قدرة المفاعل النووي

خطوات الاستخدام

الخطوة الأولى: إدخال معدل الانشطار (fissionRate) بوحدة انشطار في الثانية. هذا المعدل يمثل عدد الانشطارات النووية التي تحدث في قلب المفاعل كل ثانية. يمكن الحصول على هذا المعدل من حسابات فيزيائية أو من بيانات تشغيل المفاعل. تذكر أن معدل الانشطار يعتمد على كثافة النيوترونات وتصميم الوقود.

الخطوة الثانية: إدخال الطاقة المنطلقة لكل انشطار (energyPerFission) بوحدة MeV (ميجا إلكترون فولت). لكل انشطار لليورانيوم-235، تُطلق حوالي 200 MeV من الطاقة. لكن القيمة الدقيقة تعتمد على نوع الوقود (مثل U-235 أو Pu-239) ونواتج الانشطار. يمكن استخدام 200 MeV كقيمة تقريبية.

الخطوة الثالثة: حساب القدرة الحرارية (P) باستخدام القانون: P = fissionRate × energyPerFission. ولكن يجب تحويل الطاقة من MeV إلى جول لتحصل على القدرة بالواط. 1 MeV = 1.602176634×10⁻¹³ جول. لذا تكون العلاقة: P (واط) = fissionRate × energyPerFission (MeV) × 1.602176634×10⁻¹³.

الأسئلة الشائعة

القدرة الحرارية (Thermal Power) هي إجمالي الطاقة الحرارية الناتجة عن الانشطار النووي في قلب المفاعل. وتقاس عادة بالميجاواط الحراري (MWth). أما القدرة الكهربائية (Electrical Power) فهي الطاقة الكهربائية الفعلية التي تُنتج بعد تحويل الحرارة إلى كهرباء عبر التوربينات والمولدات. وتُقاس بالميجاواط الكهربائي (MWe). كفاءة التحويل عادة ما تكون بين 30% و 40%، وتعتمد على دورة التبريد (ماء مضغوط، ماء مغلي، إلخ). على سبيل المثال، مفاعل بقدرة حرارية 3000 MWth قد ينتج فقط 1000 MWe إذا كانت كفاءته 33%. الفرق بين القدرتين يمثل الطاقة المفقودة كحرارة مهدرة. لذا، عند التحدث عن حجم المفاعل، تُذكر القدرة الحرارية والكهربائية معًا لفهم أدائه.

الطاقة المنطلقة لكل انشطار ليست ثابتة تمامًا، بل تعتمد على النظير الانشطاري (مثل يورانيوم-235، بلوتونيوم-239، يورانيوم-233) وكذلك على طاقة النيوترون المسبب للانشطار. بشكل عام، بالنسبة لليورانيوم-235 عند انشطارها بنيوترونات حرارية، تطلق حوالي 202.5 MeV، بينما البلوتونيوم-239 يطلق حوالي 210 MeV. الفروق تأتي من توزيع نواتج الانشطار والنيوترونات المنبعثة. في التطبيقات العملية، تُستخدم قيمة تقريبية 200 MeV للتبسيط. ومع ذلك، في الحسابات الدقيقة لمفاعل معين، يجب استخدام القيمة الخاصة بالوقود المستخدم، والتي قد تختلف قليلاً. كما أن الطاقة المتاحة كحرارة تكون أقل قليلاً بسبب طاقة النيوترونات والإشعاع التي قد تخرج من القلب، ولكن هذا التأثير صغير نسبيًا.

معدل الانشطار يمكن تقديره بعدة طرق غير مباشرة. الطريقة الأكثر شيوعًا هي استخدام مقياس النيوترونات (neutron flux detector) الذي يقيس تدفق النيوترونات في قلب المفاعل. نظرًا لأن كثافة النيوترونات تتناسب طرديًا مع معدل الانشطار (مع افتراض ثبات المقطع العرضي للانشطار)، يمكن تحويل قراءات التدفق النيوتروني إلى معدل انشطار باستخدام معامل المعايرة. طريقة أخرى هي قياس الطاقة الحرارية المنتجة باستخدام موازين حرارة ومعدلات تدفق سائل التبريد، ثم استخدام العلاقة العكسية (P / (energyPerFission × تحويل)) لحساب معدل الانشطار. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام كاشفات النيوترونات الموجودة في نظام السلامة. في المفاعلات البحثية، يمكن استخدام رقاقات من مادة انشطارية لقياس النشاط الإشعاعي بعد التشعيع. العمليات الحسابية تتطلب أيضًا نماذج فيزيائية دقيقة مثل معادلة الانتشار النيوتروني (Neutron Diffusion Equation) لتوزيع التدفق.

كفاءة التحويل الحراري إلى كهربائي في محطات الطاقة النووية تعتمد على دورة التبريد المستخدمة. أشهر الدورات: دورة الماء المضغوط (PWR) ودورة الماء المغلي (BWR) ودورة الماء الثقيل (CANDU) ودورة الغاز (HTGR). الكفاءة الحرارية القصوى تحددها دورة كارنو (Carnot efficiency) وهي تعتمد على فرق درجات الحرارة بين مصدر الحرارة (قلب المفاعل) والمصرف الحراري (الماء البارد أو الهواء). في الممارسة، درجات حرارة التشغيل في المفاعلات النووية أقل من محطات الوقود الأحفوري بسبب قيود المواد، مما يحد الكفاءة إلى حوالي 30-36% للمفاعلات التقليدية. المفاعلات المتقدمة مثل مفاعلات الجيل الرابع تستخدم درجات حرارة أعلى (مثل مفاعلات الملح المنصهر أو المفاعلات المبردة بالغاز) مما يرفع الكفاءة إلى 40-50%. عوامل أخرى تشمل: تصميم المبادلات الحرارية، كفاءة التوربينات، ونسبة الضغط في الدورة. كما أن موقع المحطة (درجة حرارة مياه التبريد) يؤثر على الكفاءة.

قدرة المفاعل النووي

أدخل القيم

خطوات الاستخدام

أمثلة محلولة

أمثلة محسوبة

الأسئلة الشائعة

أدخل القيم

خطوات الاستخدام

1مثال 1: مفاعل بحثي صغير يعمل بمعدل انشطار 1×10¹⁷ انشطار/ثانية، وطاقة انشطار 200 MeV. احسب قدرته الحرارية.

2مثال 2: مفاعل طاقة كبير مثل محطة بوشهر الإيرانية، بقدرة كهربائية 1000 MW وكفاءة تحويل حراري إلى كهربائي 35%. احسب معدل الانشطار المطلوب إذا كانت طاقة الانشطار 200 MeV.

أمثلة محسوبة

الأسئلة الشائعة