up
Search      menu
صنعت و مکانیک :: مقاله راکتورهاي هسته اي PDF
QR code - راکتورهاي هسته اي

راکتورهاي هسته اي

راکتورهاي هسته ايراکتورهاي هسته اي دستگاه هايي هستند که در آنها شکافت هسته اي کنترل شده رخ مي دهد. راکتورها براي توليد انرژي الکتريکي و نيز توليد نوترون ها بکار مي روند. 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 به دنبال آن به دو هسته کوچکتر همراه با آزاد سازي انرژي و چند نوترون ديگر شکافته مي شود.
شکافت هسته اي اتم اورانيم ۲۳۵ 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 ۲-۳ 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 ۱۱-۱۰*۳.۲ ژول است در حاليکه توليد انرژي از منابع متعارف سوخت فسيلي که حاصل تشکيل يک مولکول دي اکسيد کربن هست حدود ۱۹-۱۰*۶.۷ 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 اورانيم۲۳۵، پلوتونيم ۲۳۹ وجود داشته و پلوتونيم ۲۴۱ 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:
۱) مجموعه هاي سوخت
۲) کند کننده ها
۳) خنک کننده ها
۴) سيستم هاي ايمني
۵) ميله هاي کنترل
۶) حفاظ هاي مختلف
در اينجا به بحث مختصري درباره ي هرکدام از اين قسمت ها پرداخته مي شود:
۱) 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 ۲۳۵ تا ۹۵ درصد مي رسد. هرميله ي سوخت از غلاف زير کالوي و شامل قطعاتي از قرص هاي دي اکسيد اورانيم است. زير کالوي ۲ تا ۴ يک آلياژ زير کونيم 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 ۲۳۵ ،
▪ پلوتونيم ۲۳۹
▪ اورانيم ۲۳۳
اتم هاي مستعد با قابليت تبديل به اتم هاي قابل شکافت عبارتند از:
▪ اورانيم ۲۳۸
▪ توريم ۲۳۲
سوخت راکتورها از نظر فرآيندهاي استفاده در راکتورها بر اساس استراتژي کشور ممکن است به يکي از سه روش زير عمل گردد:
۱) يکبار استفاده از اورانيم و ارسال سوخت مصرف شده به انبار موقت و سپس دفن هميشگي آن
۲) استفاده چندباره از اورانيم و برقراري سيکل اورانيم-پلوتونيم با اعمال عمليات باز فرآوري روي آن
۳) استفاده از سيکل اورانيم-توريم به اين معني که توريم ۲۳۲ ابتدا تبديل به اورانيم ۲۳۳ مي شود و سپس اين اورانيم به عنوان سوخت در راکتورها مورد استفاه قرار مي گيرد.
۲) 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:
الف) نوترون ها نبايد با کندکننده واکنش نشان دهد، چون در اينصورت بازدهي توليد نوترون کاهش يافته و راکتور به سمت خاموشي مي رود.
ب) نوترون ها بايد در محيط کندکننده ها در فاصله هاي کوتاهي پس از چند برخود کند شوند زيرا در غير اينصورت، نوترون توسط اورانيم ۲۳۸ گير افتاده و موجب تشديد ناخالصي هاي کند کننده مي شود که اين وضعيت اقتصادي نيست.
ج) گرچه کند کننده ها بايد ارزان باشند ولي در عين حال خواص ساختاري آنها بايد رضايت بخش هم باشد.
د) کندکننده بايد با ساير مواد ساختاري راکتور سازگار باشد و نبايد خواص خورندگي، سايندگي و يا تحت تاثير پرتوهاي راديواکتيو قرار گيرد.
و) کندکننده طي فرآيند دائمي بمباران هاي نوتروني نبايد تحت تاثيرات و تغييرات نامطلوب فيزيکي يا شيميايي قرار گيرد.
ه) يک کند کننده خوب بايد به طور مؤثر نوترون هاي سريع حاصل از شکافت را به نوترون هاي حرارتي تبديل کند.
۳) 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:
الف) سطح مقطع جذب نوتروني کوچکي داشته باشد، در اين صورت ميزان تابش راديواکتيويته در حين کارگرداني اپراتوري کاهش مي يابد.
ب) فراوان و ارزان باشد.
ج) غيرخورنده يا خوردگي کمي داشته باشد، چون لوله ها و ساختارهاي ديگر که با آن در تماس هستند بايد سالم بمانند.
د) ضريب انتقال حرارتي بالا داشته باشد. به اين ترتيب حرارت به سهولت به سرد کننده انتقال يافته و جابجا خواهد شد.
و) ويسکوزيته يا غلظت کم داشته باشد که سبب کاهش مصرف کمتر برق براي پمپ کردن آن مي شود.
ه) 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:
الف) آب سبک يا سنگين(اولي شامل دو اتم هيدروژن است و دومي شامل دو يا يک اتم دوتريم مي باشد)
ب) فلز مايع (مثل سديم، پتاسيم يا آلياژي از ترکيب هر دو)
ج) مواد آلي مايع (مثل اتانول، پروپان، پنتان، هوا يا گاز دي اکسيد کربن)
۴) 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.
۵) 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:
الف) 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.
ب) 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.
۶) 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.

هسته ترانسفورماتور هسته آهن هسته ترانسفورماتور متشکل از ورقه هاي نازک است که سطح آنها با توجه به قدرت ترانسفورماتور ها محاسبه مي شود. براي کم کردن تل ...

هسته ترانسفورماتور هسته آهن هسته ترانسفورماتور متشکل از ورقه هاي نازک است که سطح آنها با توجه به قدرت ترانسفورماتور ها محاسبه مي شود. براي کم کردن تلف ...

هسته ترانسفورماتور هسته آهن هسته ترانسفورماتور متشکل از ورقه هاي نازک است که سطح آنها با توجه به قدرت ترانسفورماتور ها محاسبه مي شود. براي کم کردن تل ...

انرژي هسته اي انرژي هسته اي از عمده ترين مباحث علوم و تکنولوژي هسته اي است و هم اکنون نقش عمده اي را در تأمين انرژي کشورهاي مختلف خصوصا کشورهاي پيشرفت ...

● مقدمه شکافت هسته اي اتم اورانيم ۲۳۵ 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 ...

ماده اي که به عنوان سوخت در راکتورهاي هسته اي مورد استفاده قرار مي گيرد بايد شکاف پذير باشد يا به طريقي شکاف پذير شود.۲۳۵U شکاف پذير است ولي اکثر هسته ...

تهيه غذاي سالم تر ، پيشرفت کيفيت ابزار و وسائل، استانداردهاي اندازه گيري و ماشين ها از جمله اين موارد هستند. در تشخيص ناهنجاري هاي متابوليسمي و درمان ...

نيروگاه اتمي بررسي شده در اين مقاله داراي ۲ رآكتور است كه ضخامت جداره فولادي هريك۲۰ سانتيمتر، قطر۴ ۸ و ارتفاع آنها۱۲ ۸ متر است. اين راكتورها درون سيلو ...

دانلود نسخه PDF - راکتورهاي هسته اي