رآکتور هسته اي
شکافت هسته اي
ميله هاي سوخت
طراحي يک رآکتور
در همه رآکتورها، قلب رآکتور که دماي بسيار زيادي دارد بايد خنک شود. در يک نيروگاه هسته اي، سيستم خنک ساز به نوعي طراحي ميشود که از گرماي آزاد شده به بهترين شکل ممکن استفاده شود. در اغلب اين سيستمها از آب استفاده ميشود. اما آب نوعي کند کننده هم محسوب ميشود و از اين رو نمي تواند در رآکتورهاي سريع مورد استفاده قرار گيرد. در رآکتورهاي سريع از سديم مذاب يا نمک هاي سديم استفاده ميشود 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 ميکنند.
در يک نيروگاه هسته اي، رآکتور کند منبع آب را گرم ميکند و آن را به بخار تبديل ميکند. بخار آب توربين بخار را به حرکت در ميآورد ، توربين نيز ژنراتور را ميچرخاند و به اين ترتيب انرژي توليد ميشود. اين آب و بخار آن در تماس مستقيم با راکتور هسته اي است و از اين رو در معرض تابش هاي شديد راديواکتيو قرار ميگيرند. براي پيشگيري از هر گونه خطر مرتبط با اين آب راديواکتيو، در برخي رآکتورها بخار توليد شده را به يک مبدل حرارتي ثانويه وارد ميکنند و از آن به عنوان يک منبع گرمايي در چرخه دومي از آب و بخار استفاده ميکنند. 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، ميتوان آنها را به سردسته تقسيم کرد.
الف - کانالهاي تحت فشار در رآکتورهاي RBMK و CANDU استفاده ميشوند و ميتوان 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 ميشود. اين مخزن ميتواند 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 ميشود. اين گاز در يک چرخه گرمايي با منبع حرارتي راکتور قرار ميگيرد و معمولاً از هليوم براي آن استفاده ميشود، هر چند که نيتروژن و دي اکسيد کربن نيز کاربرد دارند. در برخي رآکتورهاي جديد، رآکتور به قدري گرما توليد ميکند که گاز خنک کن ميتواند مستقيما يک توربين گازي را بچرخاند، در حالي که در طراحي هاي قديمي تر گاز خنک کن را به يک مبدل حرارتي ميفرستادند 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 ميشود که اين ساختمان به عنوان يک سد حفاظتي در برابر تابش راديواکتيو عمل ميکند. اين ساختمان هم درون يک مخزن بزرگتر فولادي قرار ميگيرد. هسته رآکتور و تجهيزات مرتبط با آن درون اين مخزن فولادي قرار گرفته اند و کارکنان ميتوانند 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 ميشود. 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 ميتوان 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 ميشد و رآکتور خاموش شد. پس از مدتي، اين بخارها به مايع تبديل ميشدند و دوباره رآکتور به راه ميافتاد. اين سيستم خودکار و بسته، يک رآکتور را کنترل ميکرد و براي صدها هزار سال، اين رآکتور را فعال نگاه ميداشت.
مطالعه و بررسي اين رآکتورهاي هسته اي طبيعي بسيار ارزشمند است، زيرا ميتواند به تحليل چگونگي حرکت مواد راديواکتيو در پوسته زمين کمک کند. اگر زمين شناسان بتوانند را از اين حرکتها را شناسايي کنند، ميتوانند 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 ميکند. در يک PWR، مدار خنک اوليه از آب تحت فشار استفاده ميکند. آب تحت فشار، در دمايي بالاتر از آب معمولي به جوش ميآيد، از اين دوچرخه خنک ساز اوليه را به گونه اي طراحي ميکنند 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 ميکند. دراين چرخه آب جوش ميآيد و بخار داغ تشکيل ميشود، بخار داغ يک توربين بخار را ميچرخاند، توربين هم يک ژنراتور و در نهايت ژنراتور، انرژي الکتريکي توليد ميکند.
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 ميگيرند.
خنک کننده
همان طور که ميدانيد، برخورد نوترونها با سوخت هسته اي درون ميله هاي سوخت، موجب شکافت هسته اتمها ميشود و اين فرآيند هم به نوبه خود، گرما و نوترونهاي بيشتري آزاد ميکند. 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 ميدهند. ) در PWR، ميله هاي سوخت به صورت يک دسته در ساختاري، ترسيمي قرار گرفته اند و آب از کف رآکتور به بالا جريان پيدا ميکند. آب از ميان اين ميله هاي سوخت عبور ميکند و به شدت گرم ميشود، به طوري که به دماي 325 درجه سانتي گراد ميرسد. درمبدل حرارتي، اين آب داغ موجب داغ شدن آب در چرخه دوم ميشود و بخاري با دماي 270 درجه سانتي گراد توليد ميکند 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 ميدهند؛ به طوري که پس از 8 تا 10 برخورد ( البته به طور متوسط ) با محيط هم دما ميشوند. در اين حالت، احتمال جذب نوترونها از سوي هسته U-235 بسيار زياد است ودر صورت جذب، بالافاصله هسته U-236 جديد دچار شکافت ميشود.
