واکنشگاه هسته‌اي يا «رآکتور اتمي» دستگاهي براي انجام دادن واکنشهاي هسته‌اي به صورت تنظيم شده و تحت نظارت است. اين دستگاه در اندازه‌هاي آزمايشگاهي، براي توليد ايزوتوپهاي ويژه مواد پرتوزا (راديواکتيو) و همين طور پرتو - داروها براي مصارف پزشکي و آزمايشگاهي؛ و در اندازه‌هاي صنعتي براي توليد برق ساخته مي‌شود. واکنشهاي هسته‌اي به دو صورت «شکافت» و «همجوشي»، بسته به نوع مواد پرتوزاي استفاده شده، انجام مي گيرد.
واکنشگاه ها - بسته به اينکه چه نوع کاربردي داشته باشند - از يکي از اين دو نوع واکنش بهره مي‌گيرند. در واکنشگاه، دو ميله ماده پرتوزا - يکي به‌ عنوان سوخت و ديگري به ‌عنوان آغازگر – به کار مي‌رود. ميزان اين دو ماده - بسته به نوع واکنش و اندازه واکنشگاه و نوع فراورده نهايي - بدقت محاسبه و بررسي مي‌شود. در واکنشگاه هسته‌اي، هميشه دو عنصر پرتوزا به يک يا چند عنصر پرتوزاي ديگر تبديل مي‌شوند که اين عناصر به دست آمده يا مورد مصرف صنعتي يا پزشکي دارند يا به صورت پسماند هسته‌اي نابود مي‌شوند.
حاصل اين فرايند مقادير زيادي انرژي است که به صورت امواج اتمي و الکترومغناطيس آزاد مي‌شود. اين امواج شامل ذرات نوترينو، آلفا، بتا، پرتو گاما، امواج نوري، فروسرخ، است که بايد به طور کامل بررسي شوند. امواج آلفا و بتا و گاماي توليدي از واکنش هسته‌اي به ‌عنوان محرک براي ايجاد واکنشهاي هسته‌اي ديگر، در رآکتورهاي مجاور، براي توليد ايزوتوپهاي ويژه به کار مي رود.
انرژي گرمايشي حاصل از اين واکنش و تبديل اين عناصر پرتوزا در واکنشگاه‌هاي صنعتي براي توليد بخار آب و توليد برق به کار مي‌رود. براي نمونه، انرژي حاصل از واکنش يک گرم اورانيوم معادل انرژي گرمايشي يک ميليون ليتر نفت خام است. قابل تصور است که اين ميزان انرژي با توجه به سطح پايداري ماده پرتوزا در واکنشهاي هسته‌اي تا چه ميزان مقرون به صرفه خواهد بود.
با اين حال، مشکلات استخراج و آماده سازي و نگهداري و ترابري مواد پرتوزاي به کار رفته در واکنشگاه‌هاي توليد برق و دشواريهاي زيست بومي که اين واکنشگاهها ايجاد مي‌کنند باعث افزايش نيافتن گرايش بشر به توليد برق از طريق اين انرژي شده است. بايد توجه داشت که ميزان تابش در اطراف واکنشگاه‌هاي هسته‌اي به اندازه‌اي بالاست که امکان زيست براي موجودات زنده در پيرامون واکنشگاه‌ها وجود ندارد. به همين علت، براي هر يک از رآکتورهاي هسته‌اي پوششهاي بسيار ضخيمي از بتون همراه با فلزات سنگين براي جلوگيري از نشت امواج الکترومغناطيس به بيرون ساخته مي‌شود.
مشکلاتي که نشت مواد پرتوزا از واکنشگاه نيروگاه اتمي «چرنوبيل» در دهه 80 ميلادي به وجود آورد خود گواهي بر اين مدعاست.

کاربرد تابشهاي پرتوزا

بسياري از محصولات توليدي واکنش شکافت هسته‌اي بشدت ناپايدارند و در نتيجه، قلب رآکتور محتوي مقادير زيادي نوترون پرانرژي، پرتوهاي گاما، ذرات بتا، همچنين ذرات ديگر است. هر جسمي که در رآکتور گذاشته شود تحت مباران اين همه تابشهاي متنوع قرار مي‌گيرد.
يکي از موارد استعمال تابش رآکتور توليد پلوتونيوم 239 است . اين ايزوتوپ نيمه عمري در حدود 24000 سال دارد و به مقدار کمي در زمين يافت مي‌شود. پلوتونيوم 239 از لحاظ کارايي شکافت خاصيتي مشابه اورانيوم دارد. براي توليد پلوتونيوم 239، ابتدا اورانيوم 238 را در قلب رآکتور قرار مي‌‌دهند که در نتيجه واکنشهايي که صورت مي‌‌گيرد اورانيوم 239 به وجود مي‌‌آيد. اورانيوم 239 ايزوتوپي ناپايدار است که با نيمه عمري در حدود 24 دقيقه، از طريق گسيل ذره بتا، به نپتونيوم 239 تبديل مي‌شود. نپتونيوم 239 نيز با نيمه عمر 2/4 روز و گسيل ذره بتا واپاشيده و به محصول نهايي يعني پلوتونيوم 239 تبديل مي‌شود. در اين حالت، پلوتونيوم 239 همچنان با مقاديري اورانيوم 238 آميخته است؛ اما اين آميزه چون از دو عنصر مختلف تشکيل شده است، بروش شيميايي مناسب جدا سازي است.
امروزه، با استفاده از تابش رآکتور، صدها ايزوتوپ مفيد مي‌توان توليد کرد که بسياري از اين ايزوتو‌هاي مصنوعي را در پزشکي به کار مي برند. آثار زيانبار انفجارهاي اتمي و پرتوهاي ناشي از آن باعث آلودگي آبهاي زيرزميني و زمينهاي کشاورزي و حتي محصولات کشاورزي مي‌شود؛ ولي با همه اين مضرات، اورانيوم عنصري است ارزشمند، زيرا در کنار همه سوءاستفاده‌ها مي‌‌توان از آن به بهترين نحو و مطابق با معيارهاي بشردوستانه استفاده کرد. فراموش نکنيد که از اورانيوم و پلوتونيوم مي‌‌توان استفاده‌هاي صلح آميز نيز داشت؛ زيرا از انرژي يک کيلوگرم اورانيوم 235 مي‌‌توان چهل هزار کيلووات ساعت الکتريسيته توليد کرد که معادل مصرف ده تن زغال سنگ يا 50000 گالن نفت است.

آشنايي با اجزاي رآکتورهاي هسته اي

در حالى كه توليد انرژى با استفاده از سوختهاى فسيلى در جهان روز بروز گرانتر مى شود، برق هسته اى كه در نيروگاههاى هسته اى و با استفاده از واكنش شكافت هسته اى توليد مى شود منبع بسيار خوبى براى توليد انرژى و جايگزينى آن با برق فسيلى به شمار مى رود. توليد برق به روش هسته اى - ضمن آنكه پايان ناپذير است - گازهاى گلخانه اى هم توليد نمى كند. تنها مشكل آن زباله هاى هسته اى است كه در صورتى كه از آنها درست محافظت کنيم، عملاً هيچ ضررى براى محيط زيست ندارد.

رآكتورهاى شكافت:

بر اثر شكافت هسته هاى سنگين مثل اورانيوم و تبديل آن به هسته هاى سبكتر و پرتوهاي آلفا يا بتا و نوترون، مقدارى انرژى جنبشى هم آزاد مى شود. اگر جرم محصولات شكافت را از جرم ماده ابتدايي كم كنيم، مقدار ناچيزى باقى مى ماند. اين مقدار ناچيز طبق معادله معروف «اينشتين»، E=mc2، تبديل به انرژى جنبشى مى شود. گرماى توليد شده با شكافت در قلب رآكتور با ميله هايى تنظيم مى شود. نوترونها تحريك كننده شكافت اند.
با قرار دادن جذب كننده هاى نوترونى بين اورانيوم مى توان ميزان فرايند شكافت و سرعت آن و در نتيجه شدت گرماى توليدشده را مهار كرد. گرماى حاصل با آب به بيرون از رآكتور منتقل مى شود. دماى آب درون چرخه تحت فشار گاهى به چندين برابر نقطه جوش مى رسد. در بيرون از رآكتور، اين گرما آب موجود در منبع ديگر را بخار مى كند و بخار آب توليد شده با انرژى زيادى كه دارد توربينهاى بخار را به حركت در مى آورد و برق توليد مى شود.

قلب رآكتور:

فرايند شكافت معمولاً نوترونهاى سريع توليد مى كند؛ اما براى اينكه هسته اورانيوم شكافته شود، به نوترون كند نياز است. براى اين كار، از كندكننده هاى نوترونى استفاده مى شود. گرافيت و آب سنگين توان اين كار را دارند.

