تدابير السلامة العامة في المحطات النووية

مقدمة حول توليد الطاقة النووية:

في جميع المفاعلات النووية، يتم إنتاج الطاقة داخل الوقود عن طريق تفاعل متسلسل لانشطار نوى ذراته، حيث أن الوقود النووي الأكثر شيوعاً هو اليورانيوم 235، حيث يقسم كل انشطار ذرة وقود إلى ذرتين جديدتين من نواتج الانشطار ويطرد أيضاً من نواة النيوترونات، مما يتسبب في مزيد من الانشطار للذرات، كما يتم نقل معظم الطاقة المنبعثة من الانشطار بواسطة نواتج الانشطار، ويتم تحويلها بدورها إلى طاقة حرارية في ذرات الوقود المجاورة لأنها توقف نواتج الانشطار سريعة الحركة وتمتص إشعاعها، كما وتحمل النيوترونات حوالي 3٪ من طاقة الانشطار.

يتم منع قلب المفاعل من السخونة الشديدة بواسطة سائل تبريد أو غازي، والذي ينتج أيضاً البخار (إما بشكل مباشر أو غير مباشر) لدفع التوربين، حيث يتم دمج المواد الممتصة للنيوترونات في قضبان التحكم، والتي يمكن نقلها داخل وخارج التجاويف الموجودة في قلب المفاعل للتحكم في معدل تفاعل الانشطار إلى المعدل الذي يرغب فيه مشغل محطة الطاقة، في مفاعلات الماء المضغوط، حيث يمكن وضع المواد الماصة في نظام تبريد المفاعل عبر ممتصات قابلة للذوبان.

معظم نواتج الانشطار غير مستقرة، وبالتالي مشعة، حيث تتحلل وتطلق إشعاعاً من نوع ومعدل خاص بكل عنصر من عناصر المنتج الانشطاري، ومنتج جديد قد يكون أيضاً مشعاً، كما يستمر تسلسل الاضمحلال هذا حتى ينتج عنه أخيراً منتجات تكون مستقرة (غير مشعة)، حيث تتشكل المنتجات المشعة الأخرى في المفاعل عن طريق امتصاص النيوترونات في نواة ذرات المواد غير الانشطارية، مثل اليورانيوم 238  والمواد الإنشائية، كذلك مثل الأدلة والدعامات وتكسيه الوقود.

في المفاعلات التي كانت تعمل لبعض الوقت، يصل اضمحلال نواتج الانشطار وخلق نواتج انشطارية جديدة إلى مستوى قريب من التوازن، وفي هذه المرحلة يكون الإشعاع وإنتاج الطاقة الناتج من تحلل المنتجات المشعة تقريباً عُشر كل ما ينتج في المفاعل.

هذه الكمية الكبيرة من المواد المشعة هي التي تخلق المخاطر الخاصة بمحطات الطاقة النووية، وفي ظل ظروف التشغيل، تتصرف معظم هذه المواد المشعة مثل المواد الصلبة، لكن بعضها يتصرف مثل الغازات، أو يصبح متطايراً عند درجة حرارة عالية في المفاعل، كما يمكن امتصاص بعض هذه المواد المشعة بسهولة في الكائنات الحية، ولها تأثيرات كبيرة على العمليات البيولوجية، وبالتالي فهي خطيرة إذا تم إطلاقها أو تفرقها في البيئة.

مبادئ السلامة وميزات تصميم السلامة ذات الصلة:

هناك أربعة جوانب لتفاعل سلسلة الانشطار، والتي يمكن أن تكون خطيرة ولا يمكن فصلها عن استخدام الطاقة النووية لإنتاج الكهرباء، وبالتالي تتطلب إجراءات أمان:

• ينتج عن الانشطار الإشعاعات المؤينة التي تتطلب الحماية من التعرض المباشر للإشعاع.

• يتم إنشاء نواتج انشطارية عالية النشاط الإشعاعي، والتي تتطلب حاويات محكمة لمنع تلوث البيئة الخارجية والابتلاع المحتمل.

• تفاعل سلسلة الانشطار هو عملية ديناميكية تتطلب تحكماً مستمراً.

