مبانی راكتورهای هسته ای
مبانی راكتورهای هسته ای
از دوم دسامبر 1942، هنگامی كه اولین
راكتور هسته ای ساخت بشر یك واكنش زنجیره ای خود نگهدار را تولید نمود، تا
کنون چند صد نوع راكتور ساخته شده اند. علیرغم اختلافات ممكن در طراحی،
تعدادی ویژگی عمومی وجود دارند كه در كلیه راكتورها مشترك است. مركز هر
راكتور یك قلب فعال است كه واكنش زنجیره شكافت در آن پایدار می گردد. قلب
فعال دارای(1) سوخت شكافت پذیر كه در حین شكافت منبع اصلی تولید نوترونها
است، (2) ماده كند كننده در صورتیكه نیاز به كند نمودن نوترونها باشد (3)
خنك كننده در صورتیكه گرمای تولید شده بوسیله شكافت نیاز به خروج از قلب
داشته باشد و (4) ماده ساختمانی كه نگهدارنده تمامیت فیزیكی قلب است.
معمولاً محاط بر قلب فعال یک بازتابنده وجود دارد كه هدف از آن برگشت
نوترونهای پراکنده شده به طرف قلب بوده و یا ناحیه پوشش بارور می باشد كه
نوترونهای نشت یافته از قلب برای تولید ایزوتوپهای مفید همچون 60Co یا
239Pu را گیر می اندازد. قلب راكتور و بازتابنده یا پوشش بارور بنوبه خود
جهت به حداقل رساندن پرتوگیری افراد و تجهیزات نزدیك راكتور بوسیله یك حفاظ
احاطه میگردد. در نهایت، كلیه راكتورها باید بطریقی دارای كنترل باشند تا
واكنش زنجیرهای شروع شده تا حد مورد نیاز حفظ شده و با امنیت خاموش شود.
تقسیم
بندی راكتورها مطابق انرژی نوترونها كه موجب حداکثر شكافتها میشوند انجام
می پذیرد. در یک راکتور سریع، نوترونهای شکافت سریع قبل از جذب بوسیله سوخت
به منظور تولید نسل جدیدی از نوترونهای شکافت به اندازه زیادی کند نمی
شوند. بر عکس، در یك راكتور حرارتی تقریباً كلیه شكافتها بوسیله نوترونهائی
انجام می شود كه كند شده و با سرعتهای قابل مقایسه با سرعت اتمهای موجود
در ماده قلب حركت می كنند، یعنی نوترونها در تعادل گرمائی با ماده محیط
هستند.
در این فصل، مبانی اصل راكتورهای هسته ای و واكنش های زنجیره
ای شكافت مورد بحث قرار می گیرند. در ابتدا، جمعیت نوترونی حالت پایا در
قلب یك راكتور را ملاحظه نموده، و روشهایی برای كمی سازی شرایط لازم برای
یك واكنش زنجیرهای خود نگهدار با جمعیت ثابت نوترونی و رهائی قدرت شكافت را
پی جوئی می كنیم. بویژه، روی راكتورهای حرارتی تمرکز می کنیم، اگر چه
مبانی برای راكتورهای سریع نیز كاملاً یكسان است. در انتهای این فصل،
دینامیك راكتورها را با افزایش یا كاهش قدرت در پاسخ به تغییرات فیزیكی در
راكتور در نتیجه تغییرات اعمال شده خارجی یا از اثرات بازخور مورد بررسی
قرار می دهیم.
کند شدن نوترون
در یك راكتور حرارتی
نوترونهای سریع شكافت انرژی جنبشی خود را در ابتدا از طریق پراكندگی
الاستیك از هستههای با اعداد جرمی كوچك كند كننده از دست می دهند. در بحث
های ابتدائی سینماتیك پراكندگی کشسان نوترون از یك هسته ثابت[1]، ملاحظه
نمودیم كه انرژی نوترون پراكندگی بینEmax=E وEmin=α E است كه در آن E انرژی
نوترون فرودی وα≡ (A-1)2/(A+1)2 است. تعداد پراكندگی ها، بطور میانگین،
مورد نیاز برای این نوترونی با انرژی اولیه E1 به انرژی پائین تر E2 برسد
از معادله (6-30) داده می شود. خلاصه ای از این خواص مهم برای چندین كند
كننده در جدول6-1 داده شده است. از مقادیر جدول 6-1 مشاهده می گردد كه هسته
های پراكندگی با اعداد كوچك A موجب از دست رفتن انرژی میانگین بزرگتری شده
و لذا نوترونهای سریع را با چند پراكنده كننده بمراتب بهتر از هسته های
اعداد جرمی بالا كند می نمایند. علاوه بر آن برای داشتن یك عدد جرمی كوچك،
یك كند كننده خوب باید دارای سطح مقطع بزرگ پراكندگی Es (برای تأمین
پراكندگی) و سطح مقطع كوچك جذبی ∑α (برای اجتناب از دست رفتن نوترون قبل
از ایجاد شكافت) باشد. و بخش اعظمی از ماده قلب راكتورهای حرارتی، را كند
كننده ای مانند آب سبك یا سنگین، گرافیت یا بریلیم تشكیل می دهد. علاوه بر
آن بعنوان یك كند كننده، آب سبك در یك راكتور قدرت می تواند عامل خنك كننده
باشد و بهمین دلیل تعجب آور نیست كه راكتورهای آب سبك (LWR) نوع غالب
راکتورهای قدرت در حال كار در جهان هستند.
