تعزز أوعية المفاعلات المتقدمة معايير السلامة النووية

تخيلوا عملاقًا فولاذيًا مدفونًا في أعماق قلب محطة للطاقة النووية، يتحمل ضغطًا وإشعاعًا لا يمكن تصورهما بينما يحمي سعي البشرية وراء الطاقة النظيفة. هذا هو وعاء الضغط للمفاعل (RPV)، حجر الزاوية في سلامة محطات الطاقة النووية. يتعمق هذا المقال في هذا المكون الحاسم، مستكشفًا هندسته الاستثنائية، واختيار المواد الصارم، وتقنيات السلامة المتطورة.

وعاء الضغط للمفاعل هو مكون حيوي في محطات الطاقة النووية، ويعمل كحصن قوي يغلف مبرد المفاعل، ودرع القلب، وتجميعات الوقود. على عكس مفاعلات RBMK في الحقبة السوفيتية، والتي وضعت كل مجموعة وقود في أنابيب فردية بقطر 8 سم، تعتمد معظم المحطات النووية الحديثة على RPVs من أجل السلامة. في حين أن المفاعلات تُصنف عادةً حسب نوع المبرد بدلاً من تكوين الوعاء، فإن وجود وتصميم وعاء الضغط يؤثران بشكل مباشر على سلامة وكفاءة المحطة.

تشمل تصنيفات المفاعلات الشائعة:

• مفاعلات الماء الخفيف (LWRs): النوع الأكثر استخدامًا على نطاق واسع، بما في ذلك مفاعلات الماء المضغوط (PWRs) ومفاعلات الماء المغلي (BWRs).
• المفاعلات المعتمدة على الجرافيت: على سبيل المثال مفاعل تشيرنوبيل RBMK، بتصميمات مختلفة تمامًا عن معظم المحطات النووية المدنية في جميع أنحاء العالم.
• المفاعلات الحرارية المبردة بالغاز: بما في ذلك المفاعلات المبردة بالغاز المتقدمة (AGRs)، ومفاعلات التكاثر السريع المبردة بالغاز، والمفاعلات المبردة بالغاز ذات درجة الحرارة العالية. يعد مفاعل Magnox في المملكة المتحدة مثالًا كلاسيكيًا.
• مفاعلات الماء الثقيل المضغوط (PHWRs): باستخدام الماء الثقيل (المخصب بالديوتيريوم) كمعتدل أو مبرد. يعد مفاعل CANDU الكندي مثالًا بارزًا على PHWR.
• المفاعلات المبردة بالمعادن السائلة: باستخدام معادن منصهرة مثل الصوديوم أو سبائك الرصاص والبزموت للتبريد.
• مفاعلات الأملاح المنصهرة (MSRs): باستخدام أملاح منصهرة قائمة على الفلوريد كمبردات. تعمل MSRs في درجات حرارة عالية وضغوط منخفضة، مما يقلل الضغط على أوعية المفاعل.

من بين أنواع المفاعلات الرئيسية التي تستخدم أوعية الضغط، تواجه PWRs تحديًا مميزًا: تشعيع النيوترونات (أو تدفق النيوترونات) أثناء التشغيل يؤدي تدريجيًا إلى تقصف مواد الوعاء. في المقابل، توفر أوعية BWR—الأكبر حجمًا—حماية أفضل من النيوترونات. في حين أن هذا يزيد من تكاليف التصنيع، فإنه يلغي الحاجة إلى التلدين لإطالة عمر الخدمة.

لإطالة عمر أوعية PWR، تقوم شركات خدمات الطاقة النووية مثل Framatome (سابقًا Areva) والمشغلون بتطوير تقنيات التلدين. تهدف هذه العملية المعقدة وعالية القيمة إلى استعادة خصائص المواد التي تدهورت بسبب التشعيع المطول.

على الرغم من اختلافات التصميم، تشترك جميع أوعية الضغط PWR في الميزات الرئيسية التالية:

• جسم الوعاء: المكون الأكبر، الذي يضم تجميعات الوقود، والمبرد، وهياكل الدعم. عادة ما يكون أسطوانيًا بفتحة علوية لتحميل الوقود.
• رأس الوعاء: متصل بالجزء العلوي، ويحتوي على اختراقات لمحركات قضبان التحكم ومسبارات مستوى المبرد.
• تجميعات الوقود: صفائف شبيهة بالشبكة من القضبان التي تحتوي على اليورانيوم أو خلطات اليورانيوم والبلوتونيوم.
• درع القلب: حاجز أسطواني يحمي الوعاء من النيوترونات السريعة، والتي تسبب التقصف.

يجب أن تتحمل مواد RPV درجات الحرارة والضغوط العالية مع تقليل التآكل. تستخدم قذائف الوعاء عادةً فولاذًا سبائكيًا منخفضًا من الحديد المطاوع مكسوًا بفولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي بسمك 3-10 مم (لمناطق تلامس المبرد). دمجت التصميمات المتطورة سبائك غنية بالنيكل مثل SA-302 B (فولاذ Mo-Mn) ودرجات SA-533/SA-508 لتعزيز قوة الخضوع. توفر هذه الفولاذ الحديدي Ni-Mo-Mn الموصلية الحرارية العالية ومقاومة الصدمات—لكن استجابتها للإشعاع تظل حاسمة.

في عام 2018، طورت Rosatom تقنية التلدين الحراري للتخفيف من أضرار الإشعاع، مما أدى إلى إطالة عمر الوعاء لمدة 15-30 عامًا (كما هو موضح في Balakovo Unit 1). تخضع البيئات النووية المواد لقصف جسيمي لا هوادة فيه، مما يؤدي إلى إزاحة الذرات وإنشاء عيوب مجهرية. تتراكم هذه العيوب—الفراغات أو التشوهات أو مجموعات المذاب—بمرور الوقت، مما يؤدي إلى تصلب المواد مع تقليل الليونة. تؤدي شوائب النحاس (>0.1wt%) إلى تفاقم التقصف، مما يؤدي إلى زيادة الطلب على الفولاذ "الأكثر نظافة".

الزحف—التشوه البلاستيكي تحت الضغط المستمر—يزداد في درجات الحرارة المرتفعة بسبب هجرة العيوب بشكل أسرع. ينشأ الزحف بمساعدة الإشعاع من تفاعلات الإجهاد والبنية المجهرية، بينما تحفز أيونات الهيدروجين (من تحلل المبرد الإشعاعي) تشقق التآكل الإجهادي عبر ثلاث آليات نظرية: تقليل التماسك، أو الضغط الداخلي، أو ظهور البثور الميثانية.

تهدف الأساليب الجديدة إلى تثبيت الذرات المهجرة باستخدام حدود الحبوب، أو المذيبات كبيرة الحجم، أو تشتت الأكاسيد (مثل الإيتريا). تقلل هذه من فصل العناصر، مما يحسن الليونة ومقاومة التشقق. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحسين السبائك المقاومة للإشعاع.

اعتبارًا من عام 2020، تشمل الشركات المصنعة الرئيسية لـ RPV:

• الصين: China First Heavy Industries، Erzhong، Harbin Electric، Shanghai Electric
• فرنسا: Framatome
• الهند: L&T Special Steels (مع BARC/NPCIL)
• اليابان: Japan Steel Works، IHI Corporation
• روسيا: OMZ-Izhora، ZiO-Podolsk، AEM-Atommash
• كوريا الجنوبية: Doosan
• المملكة المتحدة: Rolls-Royce (المفاعلات البحرية)