واكنش زنجيره اى:

هر نوترون كند اورانيوم را مى شكافد؛ حاصل علاوه بر هسته هاى كوچكتر تعدادى نوترون است كه خود هسته هاى اورانيوم ديگر را مى شكافد. به اين فرايند واكنش زنجيره اى مى گويند كه اساس كار رآكتور است.

نخستين رآكتورهاى هسته اى:

فرمى و زيلارد نخستين كسانى بودند كه توانستند واكنش زنجيره اى كاملي را در رآكتوري هسته اى انجام دهند. آنها در دهه 1940 كه روى طرح ساخت بمب هسته اى براى ايالات متحده (منهتن) كار مى كردند در دانشگاه شيكاگو و در آزمايشگاهشان اين كار را انجام دادند؛ اما در سال 1955 كه انديشه اقتصادى شدن انرژى هسته اى رواج يافت، آنها اين كشف را در اداره اختراعات و اكتشافات ايالات متحده ثبت كردند.

انواع رآكتورها:

رآكتورها از لحاظ سرعت عملشان به دو دسته تقسيم مى شوند:
1 ـ رآكتورهاى گرمايى؛ كه سرعت كمى دارند و فرايند شكافت و توليد گرما در آنها به آرامى انجام مى شود. بيشتر اين رآكتورها استفاده صلح آميز دارند.
2- رآكتورهاى سريع: هدف اصلى اين رآكتورها توليد سوخت لازم براى سلاحهاى هسته اى است. پلوتونيوم و اورانيوم 235 از محصولات اين رآكتورهاست

راکتورهاي هسته اي

مقدمه:

شکافت هسته اي اتم اورانيم 235 در واقع در اثر نفوذ يک نوترون حرارتي به درون هسته يک اتم سنگين است که باعث شکافت آن به دوپاره از هسته هاي جديد و سبکتر مي گردد. در ضمن در عمل شکافت به طور متوسط 2-3 نوترون ايجاد شده و مقداري انرژي تابشي گاما آزاد مي گردد. انرژي سينتيک محصولات شکافت و نوترون ها به مواد اطراف خود از طريق برخورد و جذب پرتو به توليد گرما منجر خواهد شد. انرژي آزاد شده از هر شکافت حدود 11-10*3.2 ژول است در حاليکه توليد انرژي از منابع متعارف سوخت فسيلي که حاصل تشکيل يک مولکول دي اکسيد کربن هست حدود
19-10*6.7 مي باشد.
نوکلوييدهاي غير قابل شکافت هم در طي فرآيندهاي بالا با دريافت و يا برخورد با يک نوترون با ايزوتوپ هايي به تعداد نوترون بالاتر تبديل خواهد شد. بدين ترتيب راديونوکلوئيد هاي جديدي خواهيم داشت که درميان آنها پاره هاي شکافت مواد شکافت پذير جديدي مثل اورانيم235، پلوتونيم 239 وجود داشته و پلوتونيم 241 نيز به طور مصنوعي مي تواند زايش پيدا کند.
اين فرآيندهاي فيزيکي در راکتورهاي هسته اي اتفاق مي افتد. درون ميله هاي سوخت فرآيندهاي شکافت و زايش در اثر واکنش زنجيره اي صورت مي گيرد و واکنش با توليد نوترون به طور دائم ادامه مي يابد.
راکتورهاي هسته براي اهداف فراواني طراحي و ساخته مي شوند که بعضي از آنها عبارتند از:
- راکتورهاي توليد حرارت و برق
- راکتورهاي کِشنده
- راکتورهاي تحقيقاتي
- راکتورهاي توليد پلوتونيم
- راکتورهاي اختصاصي براي مقاصدي همچون ساخت زيردريايي، فضا پيما، آب شيرين کن و...
ساختار عمومي راکتورهاي هسته اي:
بخش مرکزي راکتور هسته اي جدا از آزمايشگاه ها، بخش هاي جانبي و خدماتي آن از يک ساختمان ويژه اي تشکيل شده است که ويژگي آن نه فقط به دليل جادادن وسايل خاص راکتور، بلکه به لحاظ استحکام، ويژگي مصالح ساختماني، ايزوله يا منزوي بودن از محيط زيست، مقاومت در مقابل زلزله، خوردگي و دسترسي به سرويس هاي مخصوص کاملاً استثنايي است.
يک راکتور هسته اي جدا از سازه هاي ساختماني به طور کلي از قسمت هاي زير تشکيل شده است:
1 ـ مجموعه هاي سوخت
2 ـ کند کننده ها
3 ـ خنک کننده ها
4 ـ سيستم هاي ايمني
5 ـ ميله هاي کنترل
6 ـ حفاظ هاي مختلف
در اينجا به بحث مختصري درباره ي هرکدام از اين قسمت ها پرداخته مي شود:
1 ـ مجموعه هاي سوخت
سوخت يک راکتور هسته اي را ممکن است شامل آنچه که در قلب راکتور به عنوان سوخت وجود دارد در نظر گرفت. به عبارت واقعي تر سوخت راکتور در چندين مجموعه سوخت و هر مجموعه متشکل از چندين ميله سوخت و هر ميله شامل تعداد معيني از قرص ها يا حبه هاي مواد شکافت پذير هسته اي مثل اورانيم و يا در بعضي موارد پلوتونيم مي باشد. ميله هاي سوخت در راکتور به صورت صفحه اي(Plate) و غناي اورانيم 235 تا 95 درصد مي رسد. هرميله ي سوخت از غلاف زير کالوي و شامل قطعاتي از قرص هاي دي اکسيد اورانيم است. زير کالوي 2 تا 4 يک آلياژ زير ******يم با عيار کمي از قلع، آهن، کرم و نيکل است؛ ميله هاي سوخت ممکن است به صورت انفرادي در جاهاي مخصوص خود گذاشته شود و يا ممکن است به صورت مجموعه هاي سوخت درون قلب راکتور به طور منظم قرارگيرند.
سوخت راکتور مخصوصاً راکتورها مخصوصا راکتورهاي قدرت به طور اصولي يا از عناصري شامل اتم هاي قابل شکافت تامين مي شوند و يا از اتم هاي ايزوتروپ عناصري که قابليت تبديل به اتم هاي قابل شکافت را دارند بنابراين اتم هاي قابل شکافت عبارتند از:

اورانيم 235 ، پلوتونيم 239 و اورانيم 233

اتم هاي مستعد با قابليت تبديل به اتم هاي قابل شکافت عبارتند از: اورانيم 238 و توريم 232
سوخت راکتورها از نظر فرآيندهاي استفاده در راکتورها بر اساس استراتژي کشور ممکن است به يکي از سه روش زير عمل گردد:
• يکبار استفاده از اورانيم و ارسال سوخت مصرف شده به انبار موقت و سپس دفن هميشگي آن
• استفاده چندباره از اورانيم و برقراري سيکل اورانيم-پلوتونيم با اعمال عمليات باز فرآوري روي آن
• استفاده از سيکل اورانيم-توريم به اين معني که توريم 232 ابتدا تبديل به اورانيم 233 مي شود و سپس اين اورانيم به عنوان سوخت در راکتورها مورد استفاه قرار مي گيرد.

2 ـ کند کننده ها

کند کننده ماده اي است که براي کند کردن نوترون هاي سريع تا انرژي هاي حرارتي در راکتورهاي هسته اي مورد استفاده قرار مي گيرند. گاهي اوقات همين کندکننده ها عمل سرد کنندگي راکتور را هم انجام مي دهد. موادي که مي توانند به عنوان کننده مورد استفاده قرارگيرند عبارتند از: آب، آب سنگين، گرافيت و گاهي اوقات هم بريليوم آب به دليل داشتن هيدروژن که عنصري سبک است و نيز فراواني و ارزاني آن مورد استفاده قرار مي گيرد. به طور کلي هرچه ماده کندکننده داراي قابليت کندکنندگي بهتري براي نوترون ها باشد درجه کمتري از سوخت غني شده مورد نياز خواهد بود. آب سنگين بهتر از گرانيت و گرانيت بهتر از آب داراي خاصيت کندکنندگي است، ولي توليد آب سنگين نسبتاً گران است و گرانيت هم تاثيرات نامطلوبي در نتيجه در نتيجه پرتوگيري از خود بروز مي دهد.
مشخصات يک کند کننده خوب:
• نوترون ها نبايد با کندکننده واکنش نشان دهد، چون در اينصورت بازدهي توليد نوترون کاهش يافته و راکتور به سمت خاموشي مي رود.
• نوترون ها بايد در محيط کندکننده ها در فاصله هاي کوتاهي پس از چند برخود کند شوند زيرا در غير اينصورت، نوترون توسط اورانيم 238 گير افتاده و موجب تشديد ناخالصي هاي کند کننده مي شود که اين وضعيت اقتصادي نيست.
• گرچه کند کننده ها بايد ارزان باشند ولي در عين حال خواص ساختاري آنها بايد رضايت بخش هم باشد.
• کندکننده بايد با ساير مواد ساختاري راکتور سازگار باشد و نبايد خواص خورندگي، سايندگي و يا تحت تاثير پرتوهاي راديواکتيو قرار گيرد.
• کندکننده طي فرآيند دائمي بمباران هاي نوتروني نبايد تحت تاثيرات و تغييرات نامطلوب فيزيکي يا شيميايي قرار گيرد.
• يک کند کننده خوب بايد به طور مؤثر نوترون هاي سريع حاصل از شکافت را به نوترون هاي حرارتي تبديل کند.