• لا يمكن إيقاف إنتاج الحرارة على الفور، حيث يستمر التحلل الإشعاعي في إنتاج الحرارة بعد إنهاء تفاعل سلسلة الانشطار، مما يتطلب تبريداً طويل المدى.

تمثل متطلبات الأمان التي تطلبها هذه الخصائص الاختلافات الرئيسية في معدات الأمان واستراتيجية التشغيل في محطة نووية مقارنة بتلك الموجودة في محطة توليد الطاقة، التي تستخدم الوقود الأحفوري، حيث تختلف طريقة استيفاء متطلبات الأمان هذه باختلاف أنواع المحطات النووية، لكن مبادئ الأمان الأساسية هي نفسها في جميع المحطات النووية.

أثناء إجراء الترخيص، يجب على كل منشأة نووية أن تثبت أن الانبعاثات المشعة ستكون أقل من الحدود التنظيمية المحددة، سواء أثناء ظروف التشغيل العادية أو في حالة حدوث أعطال أو ظروف حادث، تكون الأولوية هي منع الإخفاقات بدلاً من مجرد التخفيف من عواقبها، ولكن يجب أن يكون التصميم قادراً على التعامل مع حالات الفشل إذا حدثت، على الرغم من جميع الاحتياطات، وهذا يتطلب أعلى درجة من ضمان الجودة والتحكم المطبق على جميع المعدات ووظائف وعمليات التشييد، تم تصميم خصائص السلامة المتأصلة وتدابير السلامة الهندسية لمنع الحوادث والسيطرة عليها واحتواء إطلاق المواد المشعة وتقليلها.

على وجه الخصوص، يجب أن تتطابق سعة توليد الحرارة والتبريد في جميع الأوقات، وأثناء التشغيل تتم إزالة الحرارة من المفاعل بواسطة المبرد، والذي يتم ضخه عبر الأنابيب المتصلة بالمفاعل، ويتدفق فوق سطح غلاف الوقود، في حالة انقطاع التيار الكهربائي عن المضخات أو حدوث عطل مفاجئ في أنابيب التوصيل، سيتوقف تبريد الوقود، مما قد يؤدي إلى ارتفاع سريع في درجة حرارة الوقود، واحتمال فشل تكسيه الوقود، وهروب المواد المشعة من الوقود إلى وعاء المفاعل، إن الإغلاق السريع لتفاعل سلسلة الانشطار، ويكون مدعوماً بالتفعيل المحتمل لأنظمة التبريد الاحتياطية أو الطوارئ، ومن شأنه أن يمنع تلف الوقود، حيث يتم توفير تدابير الأمان هذه في جميع المحطات النووية.

حتى عندما يتم إغلاق المفاعل، فقد يؤدي فقدان التبريد وفشل القدرة الاحتياطية أو التبريد في حالات الطوارئ إلى ارتفاع درجة حرارة الوقود بسبب استمرار الانشطار الناتج عن تسوس إنتاج الحرارة في الوقود، كما هو موضح في الشكل التالي، وأثناء التحلل تكون الحرارة 1٪ أو 2٪ فقط من إنتاج الحرارة بكامل الطاقة، إذا لم تتم إزالتها، يمكن أن تصل درجة حرارة الوقود إلى مستويات الفشل في غضون دقائق من الفقد الكامل للتبريد، حيث يتطلب مبدأ تصميم أمان محطة الطاقة النووية أن يتم تقييم جميع الظروف التي قد تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الوقود وتلف وتحرير المواد المشعة من الوقود بعناية ومنعها من خلال أنظمة التحكم والحماية الهندسية.

لحماية محطة الطاقة النووية، هناك ثلاثة أنواع من ميزات الأمان: الخصائص المتأصلة والأنظمة السلبية  والأنظمة النشطة، وهذه تستخدم في مجموعات مختلفة في تشغيل المحطات النووية.

