راکتورهای هسته ای

 

 

  راکتورهای هسته‌ای دستگاه‌هایی هستند که در آنها شکافتهسته‌ای  کنترل شده رخ می‌دهد. راکتورها برای تولید انرژی الکتریکی و نیز تولیدنوترون‌ها به کار می‌روند. اندازه و طرح راکتور بر حسب کار آن متغیر است. فرآیندشکافت که یک نوترون به وسیله یک هسته سنگین (با جرم زیاد) جذب شده و به دنبال آن بهدو هسته کوچکتر همراه با آزاد سازی انرژی و چند نوترون دیگر شکافته می‌شود.

  تاریخچه

  اولین انرژی کنترل شده ناشی از شکافت هسته در دسامبر 1942 بدست آمد. ساخت و راه اندازی یک پیل از آجرهای گرافیتی ، اورانیوم و سوخت اکسیداورانیوم به رهبری"فرمی" با موفقیت به نتیجه رسید. این پیل هسته‌ای ، در زیر زمین فوتبال دانشگاهشیکاگو ساخته شد و اولین راکتور هسته‌ای فعال بحساب می آمد.

 ساختمان راکتور

  با وجود تنوع در راکتور‌ها ، تقریبا همه آنها از اجزای یکسانی تشکیل شده‌اند. ایناجزا شامل سوخت، پوشش برای سوخت ، کند کننده نوترون های حاصله از شکافت ، خنککننده‌ای برای حمل انرژی حرارتی حاصله از فرآیند شکافت ماده، کنترل کننده برایکنترل نمودن میزان شکافت می باشد.

  سوخت هسته‌ای

  سوخت راکتورهای هسته‌ای باید به گونه‌ای باشد که متحمل شکافت حاصله از نوترون بشود.پنج هسته ی شکافت پذیر وجود دارند که در حال حاضر در راکتورها به کار می‌روند.آنها 232TH ، 232U ، 235U، 238U ، 239PU می باشند.برخی از این نوکلئیدها برای شکافت حاصله ازنوترون های حرارتی و برخی نیز برای شکافت حاصل از نوترون های سریع بکار می روند. تفاوتبین سوخت ها یک خاصیت در دسته‌بندی راکتورها است ، در کنار قابلیت شکافت ، سوخت به کاررفته در راکتور هسته‌ای باید بتواند نیازهایدیگری را نیز تامین کند. سوخت باید از نظر مکانیکی قوی ، از نظر شیمیایی پایدار ودر مقابل تخریب تشعشعی مقاوم باشد، تا تحت تغییرات فیزیکی و شیمیایی محیط راکتورقرار نگیرد. هدایت حرارتی ماده باید بالا باشد بطوری که بتواند حرارت را خیلی راحتجابجا کند. همچنین امکان بدست آوردن ، ساخت راحت ، هزینه نسبتا پایین و خطرناکنبودن از نظر شیمیایی از دیگر فایده‌های سوخت است.

  غلاف سوخت راکتور

  سوخت‌های هسته‌ای مستقیما در داخل راکتور قرار نمی گیرند ، بلکه همواره به صورتپوشیده شده بهره برداری می شوند. پوشش یا غلاف سوخت ، سوخت را از  کند کننده و یا خنککننده جدا می سازد. این امر از خوردگی سوخت محافظت کرده و از گسترش پرتو محصولات  شکافت حاصل از سوخت به محیط اطراف جلوگیری می‌کند. همچنین این غلاف میتواند پشتیبان ساختاری سوخت باشد و در انتقال حرارت به آن کمک کند. ماده غلافهمانند خود سوخت باید دارای خواص خوب حرارتی و مکانیکی باشد و از نظر شیمیایی نسبتبه برهم کنش با سوخت و مواد محیط پایدار باشد. همچنین لازم است غلاف دارای سطح مقطعپایینی نسبت به بر هم کنش‌های هسته‌ای حاصل از نوترون بوده و در مقابل تشعشع مقاومباشد.