3 ـ خنک کننده ها:

خنک کننده براي انتقال حرارت از ميله هاي سوخت به طور مستقيم مورد استفاده قرار مي گيرد. اين فقط در صورتي است که خنک کننده نقش کند کننده هم داشته باشد. در مواردي که ماده کند کننده ديگري مورد استفاده است در اين صورت انتقال حرارت معمولا توسط خنک کننده مستقيماً از کندکننده و غير مستقيم يا در بعضي موارد مستقيم از ميله هاي سوخت انجام مي پذيرد. اکثراً آب به عنوان سرد کننده مورد استفاده قرار مي گيرد. به هر حال گاهي اوقات آب سنگين، فلزات مايع(سديم و پتاسيم) يا حتي گازها(دي اکسيدکربن) هم ممکن است مورد استفاده واقع شوند. امروزه در اکثر راکتورهاي تجاري آب به عنوان سردکننده مورد استفاده قرار مي گيرد. در اينصورت آب علاوه بر نقش سرد کنندگي وظيفه کند کنندگي را نيز انجام مي دهد.
خواص ايده آل براي يک خنک کننده:
• سطح مقطع جذب نوتروني کوچکي داشته باشد، در اين صورت ميزان تابش راديواکتيويته در حين کارگرداني اپراتوري کاهش مي يابد.
• فراوان و ارزان باشد.
• غيرخورنده يا خوردگي کمي داشته باشد، چون لوله ها و ساختارهاي ديگر که با آن در تماس هستند بايد سالم بمانند.
• ضريب انتقال حرارتي بالا داشته باشد. به اين ترتيب حرارت به سهولت به سرد کننده انتقال يافته و جابجا خواهد شد.
• ويسکوزيته يا غلظت کم داشته باشد که سبب کاهش مصرف کمتر برق براي پمپ کردن آن مي شود.
• داراي توانايي نگهداري درجه حرارت هاي بالا به صورت مايع، حتي اگر تحت فشار باشد.
خنک کننده هايي که در راکتورهاي تحقيقاتي يا تجاري استفاده شده اند عبارتند از:
• آب سبک يا سنگين(اولي شامل دو اتم هيدروژن است و دومي شامل دو يا يک اتم دوتريم مي باشد)
• فلز مايع (مثل سديم، پتاسيم يا آلياژي از ترکيب هر دو)
• مواد آلي مايع (مثل اتانول، پروپان، پنتان، هوا يا گاز دي اکسيد کربن)

4 ـ سيستم هاي ايمني در راکتور

وظايف دستگاه ها و سيستم هاي کنترل(I&C) در راکتورهاي هسته اي شامل اندازه گيري، کنترل، تنظيم، چک کردن و حفاظت است. عمليات اجرايي راکتور بر اساس نيازهاي فيزيکي، شيميايي، فرآيندهاي مهندسي و اپراتوري است که به عهده سيستم ها و دستگاه هاي آن گذاشته شده است. سيستم دستگاهي و کنترل ممکن است به دوبخش ايمني و اپراتوري يا کارگرداني تقسيم شوند. حفاظت راکتور و محيط زيست به عهده سيستم هاي ايمني گذاشته شده است. اين سيستم¬ها غالبا در مواقع ضروري کارمي کنند و در دوران بهره برداري و خارج از وضعيت اضطراري اکثرا غيرفعال هستند. قابليت عملکرد اين دستگاه هاي نصب شده اضافي دائما بطور خود مونيتورينگ و تست هاي دوره اي بررسي مي شوند. کنترل قدرت راکتور معمولا در بخشي از I&C ايمني ملحوظ و منظور مي گردد. کنترل و دستگاه هاي اوپراتوري شامل تمام سيستم هايي است که کارگرداني و يا عملکرد طبيعي و بدون خطر يک راکتور هسته اي را تضمين و مطمئن مي سازد. به همين دليل ممکن است آنرا به گروه هاي اجرايي وکارهاي پيچيده اي که در خط فرآيند است تقسيم نمود.

5 ـ ميله هاي کنترل

ميله هاي کنترل براي تنظيم توزيع قدرت در راکتور در زمان اپراتوري مورد استفاده قرار مي گيرند. مهمترين وظيفه ميله هاي کنترل که بين ميله هاي سوخت قرار مي گيرند، براي خاموش کردن يا متوقف کردن فرآيند شکافت هسته اي در زمان هايي که لازم است، چنين عملي انجام شود. خاموش کردن راکتور مي تواند از طريق کنترل اتوماتيک يا توسط اپراتور انجام پذيرد. ميله هاي کنترل از موادي ساخته شده اند که خيلي سريع با جذب نوترون ها واکنش هاي هسته اي را متوقف مي کنند. موادي که به اين منظور استفاده مي شوند عبارتند از کربور نقره، اينديم، کادميم و هافنيوم. ميله هاي کنترل به داخل وخارج از ميله هاي سوخت حرکت کرده و نرخ واکنش هسته اي را تنظيم مي نمايند.
در راکتورهاي هسته اي دونوع کنترل وجود دارد:
• کنترل آرام، براي جلوگيري از به وجود آمدن قدرت زياد و برقراري قدرت متعادل راکتور. اين کنترل بيشتر توسط محلول هاي برن و يا افزايش يا کاهش آن در کندکننده ها اعمال مي گردد.
• کنترل سريع، براي کاهش سريع قدرت راکتور و يا خاموش کردن راکتور از مجموعه ميله هاي کنترل که ممکن است به صورت دستي يا اتوماتيک باشند استفاده مي شود. در مواقع اضطراري، ميله هاي کنترل با شتاب به صورت اتوماتيک به داخل ميله هاي سوخت سقوط مي کنند و سبب خاموشي راکتور مي گردند.

6 ـ حفاظت راکتور

وظيفه سيستم حفاظت از راکتور اطمينان از آشکارسازي تمام حوادث پيش بيني شده در طراحي و اعتماد از امکان انجام عمليات حفاظتي مي باشد. اين برنامه و تمهيدات بايد اطمينان دهد راکتور هميشه بطور ايمن کار مي کند. حوادث، بخش هايي از يک حادثه بزرگتر هستند که به کارگرداني راکتور ديکته مي کند که به دلايل ايمني کار راکتور بايد قطع شود. بنابراين داده هاي آنالوگ سيستم ارزياب، فرآيندهاي ويژه منجر به حادثه احتمالي را شناسايي کرده و از طريق يک سيستم ديگر علائمي را توليد مي کند که نشان مي دهد حدود آن نارسايي ها و يا اشکالات از حد معيني فراتر رفته است. اين علائم واقعي آغاز انحراف يا لغزش راکتور از حالت طبيعي است که ترجيحا تمام عمليات کارگرداني را تحت کنترل درمي آورد و متعاقبا فعال شدن تمام سيستم هاي مهندسي ايمني را براي کنترل حادثه، باعث مي گردد. در تمام موارد، شناسايي و آشکارسازي مبتني بر فرآيندهاي متفاوتي است که هر نوع ابهامي را در رابطه با سيستم آشکارسازي حادثه و قصورهاي رايج در سيستم ارزيابي داده ها رفع مي کند. وسايل و ابزار اضافي تکميلي چنان، اطميناني را فراهم مي آورند که با حفاظت به موقع راکتور اثرات سوء حادثه هاي احتمالي کاهش يابد. وسايل اضافي مبتني بر انجام وظيفه هاي انحصاري، به طور فيزيکي از نظر محل قرارگيري طوري از يکديگر جداشده اند که در مقابل حوادث بيروني مي توانند سالم باقي بمانند. تابلوي وضعيت سيستم حفاظت راکتور را در تمام زمان هاي کار عادي راکتور و شرايط اضطراري به طور بسيار روشن و واضح به پرسنل کارگرداني اعلام مي نمايد. تست هاي دوره اي با دستگاه هاي مخصوص تست کردن انجام مي شوند. قصورهاي آشکار و نهان در کانال هاي مربوطه توسط خويش گزارشگر اعلام مي شوند.
نوع ديگر حفاظت با نام حفاظت راديولوژيکي و کنترل پرتوگيري وجود دارد که وظيفه آن عبارتست از کاهش پرتوگيري و آلودگي داخل راکتورها و محيط زيست در کمترين حد ممکن. سيستم هاي مختلف کنترل پرتوگيري، اندازه گيري و ثبت پرتوها را در تمام مناطق کنترل شده انجام مي دهد. سيستم هاي مختلف کنترل پرتوگيري امکان بررسي ميزان دز تابش محلي، منطقه اي، محيط زيست، پرتوگيري پرسنلي و همچنين ميزان نشت پسمان هاي مايع، گاز و جامد را فراهم مي کند. سيستم هاي کنترل پرتوگيري، دستگاه هاي نصب شده دائمي هستند که بخشي از مجموعه سيستم I&C محسوب مي شوند. مونيتورهاي ثابت بررسي نمونه هاي محلي را بطور دائم و يا متناوب انجام مي دهند و مونيتورهاي متحرک شامل دستگاه هاي اندازه گيري پرتو در محل هاي متفاوت نصب هستند.
نيروگاههاي هسته اي حدود 17 درصد برق را تأمين مي کنند برخي کشورها براي توليد نيروي الکتريکي خود، وابستگي بيشتري به انرژي هسته اي دارند. براساس آمار آژانس انرژي اتمي، 75 درصد برق کشور فرانسه در نيروگاههاي هسته اي توليد مي شود و در ايالات متحده، نيروگاههاي هسته اي 15 درصد برق را تأمين مي کنند. بيش از چهارصد نيروگاه هسته اي در سراسر دنيا وجود دارد که بيش از يکصد عدد آنها در ايالات متحده واقع شده است. يک نيروگاه هسته اي بسيار شبيه به يک نيروگاه سوخت فسيلي توليد کننده انرژي الکتريکي است و تنها تفاوتي که دارد، منبع گرمايي توليد بخار است. اين وظيفه در نيروگاه هسته اي برعهده رآکتور هسته اي است.