مکانيسم حساسي که هر رآکتور هسته اي را کنترل ميکند، سرعت آزاد سازي نوترونها در طول يک فرآيند شکافت است به طور متوسط از هر شکافت، دونوترون و مقدار زيادي انرژي آزاد ميشود. نوترونهاي آزاد شده اگر با هسته U-235 ديگري برخورد کنند، شکافت ديگري را سبب ميشوند و در نهايت يک واکنش زنجيره اي روي ميدهد. اگر تمام اين نوترونها در يک لحظه آزاد شوند، تعدادشان به قدري زياد ميشود که باعث ذوب شدن راکتور خواهد شد. ( تعداد ذرات پر انرژي، دماي يک سيستم را تعيين ميکند. معادله بوتنرمن، اين ارتباط را توصيف ميکند. ) خوشبختانه برخي از اين نوترونها پس از يک بازه زماني نه چندان کوتاه ( حدود يک دقيقه ) توليد ميشوند و سبب ميشوند 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 مييابد. 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 ميرسد. درست است که آب با فشار پانزده مگا پاکسال در اين دما جوش نمي آيد، ولي به شدت از خاصيت کند کنندگي اش کاسته ميشود، بنابراين آهنگ واکنش شکافت هسته اي کاهش مييابد، حرارت کمتري توليد ميشود و دما پايين ميآيد. دما که کاهش يابد، توان رآکتور افزايش مييابد و دما که افزايش يابد توان راکتور کاهش مييابد؛ پس خود سيستم PWR داراي يک سيستم خود تعادلي در رآکتور است و تضمين ميکند 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 ميکنند 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، ميتوان 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 ميکند، 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 ميشود و حرارت زيادي آزاد ميشود که ميتواند 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 ميشود. 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 ميآيد. فشار آب در BWR کمتر از PWR است، به طوري که در بيشترين مقدار به 75 برابر فشار جو ميرسد ( 5/7 مگا پاسکال ) و بدين ترتيب آب در دماي 285 درجه سانتي گراد به جوش ميآيد.
رآکتور BWR به شکلي طراحي شده که بين 12 تا 15 درصد آب درون قلب رآکتور به شکل بخار در قسمت بالاي آن قرار ميگيرد. بدين ترتيب عملکرد بخش بالايي و پاييني هسته رآکتور با هم تفاوت دارند. در بخش بالايي قلب رآکتور، کند سازي کمتري صورت ميگيرد 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 ميشود. بالا بردن ميله هاي سوخت دقيقاً نتيجه معکوس ميدهد.
ب - تغييرات جريان آب درون رآکتور، زماني براي کنترل رآکتور مورد استفاده قرار ميگيرد که راکتور بين 70 تا صد درصد توان خود کار ميکند. اگر جريان آب درون رآکتور افزايش يابد، حباب هاي بخار در حال جوش سريع تر از قلب راکتور خارج ميشوند و آب درون قلب رآکتور بيشتر ميشود. 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، حبابها بيشتر در رآکتور باقي ميمانند، سطح آب کاهش مييابد و به دنبال آن کندسازي نوترونها و جذب نوترون هم کاهش مييابد و در نهايت توان رآکتور کاهش مييابد.
بخار توليد شده در قلب رآکتور از شيرهاي جدا کننده بخار و صفحات خشک کن ( براي جذب هر گونه قطرات آب داغ ) عبور ميکند و مستقيماً به سمت توربين هاي بخار که بخشي از مدار رآکتور محسوب ميشوند، ميرود. 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 ميدهد و نيمه عمرش تنها 7 ثانيه است )، بنابراين مدت کوتاهي پس از خاموش شدن رآکتور ميتوان به قسمت توربين وارد شد.
در رآکتور BWR، افزايش نسبت بخار آب به آب مايع درون رآکتور موجب کاهش گرماي خروجي ميشود. با اين حال، يک افزايش ناگهاني در فشار بخار، سبب بروز يک کاهش ناگهاني در نسبت بخار به آب مايع درون رآکتور ميشود که خود، سبب افزايش توان خروجي ميشود. 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 ميشود. خوبي اين سيستم اين است که اسيد اوريک، يک خورنده قوي است و معمولا در PWR سبب ميشود 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 ميگيرد و در هر دسته بين 74 تا 100 ميله سوخت قرار ميگيرد. اين چنين حدود 140 تن اورانيوم در قلب رآکتور ذخيره ميشود.
• رآکتور D2G
رآکتور هسته اي D2G را ميتوان در تمام ناوهاي دريايي ايالات متحده ميتوان 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 ميتوان 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 ميرسد. اگر يک رآکتور فعال باشد و توربينها متصل به هم باشند، سرعت ناو به 25 تا 27 گره خواهد رسيد و اگر فقط يک رآکتور فعال باشد ولي توربينها جدا باشند، سرعت فقط 15 گره خواهد بود.
منبع: http://edu.tebyan.net/physics/nuclear-energy/09.htm
نوشته شده توسط دانشجويان مهندسي شيمي(85) دانشگاه ياسوج در جمعه 10 خرداد 1387 و ساعت 2:53 عصر
۞۞ نظرات شما ( نظر) ۞۞
+ حضور زن در صنعت 
|