خواص نوترون حرارتی در سوختها
در
راكتورهای حرارتی تنها ایزوتوپهای شكافت پذیر همچون 233U، 235U، 239Pu
مورد استفاده قرار می گیرند. تا كنون سوختهای هسته ای بكار رفته غالباً دی
اكسید اورانیوم، با اورانیوم غنی شده در 235U از مقدار طبیعی 720/0% تا چند
درصد بوده است. تنها برخی راکتورهای آب – سنگین و کند کننده – گرافیت می
تواند از اورانیوم طبیعی استفاده کند. اغلب راکتورها از اورانیوم غنی شده،
معمولاً 2 تا 3 درصد، در u235 استفاده می کنند. نوكلید شكافت پذیر 239Pu در
طی عملیات یك راكتور هسته ای قدرت كه سوخت آن حاوی 238U است (بخش 6-5-3 را
ملاحظه كنید) تولید شده و در انتهای عمر سوخت (معمولاً سه سال) تقریباً
نصف قدرت بوسیله شكافت 239Pu حاصل می گردد. بعضی از راكتورهای قدرت 239Pu
با اورانیوم غنی شده به شكل سوخت "اكسید مخلوط" مخلوط می گردد. بعضی از
خواص مهم سوختهای هسته ای در جدول 10-1 داده شده اند. داده ها راهنمائی
برای یافته های زیر هستند.
1- 233U دارای بزرگترین مقدار η ، تعداد
نوترونهای شكافت تولید شده بازای جذب یک نوترون حرارتی، بوده و لذا بهترین
چشم انداز برای یك راكتور زاینده حرارتی با تولید سوخت شكافت پذیر با جذب
نوترون از آنچه كه در واكنش زنجیره ای مصرف می شود، است. در یك راكتور
زاینده یك η معادل حداقل 2، مورد نیاز است چرا كه یك نوترون برای پایدار
نمودن زنجیره واكنش و یك نوترون با جذب در ماده بارور جهت زایش یك اتم سوخت
شكافت پذیر جدید لازم است. مواد بارور موادی هستند همانند 232Th و 238U كه
در هنگام جذب نوترون حرارتی ممكن است تولید مواد شكافت پذیر کنند (بخش
6-5-3 را ملاحظه كنید).
2- اگر چه ایزوتوپهای پلوتونیوم تولید
تقریباً 3 نوترون شكافت بر هر شكافت حرارتی می كنند. بدلیل سطح مقطع های
بالای جذب تابشی) (n, gآنها نشان داده شده بوسیله نسبت كم و بیش بالای
(sg/sƒ) منجر به مقادیر پائین η می گردد. با وجود این برای شكافت های حاصل
بوسیله نوترونها با انرژیهای بالاتر از چند صد η،KeV برای هر دو 239Pu و
241Pu بزرگتر از 3 میباشد. لذا در راكتورهای سریع كه در آنها پلوتونیوم به
عنوان سوخت مورد استفاده قرار می گیرد بعنوان راكتورهای زاینده قابل توجه
هستند.
3- ایزوتوپهای بارور 232Thو 238U دارای سطح مقطع جذب حدود 1
درصد یا كمتر، از آنهائی هستند كه به ایزوتوپهای شكافت پذیر 233U و
239Puتبدیل می شوند.
4- ایزوتوپ بارور 240Pu دارای سطح مقطع بالای گیراندازی برای تولید ایزوتوپ شكافت پذیر 241Pu است.
5-
اگر چه در این جدول نشان داده نشده، سطح مقطع های شكافت و جذب برای واكنش
های نوترونهای شكافت با انرژی بالا با ایزوتوپهای شكاف پذیر چند صد برابر
كمتر از واكنش های با نوترونهای حرارتی است
[1] - حركت حرارتی هسته در مقایسه با سرعت نوترونهای سریع قابل صرف نظر است.
چرخه عمر نوترون در یك راكتور حرارتی
در
یك راكتور حرارتی، بعضی از نوترونهای سریع (~2MeV) تولید شده از شكافت، تا
انرژیهای حرارتی (eV025/0~) کند شده، بوسیله سوخت جذب شده و موجب می گردد
تا سوخت شكافته شود، و لذا تولید نسل دومی از نوترونهای سریع پدید میآید.
باقیمانده نوترونهای سریع كه منجر به شكافت نمی گردد سرنوشتهای گوناگونی را
متحمل می شوند.
چرخه عمر یك نسل از نوترونها را كه در یك راكتور
حرارتی تولید می شوند ذیلاً در نظر بگیرید. در اینجا n نوترون سریع در قلب
تولید می گردد. این نوترونها سریع می توانند موجب چند پدیده شكافت سریع
شوند (لذا تعداد نوترونهای نسل دوم بوجود می آیند)، كه از قلب نشت پیدا
كرده، یا می توانند در هنگام كند شدن به انرژیهای حرارتی، جذب شوند آن
نوترونهائی كه به انرژیهای حرارتی می رسند در كل قلب پخش می شوند بعضی از
این نوترونهای حرارتی ممكن است بوسیله نشت از قلب یا جذب بوسیله مواد غیر
سوخت از دست بروند. با وجود این بسیاری از نوترونهای حرارتی در سوخت جذب می
شوند، ولی تنها کسری از این جذبها موجب شكافت شده و n نوترون نسل دوم بر
شكافت رها می گردد. لذا در انتهای چرخه نسل جدیدی از n´ نوترون سریع وجود
دارد که مجدداً چرخه را شروع می کنند. آشکارا برای جمعیت نوترون جهت
نامگذاری مجدد چرخه ثابت پس از چرخه n´ باید برابر n گردد ، یعنی واكنش
زنجیره خود نگهدار خواهد بود.
