأ أيضا:كيف تتصرف مع إبنك المراهق ؟

خليط من الوقود والكسوة المعدنية

خليط من الوقود والكسوة المعدنية التي تحيط به والحطام الهيكلي المنصهر – في وعاء المفاعل الفولاذي الذي يتجاوز 2500 درجة مئوية. يخاطر هذا الحمام باختراق الخزان ، مما يؤدي إلى ذوبانه. يجب عمل كل شيء لتحقيق الاستقرار في هذا الكوريوم ومنعه من تدهور الاحتواء ، وهو الحاجز النهائي قبل إطلاقه في البيئة. ثم يتشكل “حمام الكوريوم” – خليط من الوقود والكسوة المعدنية التي تحيط به والحطام الإنشائي المنصهر – في وعاء المفاعل الصلب الذي يتجاوز 2500 درجة مئوية. يخاطر هذا الحمام باختراق الخزان ، مما يؤدي إلى ذوبانه. يجب عمل كل شيء لتثبيت هذا الكوروم ومنعه من تدهور الاحتواء ، وهو الحاجز النهائي قبل إطلاقه في البيئة.

كيف يتم احتواء اللب المنصهر للمفاعل : هناك نوعان من الإستراتيجيات

هناك نوعان من الإستراتيجيات لتحقيق ذلك: إما السماح للكوريوم بالمرور عبر الوعاء لنشره على سطح مخصص لهذا الغرض في حاوية المفاعل وإغراقه بالماء لتبريده ، على سبيل المثال الاستراتيجية المعتمدة لـ EPR (1 ) ؛ أو الاحتفاظ بالكوريوم في قاع الخزان عن طريق حقن الماء. حول هذا الخزان لتبريد الجدار الخارجي ومنع اختراقه. هذه الاستراتيجية – المعروفة باختصار IVR للاحتفاظ داخل الوعاء . تلقى حاليًا الكثير من الاهتمام. هو في الواقع متصور لمفاعلات جديدة بقدرة 1000 ميغاواط أو أكثر ، قيد الإنشاء أو في طور الإنشاء . من تصميم أمريكي (AP1000) ، صيني (HPR1000 و CAP1400) أو كوري (APR1400).

تم تطوير مفهوم في عام 1989

مفهوم ليس جديدا. تم اقتراحه لأول مرة في عام 1989 لتجهيز الجيل الثاني من مفاعلات VVER-440 في محطة Loviisa للطاقة النووية في فنلندا ، وتمت الموافقة على استراتيجية IVR من قبل سلطة السلامة النووية الفنلندية في عام 1995. وتم توسيعها لاحقًا لتشمل مفاعلات أخرى من هذا النوع في أوروبا ، مثل مثل تلك الموجودة في محطات توليد الطاقة Bohunice و Mochovce في سلوفاكيا ، Dukovany في جمهورية التشيك و Paks في المجر.

المبدأ بسيط للغاية: فهو يتألف من ملء البئر الذي يحتوي على الخزان على الفور بالماء البارد لاستخراج الحرارة من حمام الكوريوم عبر جدار الخزان ومنعها من الذوبان (انظر الرسم البياني أدناه) .
لكي تعمل إستراتيجية IVR ، من الضروري أنه في أي نقطة على الحائط ، لا يصل تدفق الحرارة من الوعاء الذي يتم تسخينه بواسطة الكوريوم إلى مياه التبريد أبدًا إلى القيمة المسماة “التدفق الحراري المحلي الحرج” (CHF) (2). لأنه إذا تم الوصول إليه ، فإن الخزان يخترق محليًا عن طريق الاندماج في غضون بضع دقائق.

كيف يتم احتواء اللب المنصهر للمفاعل : إن إثبات أن هذا الشرط يتم استيفاءه بهامش أمان كافٍ

إن إثبات أن هذا الشرط يتم استيفاءه بهامش أمان كافٍ (3) يتطلب بالتالي معرفة تدفقات الحرارة بدقة والتي ترتبط ارتباطًا مباشرًا بالتطور الديناميكي لحوض الكوريوم. ومع ذلك ، فإن الظواهر الفيزيائية في العمل داخل الخزان معقدة. عند أكثر من 2500 درجة مئوية داخل الخزان ويتم تبريده عبر الجدران بواسطة مياه التبريد ، فإن الكوريوم هو موقع الحمل الحراري وحركات الاضطراب. وتعتمد هذه الديناميكية أيضًا على التركيب الكيميائي لجميع العناصر المندمجة في الخزان ، وبشكل أساسي خليط من أكسيد اليورانيوم والمعادن المنصهرة ، بما في ذلك الفولاذ ، والتي لا تمتزج وتنظم نفسها في طبقات منفصلة. كل هذه المعلمات ، ولا سيما كمية الفولاذ ، تؤثر على تدفق الحرارة.