رآکتور هسته اي

همه رآکتورهاي هسته اي تجاري از طريق شکافت هسته اي گرما توليد مي کنند. همانطور که مي دانيد، شکافت اورانيوم نوترون هاي زيادي آزاد مي کند، بيشتر از آنکه لازم باشد. اگر شرايط واکنش مساعد باشد فرآيند به طور خود به خودي انجام مي شود و يک زنجيره از شکافت هاي هسته اي به وجود مي آيد. نوترونهايي که از فرآيند شکافت آزاد مي شوند، بسيار سريعند و هسته هاي ديگر نمي توانند آنها را به راحتي جذب کنند. از اين رو در اکثر رآکتورها قسمتي به نام کند کننده نوترون وجود دراد که در آن از سرعت نوترونها کاسته مي شود و در نتيجه نوترونها به راحتي جذب مي شوند. چنين نوترونهايي آن قدر کند مي شوند تا با هسته راکتور به تعادل گرمايي برسند. نام گذاري اين نوترونها به نوترونهاي گرمايي يا نوترونهاي کند هم از همين رو است.
مقدار انرژي گرمايي که در يک رآکتور پارامتر بحراني است و با کنترل آن مي توان رآکتور را در حالت عادي نگاه داشت. اين کار با تنظيم تعداد ميله هاي کنترل درون رآکتور صورت مي گيرد. ميله کنترل از مواد جذب کننده نوترون ساخته شده است و با افزايش يا کاهش جذب نوترون، مي توان گسترش واکنش زنجيره اي را کاهش يا افزايش داد. البته با استفاده از کند کننده هاي نوترون يا تغيير دادن نحوه قرار گيري ميله هاي سوخت هم مي توان انرژي خروجي رآکتور را کنترل کرد.

طراحي يک رآکتور

رآکتورهاي هسته اي براي انجام واکنش هاي هسته اي در مقياس وسيع طراحي مي شوند. گرما، اتمهاي جديد و تابش بسيار شديد نوترون، محصولات واکنش انجام شده در رآکتور هستند و بسته به استفاده اي که از رآکتور مي شود، از يکي از محصولات استفاده مي شود. در يک نيروگاه هسته اي توليد برق از انرژي گرمايي توليد شده براي چرخاندن توربين و درنهايت توليد انرژي الکتريکي استفاده مي شود. در برخي رآکتورهاي نظامي و آزمايشي بيشتر از باريکه نوترون پر انرژي استفاده مي شود تا مواد ساده را به عناصر کم ياب و جديدي تبديل کنند.
هدف از رآکتور هر چه باشد، براي به دست آوردن اين محصولات لازم است يک واکنش هسته اي زنجيره اي به طور پيوسته ادامه يابد. براي ادامه يک واکنش زنجيره اي هم رآکتور بايد در حالت بحراني يا فوق بحراني قرار داشته باشد. کند کننده و وسيله کنترل در فراهم آوردن چنين شرايطي نقش بسيار مهمي برعهده دارند.
رآکتوري که از کند کننده استفاده مي کند، رآکتور گرمايي يا رآکتور کند ناميده مي شود. اين رآکتورها با توجه به نوع کند کننده اي که مورد استفاده قرار مي گيرد طبقه بندي مي شوند. آب معمولي ( آب سبک )، آب سنگين و گرافيت، مواد رايج کند کننده هستند. البته گرافيت مشکلات فراواني را به وجود مي آورد و بسيار خطرآفرين است، مانند حادثه انفجار چرنوبيل يا آتش سوزي وانيدسکيل.
رآکتورهايي که از کند کننده ها استفاده نمي کنند، رآکتورهاي سريع خوانده مي شوند. در اين نوع رآکتورها فشار ذرات نوترون بسيار بالا است و از اين رو مي توان برخي واکنش هاي هسته اي را در آنها انجام داد که ترتيب دادن آنها در رآکتور کند بسيار مشکل است. شرايط خاصي که در رآکتورهاي سريع وجود دارد، سبب مي شود بتوان هسته اتم توريوم و برخي ايزوتوپ هاي ديگر را به سوخت هسته اي قابل استفاد تبديل کرد. چنين رآکتوري مي تواند سوختي بيش از حد نياز خود را توليد کند و به همين دليل به آن رآکتور سوخت ساز هم گفته مي شود.
در همه رآکتورها، قلب رآکتور که دماي بسيار زيادي دارد بايد خنک شود. در يک نيروگاه هسته اي، سيستم خنک ساز به نوعي طراحي مي شود که از گرماي آزاد شده به بهترين شکل ممکن استفاده شود. در اغلب اين سيستمها از آب استفاده مي شود. اما آب نوعي کند کننده هم محسوب مي شود و از اين رو نمي تواند در رآکتورهاي سريع مورد استفاده قرار گيرد. در رآکتورهاي سريع از سديم مذاب يا نمک هاي سديم استفاده مي شود و دماي عملياتي خنک ساز بالاتر است. در رآکتورهايي که براي تبديل مورد طراحي شده اند، به راحتي گرماي آزاد شده را در محيط آزاد مي کنند.
در يک نيروگاه هسته اي، رآکتور کند منبع آب را گرم مي کند و آن را به بخار تبديل مي کند. بخار آب توربين بخار را به حرکت در مي آورد ، توربين نيز ژنراتور را مي چرخاند و به اين ترتيب انرژي توليد مي شود. اين آب و بخار آن در تماس مستقيم با راکتور هسته اي است و از اين رو در معرض تابش هاي شديد راديواکتيو قرار مي گيرند. براي پيشگيري از هر گونه خطر مرتبط با اين آب راديواکتيو، در برخي رآکتورها بخار توليد شده را به يک مبدل حرارتي ثانويه وارد مي کنند و از آن به عنوان يک منبع گرمايي در چرخه دومي از آب و بخار استفاده مي کنند. بدين ترتيب آب و بخار راديواکتيو هيچ تماسي با توربين نخواهند داشت.

انواع رآکتورهاي گرمايي

در در رآکتورهاي گرمايي علاوه برکند کننده، سوخت هسته اي ( ايزوتوپ قابل شکافت القايي)، مخزن بخار و لوله هاي منتقل کننده آن، ديواره هاي حفاظتي و تجهيزات کنترل و مشاهده سيستم رآکتور نيز وجود دارند. البته بسته به اين که اين رآکتورها از کانالهاي سوخت فشرده شده، مخزن بزرگ بخار يا خنک کننده گازي استفاده کنند، مي توان آنها را به سردسته تقسيم کرد.
الف – کانالهاي تحت فشار در رآکتورهاي RBMK و CANDU استفاده مي شوند و مي توان آنها را در حال کارکردن رآکتور، سوخت رساني کرد.
ب – مخزن بخار پرفشار داغ، رايج ترين نوع رآکتور است و در اغلب نيروگاههاي هسته اي و رآکتورهاي دريايي ( کشتي، ناوهواپيمابر يا زيردريايي ) از آن استفاده مي شود. اين مخزن مي تواند به عنوان لايه حفاظتي نيز عمل کند.
ج – خنک سازي گازي: در اين رآکتورها به جاي آب، از يک سيال گازي شکل براي خنک کردن رآکتور استفاده مي شود. اين گاز در يک چرخه گرمايي با منبع حرارتي راکتور قرار مي گيرد و معمولاً از هليوم براي آن استفاده مي شود، هر چند که نيتروژن و دي اکسيد کربن نيز کاربرد دارند. در برخي رآکتورهاي جديد، رآکتور به قدري گرما توليد مي کند که گاز خنک کن مي تواند مستقيما يک توربين گازي را بچرخاند، در حالي که در طراحي هاي قديمي تر گاز خنک کن را به يک مبدل حرارتي مي فرستادند تا در يک چرخه ديگر، آب را به بخار تبديل کند و بخار داغ، يک توربين بخار را بگرداند.

