F.PHYSICIST
10th August 2011, 12:26 PM
ساختمان راکتور هسته ای
دیدکلی
نیروگاه‌های هسته‌ای از نظر طراحی به شدت محکم و قوی هستند. در واقع می‌توان آنها را در زمره محکمترین سازه‌هایی که تاکنون ساخته شده‌اند، قرار دارد. بیشتر طراحی راکتورها با اینکه در برابر تمام حملات احتمالی ، غیرقابل نفوذ نیست، اما می‌تواند از انتشار مواد رادیواکتیو حتی در بدترین حالت غیر محتمل نیز جلوگیری کند. در حال حاضر هزینه ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای بیش از ساخت نیروگاه‌هایی است که با سوخت زغال یا گاز کار می‌کنند. این تفاوت با توجه به تجربه طولانی استفاده از نیروی هسته‌ای که به کاهش دوره ساخت و افزایش طول عمر نیروگاه کمک می‌کند، در حال کم شدن است.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/3/32/reactor_1.jpg
در صورتی که نیروگاه‌های هسته‌ای ساخته شوند، می‌توانند به دلیل استفاده از سوخت ارزان و کارآیی اصلاح شده ، با هزینه کمتری به فعالیت خود ادامه دهند. بنابراین نیروی هسته‌ای حتی در بازار فروش که چندان به خواص آن اهمیت نمی‌دهد، نیز به طور فزاینده‌ای قابل رقابت است. درحالیکه از نظر انتشار گازهای گلخانه‌ای زیانبار برچسب قیمتی برای منابع انرژی درنظر بگیریم، به سرعت در می‌یابیم که نیروی هسته‌ای در زمینه تولید فزاینده انرژی ، آن هم در مقیاس جهانی ، ارزانترین و البته پاکیزه‌ترین گزینه است.
برای انجام واکنشهای هسته‌ای شکافتی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B4%DA%A9%D8%A7%D9%81%D8%AA+%D9% 87%D8%B3%D8%AA%D9%87%E2%80%8C%D8%A7%DB%8C) و همجوشی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%87%D9%85%D8%AC%D9%88%D8%B4%DB%8 C+%D9%87%D8%B3%D8%AA%D9%87%E2%80%8C%D8%A7%DB%8C) نیاز به دستگاهی است که این ابزار راکتور (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B1%D8%A7%DA%A9%D8%AA%D9%88%D8%B 1+%D9%87%D8%B3%D8%AA%D9%87%E2%80%8C%D8%A7%DB%8C) نام دارد. در مهندسی هسته‌ای ، راکتور ابزاری است که در آن انرژی گرمایی ناشی از شکافت و همجوشی به منظور تبدیل به انرژی مکانیکی دریافت می‌شود.
قسمتهای مختلف راکتورهای هسته‌ای
قلب راکتور
قسمت مرکزی راکتور ، قلب راکتور نامیده می‌شود. در یک راکتور (حرارتی) قلب حاوی سوخت ، کند کننده و خنک کننده میباشد.
سوخت
در راکتور تمام واکنشهای شکافت در داخل سوخت انجام می‌شود. ماده سوخت هم عامل ایجاد حالت بحرانی راکتور است و هم انرژی شکافت آزاد می‌شود. اورانیوم (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A7%D9%88%D8%B1%D8%A7%D9%86%DB%8 C%D9%88%D9%85) در شکلهای مختلف ، متداولترین ماده سوخت برای راکتورهای هسته‌ای است. اغلب راکتورها دارای سوخت اورانیوم تا چند درصد غنی شده از 235U می‌باشند. بنابراین بیشتر سوخت 238U (اورانیوم غنی شده) است.