تستفيد خصائص السلامة المتأصلة من قوانين الطبيعة للحفاظ على سلامة محطة الطاقة، هناك خصائص أمان متأصلة في بعض أنواع الوقود النووي، حيث أنه مع ارتفاع درجة حرارتها، يتباطأ معدل تفاعل سلسلة الانشطار، هناك خصائص أمان متأصلة في بعض تصميمات أنظمة التبريد حيث يدور المبرد فوق الوقود عن طريق الدوران الطبيعي لإزالة حرارة التسوس بشكل مناسب دون تشغيل أي مضخات، حيث توجد خصائص أمان متأصلة في معظم الهياكل المعدنية تؤدي إلى الخضوع أو التمدد تحت الأحمال الشديدة بدلاً من الانفجار أو الفشل.

تشمل ميزات الأمان السلبية رفع صمامات تخفيف الوزن الساكن (الجاذبية) بضغط السائل المراد التخلص منه، أو في استخدام الطاقة المخزنة في أنظمة حقن سائل التبريد في حالات الطوارئ، أو في بعض أوعية الاحتواء المصممة لاستيعاب الطاقة من فشل أنظمة الأنابيب والحرارة اللاحقة.

تشمل أنظمة الأمان النشطة جميع الأنظمة التي تتطلب تنشيط الإشارات وإمدادات الطاقة بشكل ما، حيث يمكن للأنظمة النشطة بشكل عام التحكم في نطاق أوسع من الظروف من الأنظمة الكامنة والسلبية، ويمكن اختبارها دون قيود أثناء تشغيل المفاعل.

يعتمد تصميم الأمان لمحطات الطاقة النووية على مجموعة مختارة من الأنظمة المتأصلة والسلبية والنشطة لتلبية متطلبات الأمان التنظيمية للولاية القضائية التي تقع فيها المحطة النووية، حيث تعد درجة عالية من الأتمتة في الأنظمة المتعلقة بالسلامة ضرورية لإعفاء موظفي العمليات قدر الإمكان، ومن الحاجة إلى اتخاذ قرارات وإجراءات سريعة تحت الضغط، تم تصميم أنظمة مفاعلات الطاقة النووية للتكيف تلقائياً مع التغيرات في خرج الطاقة المطلوب، وعادة ما تكون التغييرات تدريجية.

ومن المهم بشكل خاص أن تكون الأنظمة المتعلقة بالسلامة قادرة باستمرار على الاستجابة بسرعة وفعالية وموثوقية عند الحاجة، وذلك من أجل تحقيق هذا المستوى العالي من الأداء، حيث يجب أن تتوافق هذه الأنظمة مع أعلى معايير ضمان الجودة وأن تكون مصممة وفقاً لمبادئ تصميم السلامة الراسخة المتمثلة في التكرار والتنوع والفصل المادي.

التكرار هو توفير مكونات أو أنظمة فرعية أكثر مما هو مطلوب فقط لجعل النظام يعمل، على سبيل المثال، توفير ثلاثة أو أربعة مكونات حيث هناك حاجة لمكوّنين فقط ليعمل النظام بشكل صحيح.

التنوع هو توفير نظامين أو أكثر يعتمدان على تصميم مختلف أو مبادئ وظيفية لأداء نفس وظيفة السلامة، حيث يوفر الفصل المادي للمكونات أو الأنظمة المصممة لأداء نفس وظيفة السلامة الحماية من التلف المحلي الذي قد يضر بطريقة أخرى بأداء أنظمة السلامة.

من الأمثلة الهامة على تطبيق مبادئ تصميم الأمان هذه في إمداد الطاقة الكهربائية في المحطات النووية، والذي يعتمد على أكثر من اتصال بنظام الطاقة الرئيسي، مدعوماً في الموقع بالعديد من محركات الديزل و  أو توربينات الاحتراق، وبواسطة بنوك البطاريات ومجموعات مولدات المحركات لضمان إمداد موثوق بالكهرباء للأنظمة الحيوية المتعلقة بالسلامة.

الهدف الأساسي لتصميم أمان محطة الطاقة النووية هو الحفاظ على سلامة هذه الحواجز المتعددة من خلال نهج دفاع متعمق يمكن أن يتميز بثلاثة مستويات من تدابير الأمان: التدابير الوقائية والحماية والتخفيف.