بقيه اجزاي نيروگاه هسته اي

غير از رآکتور که منبع گرمايي است، تفاوت اندکي بين نيروگاه هسته اي و يک نيروگاه حرارتي توليد برق با سوخت فسيلي وجود دارد.
مخزن بخار تحت فشار معمولا درون يک ساختمان بتوني تعبيه مي شود که اين ساختمان به عنوان يک سد حفاظتي در برابر تابش راديواکتيو عمل مي کند. اين ساختمان هم درون يک مخزن بزرگتر فولادي قرار مي گيرد. هسته رآکتور و تجهيزات مرتبط با آن درون اين مخزن فولادي قرار گرفته اند و کارکنان مي توانند راکتور را تخليه يا سوخت رساني کنند. وظيفه اين مخزن فولادي، جلوگيري از نشت هر گونه گاز يا مايع راديواکتيو از درون سيال است.
در نهايت اين مخزن فولادي هم به وسيله يک ساختمان بتوني خارجي محافظت مي شود. اين ساختمان به قدري محکم است که در برابر اصابت يک هواپيماي جت مسافربري ( مشابه حادثه يازده سپتامبر ) هم تخريب نمي شود. وجود اين ساختمان حفاظتي دوم براي جلوگيري از انتشار مواد راديواکتيو در اثر هرگونه نشت از حفاظ اول ضروري است. در حادثه انفجار چرنوبيل، فقط يک ساختمان حفاظتي وجود داشت و همان موجب شد موادراکتيو در سطح اروپا پخش شود.

رآکتورهاي هسته اي طبيعي

در طبيعت هم مي توان نشانه هايي از رآکتور هسته اي پيدا کرد، البته به شرطي که تمام عوامل مورد نياز به طور طبيعي در کنار هم قرار گرفته باشند. تنها نمونه شناخته شده يک رآکتور هسته اي طبيعي دو ميليارد سال پيش در منطقه اوکلو در کشور گابون ( قاره آفريقا ) فعاليتش را آغاز کرده است. البته ديگر چنين رآکتورهايي روي زمين شکل نمي گيرند، زيرا واپاشي راديواکتيو اين مواد ( به خصوص U-235 ) در اين زمان طولاني 5/4 ميليارد ساله ( سن زمين )، فراواني U-235 را در منابع طبيعي اين رآکتورها بسيار کاهش داده است، به طوري که مقدار آن به پايين تر از حد مورد نياز آغاز يک واکنش زنجيره اي رسيده است.
اين رآکتورهاي طبيعي زماني شکل گرفتند که معادن غني از اورانيوم به تدريج از آب زيرزميني يا سطحي پر شدند. اين آب به صورت کند کننده عمل کرد و واکنش هاي زنجيره اي شديدي به وقوع پيوست. با افزايش دما، آب کند کننده بخار مي شد و رآکتور خاموش شد. پس از مدتي، اين بخارها به مايع تبديل مي شدند و دوباره رآکتور به راه مي افتاد. اين سيستم خودکار و بسته، يک رآکتور را کنترل مي کرد و براي صدها هزار سال، اين رآکتور را فعال نگاه مي داشت.
مطالعه و بررسي اين رآکتورهاي هسته اي طبيعي بسيار ارزشمند است، زيرا مي تواند به تحليل چگونگي حرکت مواد راديواکتيو در پوسته زمين کمک کند. اگر زمين شناسان بتوانند را از اين حرکت ها را شناسايي کنند، مي توانند راه حل هاي جديدي براي دفن زباله هاي هسته اي پيدا کنند تا روزي خداي ناکرده، اين ضايعات خطرناک به منابع آب سطح زمين نشت نکنند و فاجعه اي بشري به بار نياورند.

انواع رآکتورهاي گرمايي

الف – کند سازي با آب سبک:
a- رآکتور آب تحت فشار Pressurized Water Reactor(PWR)
b- رآکتور آب جوشان Boiling Water Reactor(BWR)
c- رآکتور D2G
ب- کند سازي با گرافيت:
a- ماگنوس Magnox
b- رآکتور پيشرفته با خنک کنندي گازي Advanced Gas-Coaled Reactor (AGR)
c- RBMK
d- PBMR
ج – کند کنندگي با آب سنگين:
a – SGHWR
b – CANDU
رآکتور آب تحت فشار، PWR
رآکتور PWR يکي از رايج ترين راکتورهاي هسته اي است که از آب معمولي هم به عنوان کند ساز نوترونها و هم به عنوان خنک ساز استفاده مي کند. در يک PWR، مدار خنک اوليه از آب تحت فشار استفاده مي کند. آب تحت فشار، در دمايي بالاتر از آب معمولي به جوش مي آيد، از اين دوچرخه خنک ساز اوليه را به گونه اي طراحي مي کنند که آب با وجود آنکه دمايي بسيار بالا دارد، جوش نيايد و به بخار تبديل نشود. اين آب داغ و تحت فشار در يک مبدل حرارتي، گرما را به چرخه دوم منتقل ميکند که يک نوع چرخه بخار است و از آب معمولي استفاده مي کند. دراين چرخه آب جوش مي آيد و بخار داغ تشکيل مي شود، بخار داغ يک توربين بخار را مي چرخاند، توربين هم يک ژنراتور و در نهايت ژنراتور، انرژي الکتريکي توليد مي کند.
PWR به دليل دارابودن چرخه ثانويه با BWR تفاوت دارد. از گرماي توليدي در PWR به عنوان سيستم گرم کننده درنواحي قطبي نيز استفاده شده است. اين نوع رآکتور، رايج ترين نوع رآکتورهاي هسته اي است و در حال حاضر، بيش از 230 عدد از آنها در نيروگاههاي هسته اي توليد برق و صدها رآکتور ديگر براي تأمين انرژي تجهيزات دريايي مورد استفاده قرار مي گيرند.
خنک کننده
همان طور که مي دانيد، برخورد نوترونها با سوخت هسته اي درون ميله هاي سوخت، موجب شکافت هسته اتمها مي شود و اين فرآيند هم به نوبه خود، گرما و نوترونهاي بيشتري آزاد مي کند. اگر اين حرارت آزاد شده منتقل نشود، ممکن است ميله هاي سوخت ذوب شوند و ساختار کنترلي رآکتور از بين برود ( و البته خطرهاي مرگ آوري که به دنبال آن روي مي دهند. ) در PWR، ميله هاي سوخت به صورت يک دسته در ساختاري، ترسيمي قرار گرفته اند و آب از کف رآکتور به بالا جريان پيدا مي کند. آب از ميان اين ميله هاي سوخت عبور مي کند و به شدت گرم مي شود، به طوري که به دماي 325 درجه سانتي گراد مي رسد. درمبدل حرارتي، اين آب داغ موجب داغ شدن آب در چرخه دوم مي شود و بخاري با دماي 270 درجه سانتي گراد توليد مي کند تا توربين را بچرخاند.