کند کننده
مواد کند کننده فقط در راکتورهای حرارتی وجود دارد، به منظور کند کردن نوترونهای شکافت به نوترون حرارتی است. هسته‌های با عدد جرمی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B9%D8%AF%D8%AF+%D8%AC%D8%B1%D9% 85%DB%8C) کم ، مؤثرترین ماده برای کند کردن نوترونها میباشد. بنابراین کند کننده‌ها همیشه مواد با عدد جرمی کم می‌باشند. آب سنگین و گرافیت (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%DA%AF%D8%B1%D8%A7%D9%81%DB%8C%D8%A A) اغلب به عنوان کند کننده در راکتور استفاده می‌شوند.
خنک کننده
خنک کننده همانطور که از اسمش معلوم است برای انتقال حرارت از داخل قلب راکتور و دیگر قسمتهایی که حرارت در آنها تولید می‌شود، به خارج از راکتورهای حرارتی می‌باشند. در مواردی که آب و آب سنگین به عنوان خنک کننده بکار می‌روند، اغلب عمل کند کردن را نیز انجام می‌دهند. در راکتورهای سریع نمی‌توان از آب سنگین و آب ، حداقل بصورت مایع ، به عنوان خنک کننده استفاده کرد.
لایه زایش
اطراف بعضی از راکتورها ، بویژه راکتورهای زاینده (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B1%D8%A7%DA%A9%D8%AA%D9%88%D8%B 1+%D8%B2%D8%A7%DB%8C%D9%86%D8%AF%D9%87)، یک لایه ماده زاینده قرار دارد که طبقه زایش نامیده می‌شود. این ناحیه بویژه برای تبدیل یا زایش بکار می‌رود. نوترونهایی که از قلب راکتور فرار می‌کنند وارد طبقه زایش شده و واکنشهای تبدیلی مختلفی انجام می‌دهند. به علت وجود نوترونهای سریع در این لایه شکافهای متعددی انجام می‌گیرد که در نتیجه ایجاد حرارت می‌نماید.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/7/70/reactor_2.jpg
لایه بازتابنده
ناحیه‌ای که مجاور قلب راکتور یا لایه زایش قرار داده می‌شود لایه بازتابنده است. کار این لایه از ماده کند کننده را که به عنوان بازتابنده بکار می‌رود می‌توان به صورت زیر توجیه کرد. ابتدا فرض می‌کنیم که قلب یا لایه زایش بدون حفاظ بوده و در معرض هوا باشد. در این حالت تمام نوترونهایی که از قلب راکتور خارج می‌شوند، از دست رفته محسوب شده و هیچکدام به راکتور بر نمی‌گردد. با قرار دادن یک لایه از کند کننده در اطراف راکتور تعدادی از نوترونها در نتیجه یک یا چند برخورد در طبقه بازتابنده مجددا به داخل قلب بر می‌گردند. البته تمام نوترونهای خروجی به داخل راکتور بر نمی‌گردند.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/c/cc/cerenkov.jpg
میله‌های کنترل
میله‌های کنترل ، میله‌های متحرک جاذب نوترون هستند که برای تنظیم کار راکتور بکار می‌روند. از آنجا که میله‌های کنترل جاذب نوترون هستند هر حرکت جزئی آنها باعث تغییر ضریب تکثیر دستگاه می‌شود. بیرون کشیدن میله‌ها باعث افزایش ضریب تکثیر و فرو بردن میله‌ها به داخل قلب راکتور ، ضریب تکثیر را افزایش می‌دهد.
محفظه راکتور
تمام قسمتهای مختلف راکتور که ذکر شد در داخل محفظه راکتور قرار دارند.
حفاظ حرارتی
برای اینکه بتوان محفظه راکتور را که در نتیجه جذب اشعه گاما (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A7%D8%B4%D8%B9%D9%87+%DA%AF%D8% A7%D9%85%D8%A7) ایجاد می‌شود کاهش داد، لازم است که در بعضی از راکتورها یک لایه ضخیم جاذب اشعه گاما معمولا از جنس آهن یا فولاد به نام حفاظ حرارتی در بین بازتابنده و دیوار داخلی محافظ قرار داده شود.