اعتمد تقييم هامش الأمان المرتبط بالمفاعل في حالة وقوع حادث حتى الآن

اعتمد تقييم هامش الأمان المرتبط بالمفاعل في حالة وقوع حادث حتى الآن على مناهج احتمالية تستند إلى تكوينات الكوروم المستقرة. كان هذا المبدأ مناسبًا لمفاعلات 440 ميغاواط مثل تلك الموجودة في Loviisa. ولكن بالنسبة للمفاعلات ، الأكثر قوة ، أو ذات التصميمات الأقل ملاءمة (مثل كتلة أقل من الفولاذ في قاع الوعاء أو كمية أقل من الماء متوفرة وقت وقوع الحادث الخطير) ، لم يتم تكييف هذه المنهجية. يوضح فلوريان فيشوت ، الفيزيائي في IRSN: “كان من الضروري إجراء بحث أساسي إضافي بالإضافة إلى مراجعة المنهجية لتقييم هوامش الأمان بطريقة مناسبة”.

ومن هذه الحاجة ولد مشروع IVMR (4) بقيادة IRSN في إطار مشاريع Horizon2020 الممولة من أوروبا. بقيادة فلوريان فيشوت ولوري كارنيني ، أخصائي العلاج الطبيعي ومصمم الأزياء في IRSN . بدأ المشروع في يونيو 2015 مع 23 شريكًا أوروبيًا ، انضمت إليهم منظمات دولية أخرى .(صينية ، روسية ، كورية ، أوكرانية ، يابانية) في عام 2018 كان الهدف هو تحسين الأساليب وأدوات التحليل لتقييم مخاطر تمزق الأوعية للمفاعلات التي تبلغ 1000 ميغاواط أو أكثر.

كيف يتم احتواء اللب المنصهر للمفاعل : من بين التحديات الرئيسية

من بين التحديات الرئيسية ، كان القياس الكمي الأفضل لتدفقات الحرارة والمقاومة الميكانيكية للخزان. وهكذا طورت الفرق المختلفة لمشروع IVMR نماذج جديدة قادرة على وصف التطور .الكيميائي. الحراري .والديناميكي للسوائل في الحمام ، ولا سيما عن طريق محاكاة حركات الحمل .الحراري في الطبقات المختلفة. “قبل عشرين عامًا ، عندما تم تصميم AP1000 .لم تكن موارد الحوسبة الرقمية كافية للتعامل مع هذه الأسئلة ، ولكن يمكننا اليوم فهم هذه الظواهر” ، كما يوضح فلوريان فيشوت.

تم دمج هذه الأدوات الجديدة في برنامج محاكاة الحوادث الخطيرة التابع .لـ IRSN (Astec) ، مما جعل من الممكن إجراء دراسات الحساسية. نظرًا لأن كل مفاعل له خصائصه الخاصة . فمن الضروري بالفعل النظر في أكبر عدد ممكن من الحالات ، سواء من حيث سيناريو الحادث ومن حيث التركيب الكيميائي وكمية الفولاذ في الوعاء.

عملية طبقات حاسمة

تظهر كل هذه الدراسات الدور الحاسم لعملية التقسيم الطبقي ، أي الفصل
في طبقات تختلف عن الأطوار المكونة من أكاسيد من تلك المكونة من معادن. يعد تطور هذا التقسيم الطبقي خلال الساعات الأولى من الحادث – والحالات العابرة التي يمر بها . أمرًا حاسمًا بشكل خاص في تحديد ما إذا كان تدفق الحرارة مرتفعًا جدًا وأين يخاطر باختراق الخزان. يمكن التقسيم الطبقي العابر إلى ثلاث طبقات: يتم توزيع جزء من المعدن المنصهر فوق طبقة الأكسيد والآخر أدناه.

يؤدي هذا إلى تعديل ملف تعريف درجة الحرارة ويمكن أن يؤدي إلى مواقف حرجة مرتبطة بتأثير التركيز لتدفقات الحرارة على جدار الخزان.. تشير الحسابات إلى أن الطبقة المعدنية العلوية يمكنها تركيز أقصى تدفق للحرارة.. في الواقع ، يتلقى 50٪ من الطاقة الحرارية الصادرة عن الكوريوم الذي ينقله بالحمل الحراري إلى الجدران. كلما كانت هذه الطبقة أرق ، بالنسبة للكتل الفولاذية المنخفضة ، كلما زاد التدفق ، “تركز” عند مستوى التلامس. وبالتالي يمكننا الوصول إلى تدفق حراري أو تجاوزه بمقدار 2 ميغاواط لكل متر