کند کننده

نوترونهاي حاصل از يک شکافت هسته اي بيش از آن حدي گرمند که بتوانند يک واکنش شکافت هسته اي را آغاز کنند. انرژي آنها را بايد کاهش داد تا با محيط اطراف خود به تعادل گرمايي برسند. محيط اطراف نوترونها ( قلب رآکتور ) دمايي در حدود 450 درجه سانتي گراد دارد.
در يک PWR، نوترونها در پي برخورد با مولکولهاي آب خنک ساز، انرژي جنبشي خود را از دست مي دهند؛ به طوري که پس از 8 تا 10 برخورد ( البته به طور متوسط ) با محيط هم دما مي شوند. در اين حالت، احتمال جذب نوترونها از سوي هسته U-235 بسيار زياد است ودر صورت جذب، بالافاصله هسته U-236 جديد دچار شکافت مي شود.
مکانيسم حساسي که هر رآکتور هسته اي را کنترل مي کند، سرعت آزاد سازي نوترونها در طول يک فرآيند شکافت است به طور متوسط از هر شکافت، دونوترون و مقدار زيادي انرژي آزاد مي شود. نوترونهاي آزاد شده اگر با هسته U-235 ديگري برخورد کنند، شکافت ديگري را سبب مي شوند و در نهايت يک واکنش زنجيره اي روي مي دهد. اگر تمام اين نوترونها در يک لحظه آزاد شوند، تعدادشان به قدري زياد مي شود که باعث ذوب شدن راکتور خواهد شد. ( تعداد ذرات پر انرژي، دماي يک سيستم را تعيين مي کند. معادله بوتنرمن، اين ارتباط را توصيف مي کند. ) خوشبختانه برخي از اين نوترونها پس از يک بازه زماني نه چندان کوتاه ( حدود يک دقيقه ) توليد مي شوند و سبب مي شوند ديگر عوامل کنترل کننده از اين تاخير زماني استفاده کرده، اثر خود را داشته باشند.
يکي از مزيت هاي استفاه از آب در PWR، اين است که اثر کند سازي آب با افزايش دما کاهش مي يابد. در حالت عادي، آب در فشار 150 برابر فشار يک اتمسفر قرار دارد ( حدود 15 مگا پاسکال ) و در قلب رآکتور به دماي 325 درجه سانتي گراد مي رسد. درست است که آب با فشار پانزده مگا پاکسال در اين دما جوش نمي آيد، ولي به شدت از خاصيت کند کنندگي اش کاسته مي شود، بنابراين آهنگ واکنش شکافت هسته اي کاهش مي يابد، حرارت کمتري توليد مي شود و دما پايين مي آيد. دما که کاهش يابد، توان رآکتور افزايش مي يابد و دما که افزايش يابد توان راکتور کاهش مي يابد؛ پس خود سيستم PWR داراي يک سيستم خود تعادلي در رآکتور است و تضمين مي کند توان رآکتور در کمترين ميزان مورد نياز براي تأمين گرماي سيستم بخار ثانويه است.
در اغلب رآکتورهاي PWR، توان رآکتور را در دوره فعاليت معمولي با تغييرات غلظت بورون ( در شکل اسيد بوريک ) در چرخه خنک کننده اوليه کنترل اوليه کنترل مي کنند سرعت جريان خنک کننده اول در رآکتورهاي PWR معمولي ثابت است. بورون يک جذب کننده قوي نوترون است و با افزايش يا کاهش غلظت آن، مي توان شدت فعاليت راکتور را کاهش يا افزايش داد. براي اين کار، يک سيستم کنترلي پيچيده شامل پمپ هاي فشار بالا که آب را در فشار 15 مگا پاسکال از چرخه خارج مي کند، تجهيزات تغيير غلظت اسيد بوريک و تزريق مجدد آب به چرخه خنک ساز مورد نياز است.
يکي از اشکالات راکتورهاي شکافت، اين است که حتي پس از توقف واکنش شکافت، هنوز هم واپاشي هاي راديواکتيوي انجام مي شود و حرارت زيادي آزاد مي شود که مي تواند راکتور را ذوب کند. البته سيستم هاي حفاظتي و پشتيباني متعددي براي جلوگيري از اين واقعه وجود دارند، با اين حال ممکن است در اثر پيچيدگي هاي اين سيستم، برهمکنش هاي پيش بيني نشده يا خطاهاي عملياتي مرگ آفريني در شرايط اضطراري روي دهند. در نهايت، هر رآکتور با يک حفاظ ساختماني بتوني احاطه شده است که آخرين سد در برابر تشعشعات راديواکتيو است.

رآکتور آب جوشان، BWR

در رآکتور آب جوشان، از آب سبک استفاده مي شود. آب سبک، آبي است که در آن فقط هيدروژن معمولي وجود دارد. ) BWR اختلاف زيادي با رآکتور آب تحت فشار ندارد، غير از اينکه در BWR فقط يک چرخه خنک کننده وجود دارد و آب مستقيما در قلب راکتور به جوش مي آيد. فشار آب در BWR کمتر از PWR است، به طوري که در بيشترين مقدار به 75 برابر فشار جو مي رسد ( 5/7 مگا پاسکال ) و بدين ترتيب آب در دماي 285 درجه سانتي گراد به جوش مي آيد.
رآکتور BWR به شکلي طراحي شده که بين 12 تا 15 درصد آب درون قلب رآکتور به شکل بخار در قسمت بالاي آن قرار مي گيرد. بدين ترتيب عملکرد بخش بالايي و پاييني هسته رآکتور با هم تفاوت دارند. در بخش بالايي قلب رآکتور، کند سازي کمتري صورت مي گيرد و در نتيجه بخش بالايي کمتر است.
در حالت کلي دو مکانيسم براي کنترل BWR وجود دارد: استفاده از ميله هاي کنترل و تغيير جريان آب درون راکتور.
الف – بالا بردن يا پايين آوردن ميله هاي کنترل، روش معمولي کنترل توان رآکتور در حالت راه اندازي رآکتور تا رسيدن به 70 درصد حداکثر توان است. ميله هاي کنترل حاوي مواد جذب کننده نوترون هستند؛ در نتيجه پايين آوردن آنها موجب افزايش جذب نوترون در ميله ها، کاهش جذب نوترون در سوخت و درنهايت کاهش آهنگ شکافت هسته اي و پايين آمدن توان رآکتور مي شود. بالا بردن ميله هاي سوخت دقيقاً نتيجه معکوس مي دهد.
ب – تغييرات جريان آب درون رآکتور، زماني براي کنترل رآکتور مورد استفاده قرار مي گيرد که راکتور بين 70 تا صد درصد توان خود کار مي کند. اگر جريان آب درون رآکتور افزايش يابد، حباب هاي بخار در حال جوش سريع تر از قلب راکتور خارج مي شوند و آب درون قلب رآکتور بيشتر مي شود. افزايش مقدار آب به معني افزايش کندسازي نوترون و جذب بيشتر نوترونها از سوي سوخت است و اين يعني افزايش توان راکتور. با کاهش جريان آب درون رآکتور، حباب ها بيشتر در رآکتور باقي مي مانند، سطح آب کاهش مي يابد و به دنبال آن کندسازي نوترونها و جذب نوترون هم کاهش مي يابد و در نهايت توان رآکتور کاهش مي يابد.
بخار توليد شده در قلب رآکتور از شيرهاي جدا کننده بخار و صفحات خشک کن ( براي جذب هر گونه قطرات آب داغ ) عبور مي کند و مستقيماً به سمت توربين هاي بخار که بخشي از مدار رآکتور محسوب مي شوند، مي رود. آب اطراف رآکتور همواره در معرض تابش و آلودگي راديواکتيو است و از آنجا که توربين هم در تماس مستقيم با اين آب است، بايد پوشش حفاظتي داشته باشد. اغلب آلودگي هاي درون آب عمر کوتاهي دارند ( مانند N16 که بخش اعظم آلودگي هاي آب را تشکيل مي دهد و نيمه عمرش تنها 7 ثانيه است )، بنابراين مدت کوتاهي پس از خاموش شدن رآکتور مي توان به قسمت توربين وارد شد.
در رآکتور BWR، افزايش نسبت بخار آب به آب مايع درون رآکتور موجب کاهش گرماي خروجي مي شود. با اين حال، يک افزايش ناگهاني در فشار بخار، سبب بروز يک کاهش ناگهاني در نسبت بخار به آب مايع درون رآکتور مي شود که خود، سبب افزايش توان خروجي مي شود. اين شرايط و ديگر حالت هاي خطرساز، موجب شده است از سيستم کنترلي اسيد بوريک ( بورون ) نيز استفاده شود، بدين شکل که در سيستم پشتيبان خاموش کننده اضطراري، محلول اسيد بوريک با غلظت بالا به چرخه خنک کننده تزريق مي شود. خوبي اين سيستم اين است که اسيد اوريک، يک خورنده قوي است و معمولا در PWR سبب مي شود تلفات ناشي از خوردگي قابل توجه باشد. در بدترين شرايط اضطراري که تمام سيستم هاي امنيتي از کار افتاد، هر رآکتور به وسيله يک ساختمان حفاظتي از محيط اطراف جدا شده است. در يک رآکتور BWR جدي، حدود 800 دسته واحد سوخت قرار مي گيرد و در هر دسته بين 74 تا 100 ميله سوخت قرار مي گيرد. اين چنين حدود 140 تن اورانيوم در قلب رآکتور ذخيره مي شود.
رآکتور D2G
رآکتور هسته اي D2G را مي توان در تمام ناوهاي دريايي ايالات متحده مي توان پيدا کرد. D2G مخفف عبارت زيراست:
رآکتور ناو جنگي D=Destroyer-sized reactor
نس دوم 2=Second Geneation
ساخت جنرال الکتريک G= General – Electric built
بدين ترتيب، D2G را مي توان مخفف اين عبارت دانست: رآکتور هسته اي نسل دوم ويژه ناوهاي جنگي ساخت جنرال الکتريک. اين رآکتور براي توليد حداکثر 150 مگا وات انرژي الکتريکي و عمر مفيد 15 سال مصرف معمولي طراحي شده است.
در اين رآکتور، براي مخزن بخار دو رآکتور وجود دارد و طوري طراحي شده که بتوان هر دو اتاق توربين را با يک رآکتور به راه انداخت. اگر هر دو رآکتور فعال باشند، ناو به سرعت 32 گره مي رسد. اگر يک رآکتور فعال باشد و توربين ها متصل به هم باشند، سرعت ناو به 25 تا 27 گره خواهد رسيد و اگر فقط يک رآکتور فعال باشد ولي توربين ها جدا باشند، سرعت فقط 15 گره خواهد بود

راکتورهاي اتمي

تصويري از يک راکتور
اولين انرژي کنترل شده ناشي از شکافت هسته در دسامبر 1942 بدست آمد. با رهبري فرمي ساخت و راه اندازي يک پيل از آجرهاي گرافيتي ، اورانيوم و سوخت اکسيد اورانيوم با موفقيت به نتيجه رسيد. اين پيل هسته‌اي ، در زير ميدان فوتبال دانشگاه شيکاگو ساخته شد و اولين راکتور هسته‌اي فعال بود.