دیدکلی
نیروگاه‌های هسته‌ای از نظر طراحی به شدت محکم و قوی هستند. در واقع می‌توان آنها را در زمره محکمترین سازه‌هایی که تاکنون ساخته شده‌اند، قرار دارد. بیشتر طراحی راکتورها با اینکه در برابر تمام حملات احتمالی ، غیرقابل نفوذ نیست، اما می‌تواند از انتشار مواد رادیواکتیو حتی در بدترین حالت غیر محتمل نیز جلوگیری کند. در حال حاضر هزینه ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای بیش از ساخت نیروگاه‌هایی است که با سوخت زغال یا گاز کار می‌کنند. این تفاوت با توجه به تجربه طولانی استفاده از نیروی هسته‌ای که به کاهش دوره ساخت و افزایش طول عمر نیروگاه کمک می‌کند، در حال کم شدن است.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/3/32/reactor_1.jpg
در صورتی که نیروگاه‌های هسته‌ای ساخته شوند، می‌توانند به دلیل استفاده از سوخت ارزان و کارآیی اصلاح شده ، با هزینه کمتری به فعالیت خود ادامه دهند. بنابراین نیروی هسته‌ای حتی در بازار فروش که چندان به خواص آن اهمیت نمی‌دهد، نیز به طور فزاینده‌ای قابل رقابت است. درحالیکه از نظر انتشار گازهای گلخانه‌ای زیانبار برچسب قیمتی برای منابع انرژی درنظر بگیریم، به سرعت در می‌یابیم که نیروی هسته‌ای در زمینه تولید فزاینده انرژی ، آن هم در مقیاس جهانی ، ارزانترین و البته پاکیزه‌ترین گزینه است.
برای انجام واکنشهای هسته‌ای شکافتی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B4%DA%A9%D8%A7%D9%81%D8%AA+%D9% 87%D8%B3%D8%AA%D9%87%E2%80%8C%D8%A7%DB%8C) و همجوشی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%87%D9%85%D8%AC%D9%88%D8%B4%DB%8 C+%D9%87%D8%B3%D8%AA%D9%87%E2%80%8C%D8%A7%DB%8C) نیاز به دستگاهی است که این ابزار راکتور (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B1%D8%A7%DA%A9%D8%AA%D9%88%D8%B 1+%D9%87%D8%B3%D8%AA%D9%87%E2%80%8C%D8%A7%DB%8C) نام دارد. در مهندسی هسته‌ای ، راکتور ابزاری است که در آن انرژی گرمایی ناشی از شکافت و همجوشی به منظور تبدیل به انرژی مکانیکی دریافت می‌شود.
قسمتهای مختلف راکتورهای هسته‌ای
قلب راکتور
قسمت مرکزی راکتور ، قلب راکتور نامیده می‌شود. در یک راکتور (حرارتی) قلب حاوی سوخت ، کند کننده و خنک کننده میباشد.
سوخت
در راکتور تمام واکنشهای شکافت در داخل سوخت انجام می‌شود. ماده سوخت هم عامل ایجاد حالت بحرانی راکتور است و هم انرژی شکافت آزاد می‌شود. اورانیوم (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A7%D9%88%D8%B1%D8%A7%D9%86%DB%8 C%D9%88%D9%85) در شکلهای مختلف ، متداولترین ماده سوخت برای راکتورهای هسته‌ای است. اغلب راکتورها دارای سوخت اورانیوم تا چند درصد غنی شده از 235U می‌باشند. بنابراین بیشتر سوخت 238U (اورانیوم غنی شده) است.
