راکتورهای با نوترون سریع ، راکتورهای زاینده

[majid313mirzaei 81]

راکتورهای با نوترون سریع ، راکتورهای زاینده

مقدمه

 

یک راکتور هستهای گرمایی تولید میکند که منشأ آن در شکافت دو هسته قابل شکافت ²³⁵U یا ²³⁹Pu قرار دارد. تنها ماده موجود قابل کشافت در طبیعت ، ²³⁵U است که 1.140 اورانیوم طبیعی را تشیل میدهد و بقیه اساسا ²³⁸U غیر شکافتی است. هر شکافت اتم اورانیوم در اثر یک نوترون ، 2 تا 3 نوترون با انرژی بالا (بطور متوسط 2Mev) یعنی نوترونهای سریع (20000Km/s) را تولید میکند.

این نوترونها به نوبه خود میتوانند با سایر هستههای اورانیوم شکافت انجام دهند که نوترونهای گسیل شده شکافتهای دیگری را تولید میکنند و به این ترتیب واکنش زنجیرهای ایجاد میشود. اگر قطعه ماده قابل شکافت به حد کافی بزرگ باشد، تولید نوترونها تقویت شده و سبب انفجار میشود: این اساس بمب اتمی است. در یک راکتور هستهای یک عده پدیدههای دیگر را برای انجام واکنش مورد نظر قرار میدهند: تعدادی از نوترونها در اورانیوم بویژه در ²³⁸U بدون تولید شکافت ، تعدادی دیگر توسط مواد ساختاری جذب میشوند و بالاخره عده دیگری به بیرون مغز راکتور فرار میکنند و ناپدید میشوند.

شرایط ایجاد شکافت زنجیری

 

یک راکتور فقط با یک حجم معین که کمترین ماده قابل شکافت را داشته باشد، میتواند کار کند: کمترین مقدار ماده قابل شکافت را جرم بحرانی مینامند. در یک قطعه اورانیوم طبیعی ، هر چه قدر بزرگ هم باشد، واکنش زنجیرهای غیر ممکن است: مقدار ماده قابل شکافت (²³⁵U) بسیار کم است و اکثریت نوترونهای جذب شده با ²³⁸U تلف میشوند. بنابراین باید بطور مصنوعی شکافتها را در مقابل جذبهای بدون شکافت در شرایط مساعدی قرار داد. دو راه امکان پذیر است:

 

یا بطور قابل ملاحظهای مقدار ماده قابل شکافت را افزایش میدهند (اورانیوم را با ²³⁵U غنی کرد یا به آن ²³⁹Pu افزود)، یا انرژی نوترونها را توسط کند کننده کاهش میدهند و آن نقش ²³⁵U را (مقطع شکافت ²³⁵U) در مقابل ²³⁵⁸U (مقطع جذب ²³⁸U) تقویت میکند. به این ترتیب دو دسته راکتور شکل میگیرند.

 

انواع راکتور شکافتی

 

از یک طرف راکتورهایی که بطور مستقیم نوترونهایی با انرژی زیاد ناشی از شکافت را مورد استفاده قرار میدهد و این راکتورها به راکتورهای با نوترونهای سریع معروفند که ماده قابل احتراق آنها شامل یک نسبت زیادی از ماده شکافتی (در راکتورهای بزرگ 15%) است، از طرف دیگر راکتورهایی که کند کنندهها را مورد استفاده قرار میدهند (راکتورهای با نوترونهای حرارتی) و ماده قابل احتراق آن میتواند اورانیوم طبیعی باشد.

لازم به یادآوری است که در راکتورهای با نوترونهای حرارتی نمیتوان اورانیوم طبیعی را مورد استفاده قرار داد، مگر آنکه مواد ساختاری و سیال خنک کننده که گرمای تولیدی را برای راه اندازی توربین آلترناتور انتقال میدهد، جذبهای اتلافی بسیار زیادی را سبب نشوند. در بسیاری از راکتورهای حرارتی نوع ماده ساختاری و سیال خنک کننده ، یک غنای سبک (در حدود 3 درصد) از ماده قابل احتراق را الزام میدارد.