تعريف راکتور هسته اي:

راکتورهاي هسته‌اي دستگاه‌هايي هستند که در آنها شکافت هسته‌اي کنترل شده رخ مي‌دهد. راکتورها براي توليد انرژي الکتريکي و نيز توليد نوترون‌ها بکار مي‌روند. اندازه و طرح راکتور بر حسب کار آن متغير است. فرآيند شکافت که يک نوترون بوسيله يک هسته سنگين (با جرم زياد) جذب شده و بدنبال آن به دو هسته کوچکتر همراه با آزاد سازي انرژي و چند نوترون ديگر شکافته مي‌شود.
راکتورها در اصل سيستمهايي هستند که واکنش هاي هسته اي مثل شکافت هسته‌اي در آنها صورت مي گيرد. و انرژي توليدي در آنها تحت کنترل در مي آيد. به عنوان مثال خورشيد يک راکتور هسته اي طبيعي است که در آن عناصر سبک هسته اي به هم جوش مي خورند (همجوشي هسته اي) و توليد انرژي مي کنند.
وسيله اي که در آن واکنش شکافت زنجيري کنترل شده انجام مي شود راکتور هسته اي نام دارد. ‏‏اورانيوم يا پلتونيوم ( عنصر پرتوزاي مصنوعي با عدد اتمي 94‏‎ ( Z=‎به عنوان ماده شکافت پذير ‏‏«سوخت هسته اي ) به کار مي رود. از راکتور ها جهت توليد انرژي ، براي به دست آوردن ‏‏ايزوتوپ هاي پرتوزا (از جمله عناصر فوق اورانيوم ، يعني عناصري و 92‏‎ Z =‎) و چشمه هاي ‏باريکه هاي قوي نوترون استفاده مي کنند‎.‎
‎پاره هاي شکافت در اورانيوم در فاصله کوتاهي (کمتر از?m ‏ 5) ‎کند مي شوند. در نتيجه ، تقريبا تمامي ‏انرژي آزاد شده در راکتور به صورت گرما در توده اورانيوم ظاهر مي شود. از اين گرما مثلا مي توان ‏براي گرم کردن و تبخير مايع جاري از اورانيوم که بعدا به کمک ‏‎‎توربين بخار يا بعضي از ماشين ‏هاي گرمايي ديگر به صورت انرژي الکتريکي يا مکانيکي درمي آيد استفاده کرد‎.‎
‎اولين نيروگاه هسته اي بر اين اساس در سال 1945 در روسيه ساخته شد. ساختمان اين راکتور بيانگر ‏اين است که بخش اصلي اين راکتور عناصر سوختش است که شامل اورانيوم مي باشد. عناصر "سوخت" به ‏صورت دو ديوار نازک از لوله هاي فولادي ضد زنگ ساخته شده اند که يکي‎ ‎ درون ديگري قرار دارد.
‎اورانيوم را بدون درز در فضاي ميان لوله محکم مي کنند، در حالي که از کاواک داخلي به عنوان کانال ‏براي عبور آب استفاده مي شود که گرماي آزاد شده از اورانيوم را در ضمن کار راکتور به خارج مي برد. ‏محکم کردن بدون درز از اين نظر لازم است که اورانيوم از لحاظ شيميايي ناپايدار است و ديگر اينکه مانع ‏نشت گازهاي پرتوزا خطرناکي شود که در نتيجه واکنش تشکيل مي شوند‏‎.‎
‎براي تسهيل گسترش واکنش زنجيري ، عناصر "سوخت" را از اورانيومي که با ايزوتوب سريعا ‏شکافت پذير اورانيوم 235 غني شده اند، درست مي کنند «اورانيوم غني شده که در راکتور مصرف مي کنند. ‏داراي 5 درصد‏‎ 235U‎در حالي که اورانيوم طبيعي فقط داراي 0.7 درصد از اين ايزوتوپ است ). کار ‏راکتور اورانيوم با پرتوزايي شديد همراه است. جهت حفاظت کارکنان از تابش پرتوزا و نوترون ها که مقادير ‏زياد آن نيز زيانبار است، راکتور را در محفظه اي با ديوار هاي ضخيم که از سيمان و مواد ديگر ساخته ‏شده اند قرار مي دهند‎.‎
‎امتياز بزرگ راکتور هسته اي به عنوان چشمه توليد انرژي هزينه کم سوخت آن است. مقدار گرمايي که ‏در ضمن شکافت يک گرم‎ U 235 ‎آزاد مي شود برابر با مقدار گرمايي است که از سوختن چند تن ذغال ‏سنگ به دست مي آيد. اين امر امکان مي دهد که راکتورها را در نواحي دور از‏‎ ‎ذخاير ذغال سنگ و نفت و حتي ‏دور از راه هاي حمل و نقل ( با کشتي، زيردريايي و هواپيما ) برپا سازند‎.‎
‎در روسيه ، چندين نيروگاه اتمي در مقياس بزرگ در حال کارند. چندين يخ شکن مجهز به ‏موتور هاي اتمي و زير دريايي هاي اتمي نيز ساخته شده است. در آينده نقش ‏‏مهندسي انرژي هسته اي مهم تر از اين خواهد شد‎.‎
‎بر طبق محاسبات انجام شده، با آهنگ امروزي مصرف انرژي کمبود ذغال سنگ و نفت حتي در 50 سال آينده حس ‏خواهد شد. استفاده از اورانيوم راهي براي خروج از اين مشکل است. زيرا انرژي ذخيره شده در ذخاير ‏اورانيوم 10 تا 20 برابر انرزي ذخيره شده در سوخت هاي آلي است. مسئله منابع انرژي پس ‏از مهار شدن واکنش هاي گداخت به کلي حل خواهد شد‎.‎
‎درنتيجه بمباران اورانيوم با نوترون ، ايزوتوپ‎ U 238 ‎به‎ U 239 ‎تبديل مي شود. اين ايزوتوپ ‏ناپايدار است و در نتيجه واپاشي ««ذره بتا به ايزوتوپ نپتونيوم 93‏‎ ( Np 239 ) ‎تبديل مي شود. اين ‏ايزوتوپ به نوبه خود ، با تحمل واپاشي بتا ، پس از زمان کوتاهي ( نيم عمر آن 2.35 روز است ) به ‏ايزوتوپ پلتونيوم 94 ، يعني‏‎ Pu 239 ‎تبديل مي شود. پلتونيوم 239 نيز ناپايدار است ، ولي به کندي ‏وا مي پاشد ( نيم عمر آن 24000 سال است). به اين دليل ممکن است به مقدار انبوهي انبار شود‎.‎
‎پلتونيوم 239 مانند اورانيوم 235 ، ( سوخت هسته اي )خوبي است که براي راکتورهاي هسته اي و بمب ‏هاي اتمي مناسب است. پلوتونيوم از راکتورهاي هسته اي مبتني بر اورانيوم طبيعي و کند کننده به دست مي ‏آيد. در چنين راکتورهايي بيشتر نوترون ها را‎ 238U ‎جذب مي کند که نتيجه آن تشکيل پلتونيوم است‎.‎
‎پلتونيوم انبار شده در اورانيوم را مي توان با روش هاي شيميايي جدا کرد. سوخت هسته اي مصنوعي ‏ديگر ايزوتوپ‎ 233U با نيم عمر 162000 است که در اورانيوم طبيعي وجود ندارد‏‎. 233U ‎نيز مانند ‏پلتونيوم ، در نتيجه بمباران توريم با نوترون تشکيل مي شود. به اين طريق مواد با شکافت پذيري کم‎) ‎ 238U و توريم ) مي توانند به سوخت هسته اي با ارزش تبديل شوند. اين امکان پذيري بسيار اساسي ‏است زيرا در پوسته زمين‎ 238U ‎و توريم خيلي بيشتر از‎ 236U ‎است‎.‎
‎نپتونيم و پلتونيوم معرف عناصر فوق اورانيوم هستند و در جدول تناوبي بعد از اورانيوم مي آيند‎.‎
رشته عناصر فوق اورانيوم بعد از پلتونيوم تا عنصري به عدد اتمي 107 ادامه دارد. عناصر فوق اورانيوم ‏در طبيعت کشف نشده اند. زيرا همه آنها پرتوزا بوده در مقايسه با سن زمين شناسي زمين نيم عمر کوتاهي ‏دارند‎.‎
‎‎‎در راکتور در حال کار ،جريان شديد نوترون ها در نتيجه شکافت مشاهده مي شود. از بمباران مواد ‏با نوترون ها مي توان ايزوتوب هاي پرتوزاي مصنوعي گوناگون در راکتور به دست آورد. چشمه پرتوزاي ديگر در راکتور پاره هاي شکافت اورانيوم هستند که اغلب شان ناپايدارند‎.‎
عناصر پرتوزاي مصنوعي کاربرد گسترده اي در علم و صنعت پيدا کرده اند. از موادي که اشعه ‏گاما گسيل مي کنند به جاي راديم خيلي گران ، براي امتحان اجسام فلزي کلفت با نور عبوري ، براي ‏‏مداواي سرطان و جز اينها استفاده مي شود. ‏
از خاصيت کشنده بودن مقادير زياد تابش گاما در موجودات ذره بيني براي نگهداري مواد غذايي استفاده مي ‏شود. اکنون از تابش پرتوزا در صنايع شيميايي استفاده مي شود. زيرا انجام بسياري از واکنش هاي شيميايي مهم را آسان مي کند‎.‎

