راکتور های هسته ای قدرت

مقدمه:

راکتور های هسته ای قدرت نقش تولید انرژی را به عهده دارند.امروزه، گرمای تولید شده در راکتور های هسته ای قدرت،بیشتر برای تولید انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد.استفاده های دیگر میتواند شامل تولید گرمای مورد نیاز برای فرآیند های صنعتی،نمک زدایی(شیرین سازی) آب دریا، تأمین حرارت منطقه ای در شهر های بزرگ و کوچک، حرکت کشتی ها و مخصوصاً در زیر دریایی ها باشد.

انگیزه اقتصادی ساخت راکتور های هسته ای، به دلیل چگالی انرژی خیلی زیاد در سوخت اورانیم آنهاست که به طور نسبی سبب قیمت پایین تر واحد انرژی تولید شده می شود. یک کیلو گرم اورانیم (با 3 درصد از اورانیم _235) KJ109×5/2 کیلو ژول انرژی تولید میکند.در مقابل،یک تن سوخت فسیلی، KJ107×4 کیلو ژول انرژی تولید می کند. انرژی هسته ای در سال 1996،حدود 7 درصد کل مصرف انرژی و برابر 17 درصد مصرف انرژِی الکتریکی جهان بوده است.این مقدار در آخر سال 2004برابر با 5/16 درصد انرژِی الکتریکی مصرفی جهانی است.

انواع راکتور های قدرت:

1) راکتور های آب سبک تحت فشار (PWR)

2) راکتور های آب سبک جوشان (BWR)

3) راکتور های خنک شونده با گاز(GCR)

4) راکتور های خنک شونده با آب سبک وکند کننده گرافیکی

(LWGR and RBMK)

5) راکتور های آب سنگین تحت فشار (CANDU)

6) راکتور های زاینده سریع با فلز مایع(LMFBR/FBR)

7)راکتور های خنک شونده با مواد آلی

انواع راکتور های هسته ای نیرو که به طور عمده در سطح جهان بکار گرفته شده اند.

1) راکتور های آب سبک تحت فشار (PWR)

این راکتور با اورانیم فلزی کار میکند؛قلب راکتور مجموعه های سوخت چهار وجهی را که کنار هم چیده شده اند در بر می گیرد.مجموعه های سوخت از تعداد زیادی میله های سوخت با ضخامت حدود یک سانتیمتر تشکیل یافته اند.هر میله سوخت شامل قرص های دی اکسید اورانیم با اورانیم _235غنی شده،حدود 4_3 درصد می باشد.آلیاژی از زیر کونیم غلاف این میله ها را تشکیل می دهد.حرارت تولید شده در این میله های سوخت،توسط یک ماده خنک کننده در مدار اولیه به مدار ثانویه انتقال داده می شود که حرارت این سیکل اخیر مولد های بخار را فعال نموده و بلاخره توربین ها را به حرکت در می آورند. حرارت های اضافی توسط برج های خنک کننده به هوا، رودخانه و دریا وارد می شوند.

2) راکتور های آب سبک جوشان (BWR)

طراحی این نوع راکتور (BWR) شباهت زیادی به PWR دارد بجز اینکه فقط دارای یک مدار آب خنک کننده با فشار کم (حدود 75 اتمسفر ) می باشد.در این شرایط حرارت آب به حدود 285 درجه سانتیگراد رسیده و این آب در قلب راکتور جوشان خواهد شد.طراحی این راکتور طوری است که 15_12 درصد آب در بالای قلب به صورت بخار وجود دارد،لذا در این وضعیت خاص کند کنندگی و راندمان نوترون های م?ثر کمتر خواهد بود.

بخار حاصل از گرمای راکتور از صفحاتی عبور کرده و به بالای قلب راکتور می رسد که از آنجا مستقیماً به توربین ها هدایت می شود که این خود بخشی از مدار راکتور محسوب می گردد.

مجتمع سوخت راکتور های BWR هر یک شامل 100_90 میله سوخت هستند.تعداد مجتمع های سوخت این راکتور ها به 750 می رسد که اورانیم موجود در آنها حدود 140 تن می باشد. سیستم کنترل ثانویه، محدود کردن عبور آب و بخار به قسمت های بالایی قلب راکتور را به عهده دارد که این سبب کاهش قدرت کند کنندگی آب در راکتور می گردد.