   مواد کند کننده نوترون

   کند کننده ماده‌ای است که برای کند یا حرارتی کردن نوترون های سریع بکار می‌رود.هسته‌هایی که دارای جرمی نزدیک به جرم نوترون هستند بهترین کند کننده می‌باشند. کندکننده برای آنکه بتواند در راکتور مورد استفاده قرار گیرد بایستی سطح مقطع جذبیپایینی نسبت به نوترون داشته باشد. با توجه به خواص اشاره شده برای کند کننده ، چندماده هستند که می‌توان از آنها استفاده کرد. هیدروژن ، دوتریم ، بریلیوم و کربن چندنمونه از کند کننده‌ها می‌باشند. از آنجا که بریلیوم سمی است این ماده خیلی کم بهعنوان کند کننده در راکتور مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین ایزوتوپ های هیدروژن ، به شکل آب و آب سنگین و کربن ، به شکل گرافیت به عنوان مواد کند کننده استفاده میشوند.

 

 

   خنک کننده‌ها

   گرمای حاصله از شکافت در محیط راکتور یا باید از سوخت زدوده شود و یا در نهایت اینگرما به قدری زیاد شود که میله‌های سوخت را ذوب کند.  از حرارتی که از سوخت گرفتهمی‌شود می توان در راکتور قدرت برای تولید برق استففاده نمود. ویژگی هایی که مادهخنک کننده باید دارا باشد  ، یکی هدایت حرارتی آن است تا بتواند در انتقال حرارتموثر بوده ، ودیگری پایداری شیمیایی و سطح مقطع جذب پایین تر از نوترون اش هست. نکته دیگری که باید به آن اشاره کرد اینکه این ماده نبایددر اثر واکنش های گاما دهنده رادیواکتیو شوند. برای خنک کنندگی  از مایعات و گازها استفاده شده‌است در این رابطه گازهای دی اکسید کربن وهلیوم مطرح هستند . هلیوم ایده‌آل است اما  پرهزینه بوده وتهیه مقادیر زیاد آن مشکل است.  در خنک کنند گی با  مایع آب ، آب سنگین و فلزات مایع مطرحمی شوند. از آنجا که برای جلوگیری از جوشیدن آب فشار زیادی لازم است  لذا آب خنک کنندهایده‌آلی نیست.

   مواد کنترل کننده شکافت

    پس از شروع  فرآیند شکافت برای دستیابی به فرآیند کنترل شده یا متوقف کردن سیستم شکافت ،لازم است که موادی در دسترس باشند که بتوانند نوترون های اضافی را جذب کنند. موادجاذب نوترون برخلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذببالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنهانسبت به نوترون بالاست ولی ماده مورد استفاده باید دارای چند خاصیت مکانیکی وشیمیایی باشد که برای این کار مفید واقع شود.

   انواع راکتورها

    راکتورها از دید  فرآیند شکافت به " راکتورهای حرارتی ، ربع و میانی (واسطه)  " ،  و از دید  مصرف سوخت به  "راکتورهای سوزاننده ، مبدّل و زاینده " ، از دید  نوع سوخت به " راکتورهای اورانیوم طبیعی ،  راکتورهای اورانیوم غنی شده با اورانیوم 235 (راکتورمخلوطی BE) ،از دید  خنک کننده به " راکتورهای گاز( (CO2 "  و  " راکتورهای مایع (آب ، فلز) " ، از دید  فازسوخت کند کننده‌ها  به " راکتورهای همگن " ،" راکتورهای ناهمگن "  و بالاخره از دید کاربرد به" راکتورهای قدرت ، راکتورهای تولید نوکلئید و راکتورهای تحقیقاتی " تقسیم می‌شوند.

 

    کاربردهای راکتورهای هسته‌ای

    راکتورها انواع مختلف دارند برخی از آنها در تحقیقات ، بعضی از آنها برای تولیدرادیو ایزوتوپ های پر انرژی برخی برای راندن کشتی‌ها و برخی برای تولید برق به کارمی روند. دوگروه اصلی راکتورهای هسته ای بر اساس تقسیم بندی کاربرد آنها ، راکتورهای قدرت وراکتورهای تحقیقاتی هستند. راکتورهای قدرت مولد برق بوده و راکتورهای تحقیقاتی برایتحقیقات هسته‌ای پایه ، مطالعات کاربردی تجزیه‌ای و تولید ایزوتوپ ها مورد استفادهقرار می گیرند.