انواع سوختهاي راکتور اتمي

اورانيوم
متداول ترين ماده سوخت براي راکتورهاي هسته‌اي اورانيوم است، که مي‌تواند به صورت خالص ، يعني اورانيوم فلزي و يا به صورت ترکيب مثل اکسيد اورانيوم و يا کربور اورانيوم بکار برود. اورانيوم ، فلز نسبتا نرم و قابل کششي است که در دماي بالا به آساني در هوا و آب اکسيد مي‌شود. نقطه ذوب آن 1133 درجه سانتيگراد است.
پلوتونيوم
چون فلز پلوتونيوم تا رسيدن به نقطه ذوب 640 درجه سانتيگراد داراي تعداد زيادي فاز بلوري است، سوخت مناسبي براي راکتور نمي‌باشد. به عنوان سوخت راکتور ، پلوتونيوم را به صورت ، PUO2 بکار مي‌برند. نقطه ذوب اين ترکيب 2400 درجه سانتيگراد است.
توريوم
به جز در چند راکتور با خنک کننده گازي دما - بالا ، توريوم تاکنون به عنوان سوخت راکتور کاربرد زيادي نداشته است. نقطه ذوب فلزات توريوم خالص حدود 1700 درجه سانتيگراد است. به علت پايداري بهتر ، اين عنصر برتر از اورانيوم است. اما ما به صورت خالص به عنوان سوخت بکار نمي‌رود. بلکه ان را به صورت دي اکسيد توريوم ThO2 کربوتريوم ThC2 بکار مي‌برند.
کند کننده‌ها
ويژگيهاي لازم براي کند کننده‌هاي راکتورهاي حرارتي ، يعني عدد جرمي پايين ، سطح مقطع جذب نوترون خيلي پايين ، سطح مقطع پراکندگي بالا و گزينش را به چند ماده محدود مي‌کنند. هيدروژن و دوتريوم ، کربن و برليوم تنها عناصري هستند که براي کند کنندگي مناسب‌اند. هيدروژن و دوتريم ، به علت گاز بودن ، به اندازه کافي چگال نيستند و بايد به صورت ترکيب بکار روند. بنابراين انتخاب کند کننده براي راکتورهاي حرارتي به سه ماده زير محدود مي‌شود.
آب :
آب يک انتخاب بديهي براي کند کننده راکتورهاي حرارتي است و مي‌تواند به عنوان خنک کننده هم بکار رود. آب داراي سطح مقطع جذب نسبتا بالايي است. کند کننده آب براي بحراني شدن نياز به اورانيوم غني شده دارند.
آب سنگين :
بسياري از خواص فيزيکي و ترموديناميکي آب سنگين شبيه آب معمولي است. فرق اساسي آب سنگين با آب معمولي در اين است که دوتريم سطح مقطع جذب خيلي کمتري نسبت به هيدروژن دارد.
گرافيت :
ويژگيهاي هسته‌اي اين ماده ، مثل قدرت کند کنندگي و سطح مقطع جذب به خوبي ويژگيهاي آب سنگين نيست. اما نوع خالص آن را مي‌توان تهيه کرد. خواص ساختاري و گرمايي آن خوب است اما در دماهاي بالا و هوا ترکيب مي‌شود. گرافيت داراي رسانندگي گرمايي بالايي است.
خنک کننده ها
ويژگيهاي خنک کننده‌ها
خواص ترموديناميکي خوب ، يعني رسانندگي گرمايي ، گرماي ويژه بالا و چسبندگي پايين.
عدم برهمکنش شيميايي با قسمتهاي ديگر راکتور.
سطح مقطع جذب نوتروني خيلي پايين.
پرتوزا نشدن در اثر واکنش‌هاي گاما - نوترون که ممکن است هنگام عبور خنک کننده از قلب راکتور رخ بدهد.
مواد مناسب خنک کننده
هليوم
هليوم گازي است بي اثر ، داراي خواص ترموديناميکي خوب و خطر تابش هم ايجاد نمي‌کند. بنابراين ظاهرا مي‌توان آن را به عنوان خنک کننده ايده آل راکتورهاي گازي تلقي کرد. اما متاسفانه به سادگي مقدار زياد آن قابل دسترسي نيست. در حال حاضر کاربرد اين گاز به عنوان خنک کننده راکتور محدود به چند راکتور دما – بالاي گازي در آمريکا و آلمان است.
فلزات مايع
فلزات مايع ، به دليل خواص ترموديناميکي خوبشان ، به خصوص رسانندگي گرمايي بالاي آنها ، خنک کننده‌هاي با لقوه خيلي خوبي براي راکتورها هستند. سديم ، ليتيم ، جيوه و آلياژهاي سديم – پتاسيم همه مناسب‌اند. ولي از ميان آنها سديم به مقدار قابل ملاحظه‌اي ، منحصرا در راکتورهاي سريع زاينده مورد استفاده قرار گرفته است.
حفاظ‌هاي راکتور
راکتورهاي هسته اي

ويژگي‌هاي مواد محافظ
سطح مقطع جذب نوترون خيلي پايين است.
رسانندگي گرمايي بالا دارند.
استحکام خوب در دماهاي بالا براي مقاومت در مقابل تنش حرارتي
تغيير شکل سوخت و فشار ناشي از انباشت پاره‌هاي شکافت در داخل حفاظ
مواد کنترل
موادي که براي راکتور مورد استفاده قرار مي‌گيرند بايد داراي سطح مقطع جذب بالايي باشند.
بور
بور متداول ترين ماده کنترل است. از بور به تنهايي نمي‌توان استفاده کرد. اما مي‌توان آن را با فولاد در آميخت يا به صورت کربور محبوس در کپسول‌هاي فولادي مورد استفاده قرار داد.
اينديم و کادميوم
اينديوم و کادميوم هر دو سطح مقطع جذب بالايي دارند. اما نقطه ذوب آنها پايين تر از آن است که بتوان از آنها در راکتورهاي قدرت استفاده کرد.
هافنيم
هافنيوم داراي استحکام مکانيکي کافي و مقاومت خوبي در برابر خوردگي است. لذا ماده کنترل خوبي است.
اگادولينيم
گادولينيم در بعضي راکتورهاي گازي پيشرفته به عنوان سم قابل سوختن بکار مي‌رود.

کاربردهاي راکتورهاي هسته‌اي

راکتورها انواع مختلف دارند برخي از آنها در تحقيقات ، بعضي از آنها براي توليد راديو ايزتوپهاي پر انرژي برخي براي راندن کشتي‌ها و برخي براي توليد برق بکار مي روند.
دوگروه اصلي راکتورهاي هسته اي بر اساس تقسيم بندي کاربرد آنها . راکتورهاي قدرت و راکتورهاي تحقيقاتي هستند. راکتورهاي قدرت مولد برق بوده و راکتورهاي تحقيقاتي براي تحقيقات هسته‌اي پايه ، مطالعات کاربردي تجزيه‌اي و توليد ايزوتوپها مورد استفاده قرار مي گيرند.
منبع:www.ngdir.ir
/س