3) راکتور های خنک شونده با گاز(GCR)

راکتور های خنک شونده با گاز اصولاً در کشور انگلستان ساخته شده و توسعه یافته است.در راکتور های GCR گرافیت به عنوان کند کننده و دی اکسید کربن به عنوان خنک کننده در مدار اول نقش انتقال حرارت را بعهده دارد.این حرارت به مدار بعدی که آب است منتقل و بخار حاصل توربین را به حرکت در می آورد.

راکتور های AGCR نسل دوم راکتور های خنک شونده با گاز هستند. در این دسته از راکتور ها هم گرافیت به عنوان کند کننده و دی اکسید کربن به عنوان ماده خنک کننده مورد استفاده قرار گرفته است. سوخت این راکتور ها، قرص های اکسید اورانیم که تا 5/3_5/2 درصد غنی شده و در غلاف های استیل زنگ نزن قرار داده شده اند.

4) راکتور های خنک شونده با آب سبک و کندکننده گرافیتی

این یک نوع طراحی روسی است که از راکتور های تولید پلوتونیم اقتباس و توسعه یافته است.این راکتور یک محفظه تحت فشار(قلب) عمودی دارد که در آن لوله هایی از بین کند کننده های گرافیتی عبور کرده است. لذا حرارت های تولید شده به آب خنک کننده منتقل گشته و در قلب راکتور تا 290 درجه سانتیگراد جوشان می شود. این وضعیت تا اندازه زیادی شبیه به راکتور های BWR است. سوخت این راکتور، از اکسید اورانیم کم غنی شده می باشد و در مجموعه های سوخت بطول 5/3 متر قرار قرار می گیرد. کند کنندگی حاصل از گرافیت جاگذاری شده در راکتور و جوشش اضافی به سادگی سبب کاهش خنک کنندگی و جذب نوترون می شود،بدون اینکه از واکنش شکافت جلوگیری نموده باشد و لذا یک باز خور مثبت میتواند پدیدار شود.

5) راکتور های آب سنگین تحت فشار (CANDU)

راکتور های فوق از نوع آب سنگین تحت فشار است که با سوخت اورانیم طبیعی کار می کند.نام دیگر این راکتور ها به CANDU موسوم است.

در راکتور های "کندو" از اورانیم طبیعی به عنوان سوخت و از آب سنگین به منظور کند کننده و خنک کننده راکتور (کند کننده و خنک کننده هر یک دارای سیستم جدا از هم می با شد)استفاده می شود. از آنجاییکه این راکتور نیز توانایی جا دادن صدها مجتمع سوخت در لوله ها یا کانال های تحت فشار خود را در قلب راکتور دارد،لذا عمل سوخت گذاری راکتور در حال کار با تمام ظرفیت قابل اجرا است.

6) راکتور های زاینده سریع با فلز مایع(LMFBR/FBR)

در راکتور های PWR وBWR و دیگر انواع راکتور ها بخش عمده ای از واکنش شکافت بر روی ایزوتوپ اورانیم _235 اتفاق می افتد.

در اینجا واکنشهای شکافت غالب هستند درحالی که در قسمت بیرونی فرایند غالب عبارت است از اورانیم_238 پلوتونیم_239 . این قسمت بیرونی حاوی اورانیم شده است (اورانیومی که کسر غنی شده آن حتی از 7/0 درصد یعنی مقدار طبیعی آنهم کمتر است) . در چنین راکتوری در واحد زمان ،پلوتونیم شکافت، پذیر بیشتری حاصل میشود، تا مقداری که تحت واکنش شکافت قرار گرفته میشود (از این رو اسم "زاینده " بر آن اطلاق شده است). از طرف دیگر نوترون ها کند نمیشوند ، چرا که برای انجام فرآیندهای مورد بحث در بالا وجود نوترون های سریع الزامی هستند .

7)راکتور های خنک شونده با مواد آلی

در راکتورهای خنک شونده با مواد آلی از یک سری مواد آلی مایع مخصوصاً از مخلوط هایی از دی فینل و دی فینل اکسید به عنوان یک عامل انتقال حرارت مناسب استفاده شده است .

دلایل مهمی که این نوع راکتورها عمومی نشده اند عبارتند از :

? عدم آشنایی کامل از خاصیت انتقال حرارت این دسته مواد

? خواص انتقال حرارت ضعیف تر این مواد در مقایسه با آب

? حساسیت مواد آلی مخصوصاً نسبت به تابش

نویسنده:مژده اصولی