کند کننده
مواد کند کننده فقط در راکتورهای حرارتی وجود دارد، به منظور کند کردن نوترونهای شکافت به نوترون حرارتی است. هسته‌های با عدد جرمی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B9%D8%AF%D8%AF+%D8%AC%D8%B1%D9% 85%DB%8C) کم ، مؤثرترین ماده برای کند کردن نوترونها میباشد. بنابراین کند کننده‌ها همیشه مواد با عدد جرمی کم می‌باشند. آب سنگین و گرافیت (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%DA%AF%D8%B1%D8%A7%D9%81%DB%8C%D8%A A) اغلب به عنوان کند کننده در راکتور استفاده می‌شوند.
خنک کننده
خنک کننده همانطور که از اسمش معلوم است برای انتقال حرارت از داخل قلب راکتور و دیگر قسمتهایی که حرارت در آنها تولید می‌شود، به خارج از راکتورهای حرارتی می‌باشند. در مواردی که آب و آب سنگین به عنوان خنک کننده بکار می‌روند، اغلب عمل کند کردن را نیز انجام می‌دهند. در راکتورهای سریع نمی‌توان از آب سنگین و آب ، حداقل بصورت مایع ، به عنوان خنک کننده استفاده کرد.
لایه زایش
اطراف بعضی از راکتورها ، بویژه راکتورهای زاینده (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B1%D8%A7%DA%A9%D8%AA%D9%88%D8%B 1+%D8%B2%D8%A7%DB%8C%D9%86%D8%AF%D9%87)، یک لایه ماده زاینده قرار دارد که طبقه زایش نامیده می‌شود. این ناحیه بویژه برای تبدیل یا زایش بکار می‌رود. نوترونهایی که از قلب راکتور فرار می‌کنند وارد طبقه زایش شده و واکنشهای تبدیلی مختلفی انجام می‌دهند. به علت وجود نوترونهای سریع در این لایه شکافهای متعددی انجام می‌گیرد که در نتیجه ایجاد حرارت می‌نماید.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/7/70/reactor_2.jpg
لایه بازتابنده
ناحیه‌ای که مجاور قلب راکتور یا لایه زایش قرار داده می‌شود لایه بازتابنده است. کار این لایه از ماده کند کننده را که به عنوان بازتابنده بکار می‌رود می‌توان به صورت زیر توجیه کرد. ابتدا فرض می‌کنیم که قلب یا لایه زایش بدون حفاظ بوده و در معرض هوا باشد. در این حالت تمام نوترونهایی که از قلب راکتور خارج می‌شوند، از دست رفته محسوب شده و هیچکدام به راکتور بر نمی‌گردد. با قرار دادن یک لایه از کند کننده در اطراف راکتور تعدادی از نوترونها در نتیجه یک یا چند برخورد در طبقه بازتابنده مجددا به داخل قلب بر می‌گردند. البته تمام نوترونهای خروجی به داخل راکتور بر نمی‌گردند.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/c/cc/cerenkov.jpg
میله‌های کنترل
میله‌های کنترل ، میله‌های متحرک جاذب نوترون هستند که برای تنظیم کار راکتور بکار می‌روند. از آنجا که میله‌های کنترل جاذب نوترون هستند هر حرکت جزئی آنها باعث تغییر ضریب تکثیر دستگاه می‌شود. بیرون کشیدن میله‌ها باعث افزایش ضریب تکثیر و فرو بردن میله‌ها به داخل قلب راکتور ، ضریب تکثیر را افزایش می‌دهد.
محفظه راکتور
تمام قسمتهای مختلف راکتور که ذکر شد در داخل محفظه راکتور قرار دارند.
حفاظ حرارتی
برای اینکه بتوان محفظه راکتور را که در نتیجه جذب اشعه گاما (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A7%D8%B4%D8%B9%D9%87+%DA%AF%D8% A7%D9%85%D8%A7) ایجاد می‌شود کاهش داد، لازم است که در بعضی از راکتورها یک لایه ضخیم جاذب اشعه گاما معمولا از جنس آهن یا فولاد به نام حفاظ حرارتی در بین بازتابنده و دیوار داخلی محافظ قرار داده شود.