ساختمان راکتور

از مجموعهای از یاختههای بنیادی که از مدادهای دراز یا سوزنهای ماده قابل احتراق تشکیل میشوند که سطح آنها توسط یک سیال خنک کننده پوشیده میشود. اگر راکتور با نوترون حرارتی باشد، این یاختهها در داخل کند کننده بطور منظم توزیع میشوند و در راکتور با نوترون سریع کند کننده وجود ندارد. این مجموعه ، مغز راکتور را تشکیل میدهد و توسط بازتاب کنندهای احاطه میشود که فرار نوترونها را محدود میکند و یک محافظ بیولوژیکی (بتن) در مقابل تشعشعات دارد. در مورد راکتورهای با نوترونهای سریع منطقهای به نام غلاف و بطور مستقیم واقع در اطراف مغز ، تولید تازه را امکان پذیر میسازد.

قسمت اساسی یک راکتور با نوترون حرارتی (مغز) از عناصر قابل احتراق تشکیل میشود که توسط یک سیال مخصوصی که بطور منظم در کند کننده قرار دارد، سرد میشود. ماده قابل احتراق شامل ماده شکافتی (معمولا اکسید اورانیوم کم و بیش غنی شده در ایزوتوپ 235) اغلب به صورت مدادهایی (بخ قطر حدود 10 تا 12 میلی متار و به 3.5 متر در یک راکتور بزرگ) در یک غلاف فلزی قرار داده میشود. سیال خنک کننده ممکن است آب معمولی ، آب سنگین یا یک گاز باشد. کند کننده آب معمولی ، آب سنگین یا گرافیت است. مغز راکتور با یک بازتاب کننده احاطه میشود که از همان ماده کند کننده تشکل میشود و فرار نوترونها را به حداقل میرساند، مجموعه در یک پوشش ضخیم بتونی قرار میگیرد تا در مقابل تشعشعات ، یک حفاظ بیولوژیکی باشد.

در یک راکتور با نوترونهای سریع همان تشکیل دهندههای اساسی به استثنای کند کننده وجود دارد. ماده قابل احتراق از پلوتونیم که به صورت اکسید مخلوط PUO₂ - UO₂ است. سوزنهای ظریف ماده قابل احتراق (به قطر 6 تا 8 میلیمتر و به طول 0.5 تا یک متر) با فولاد زنگ نزن پوشانده شده و توسط سدیم مذاب سرد میشوند. سایر سوزنها به نام غلاف ، شامل اکسید UO₂ ، مغز را احاطه میکنند. آنها تولید تازه را بر اثر تبدیل ²³⁸U به ²³⁸Pu سبب میشوند. بازتاب کننده معمولا از قطعات فولادی تشکیل می شود.

راکتورهای زاینده

 

نوعی از این راکتورها با مقدار زیادی از سدیم مایع خنک میشوند (مانند راکتور سوپرفنیکس که در مدار اولیه آن 1500 تن و در مدار ثانویه 3500 تن سدیم در نظر گرفته شده است). ظرفیت گرمای سدیم زیاد است و در صورت نبودن مصرف ، دمای مغز راکتور بیش از چند درجه در ساعت افزایش نمییابد و آن خطر گرمی فزونی کلی را از بین میبرد و به راکتور زمان توقف بیشتری میدهد. به هنگام کار راکتور ، دمای سدیم در حدود C 400˚ است و از دمای جوش آن (c 880˚) خیلی دور است. بنابراین ، سدیم در ذخیره گرما برای کوتاه مدت نقش بسیار مؤثری دارد. زیرا در ذخیره گرما با وجود این سدیم دارای خطراتی است و احتیاطهای ویژهای را الزام میدارد و در تأسیسات کلاسیکی از آن استفاده نمیشود.