فیزیک گرمای واپاشی: چرا راکتورهای هستهای مدت‌ها پس از توقف واکنش زنجیره‌ای به خنکسازی نیاز دارند؟
حتی پس از خاموشی کامل یک راکتور هستهای، محصولات شکافت رادیواکتیو همچنان مقادیر عظیمی انرژی حرارتی تولید می‌کنند. این گرمای واپاشیِ ماندگار، طراحی تمامی سیستمهای خنککننده اضطراری را تعیین میکند و مکانیزم فیزیکیِ نهفته در پسِ شدیدترین حوادث هستهای جهان است.
به قلم مرجان موسوی
این خبر را به اشتراک بگذارید
بهطور خلاصه
- گرمای واپاشی، انرژی حرارتی تولیدشده در اثر واپاشی رادیواکتیوِ محصولات شکافت، پس از خاموشی راکتور هستهای است.
- بلافاصله پس از توقف اضطراری (SCRAM)، گرمای واپاشی معادل حدود ۶٫۵ درصد از توان عملیاتی پیشین راکتور است.
- یک راکتور حرارتی استاندارد ۳۰۰۰ مگاواتی، یک ساعت پس از خاموشی همچنان حدود ۴۵ مگاوات گرما تولید میکند.
هنگامی که یک راکتور هستهای دچار توقف اضطراری (SCRAM) میشود و واکنش زنجیره‌ای شکافت بهطور کامل از حرکت می‌ایستد، قلب راکتور سرد نمی‌شود. این بخش همچنان به تولید مقادیر عظیمی از انرژی حرارتی - که به عنوان گرمای واپاشی شناخته میشود - ادامه می‌دهد، زیرا محصولات شکافتِ تازه‌تولیدشده در میله‌های سوخت به‌شدت رادیواکتیو هستند و در حین واپاشی از خود انرژی ساطع می‌کنند.[2]
این گرمای ماندگار، چالش مهندسی بنیادین در ایمنی هستهای به شمار می‌رود. همین پدیده است که طراحی تمامی سیستمهای خنککننده اضطراری قلب راکتور را دیکته میکند و مکانیزم فیزیکیِ نهفته در پسِ مهم‌ترین حوادث هستهای تاریخ است. اگر واکنش زنجیره‌ای را موتور یک نیروگاه هستهای در نظر بگیریم، گرمای واپاشی همان تکانه‌ای است که مانع از توقف آنی آن میشود.[7]
برای درک گرمای واپاشی، باید به خودِ فرآیند شکافت نگاه کرد. وقتی یک اتم اورانیوم-۲۳۵ شکافته میشود، حدود ۲۰۰ مگاالکترون‌ولت (MeV) انرژی آزاد میکند. بخش عمده این مقدار، انرژی جنبشیِ آنی است. با این حال، حدود ۶ تا ۷ درصد از کل انرژی با تاخیر همراه است و در درون قطعات ناپایدار شکافت مانند ید-۱۳۱، سزیم-۱۳۷ و استرانسیم-۹۰ محبوس میماند.[2]
این قطعات دچار واپاشی بتا می‌شوند و الکترون‌های پرانرژی و پرتوهای گامایی ساطع می‌کنند که با برخورد به سوخت و غلافِ پیرامون خود، انرژی جنبشی‌شان را به گرما تبدیل می‌کنند. از آنجا که صدها ایزوتوپ مختلف وجود دارد که هر کدام نیمه‌عمر خاص خود را دارند، افت این گرما از یک منحنی نماییِ ساده و واحد پیروی نمی‌کند.[3]
در سال ۱۹۴۸، فیزیکدانانی به نام‌های کاترین وی (Katharine Way) و یوجین ویگنر (Eugene Wigner) معادله ویگنر-وی را برای تقریب این واپاشی آماریِ پیچیده فرمول‌بندی کردند. آن‌ها دریافتند که گرمای کل، تقریباً به صورت توان معکوسِ زمان کاهش مییابد. پایگاه Nuclear-Power.com در این باره خاطرنشان میکند: «میزان گرمای واپاشیِ تولیدشده در یک مجتمع سوخت در هر زمان پس از خاموشی، با تعیین تعداد محصولات شکافتِ موجود در لحظه خاموشی، بهطور دقیق قابل محاسبه است.»[3]
از منظر کمی، این ارقام حیرت‌انگیز هستند. برای یک راکتور تجاری آب‌سبک استاندارد که با توان حرارتی ۳۰۰۰ مگاوات (MWth) کار میکند، گرمای واپاشی بلافاصله پس از خاموشی حدود ۶٫۵ درصد از توان کامل، یا تقریباً ۱۹۵ مگاوات است.[2][4]
یک ساعت پس از خاموشی، ایزوتوپ‌های کوتاه‌عمر از بین می‌روند و بار حرارتی به ۱٫۵ درصد، یعنی ۴۵ مگاوات کاهش مییابد. پس از ۲۴ ساعت، این میزان به ۰٫۴ درصد یا ۱۲ مگاوات می‌رسد. اگرچه این یک افت شدید است، اما ۱۲ مگاوات همچنان انرژی کافی برای تبخیر هزاران گالن آب در هر ساعت را فراهم میکند.[2][7]
به همین دلیل است که راکتورها به خنکسازی فعال و پیوسته نیاز دارند. کمیسیون تنظیم مقررات هستهای ایالات متحده (NRC) الزامی کرده است که هر راکتور آب‌سبک باید دارای یک سیستم خنککننده اضطراری قلب (ECCS) باشد که بتواند دمای قلب راکتور را در سطح پایین و قابل‌قبولی نگه دارد. این کمیسیون یادآور میشود که «دفع گرمای واپاشی (DHR)، دفع گرمای پسماند (RHR) و خنکسازی در حالت خاموشی (SDC)، نام‌های رایجی برای سیستم‌هایی هستند که جهت خنک کردن سیستم خنککننده راکتور (RCS) در برخی از مراحل عملیات خاموشی استفاده می‌شوند.»[1]
سیستم‌هایی مانند سیستم خنککننده انزوای قلب راکتور (RCIC) در راکتورهای آب جوشان، مشخصاً برای همین مرحله طراحی شده‌اند. سیستم RCIC از بخارِ ناشی از خودِ گرمای واپاشی برای به حرکت درآوردن یک پمپ توربینی استفاده میکند و حتی در صورت قطع کامل برقِ خارج از سایت، آب جبرانی را به داخل مخزن تزریق میکند.[6]
اگر این سیستم‌ها از کار بیفتند، یا تجمع گاز مسیر جریان خنککننده را مسدود کند، پیامدهای آن وخیم خواهد بود. در سال ۲۰۰۸، کمیسیون تنظیم مقررات هستهای (NRC) بخشنامه عمومی 01-2008 را برای رسیدگی به مشکل تجمع گاز در سیستمهای خنککننده اضطراری قلب صادر کرد و هشدار داد که وجود حباب‌های خالی در لوله‌کشی میتواند پمپ‌ها را دقیقاً در زمانی که بیشترین نیاز به آن‌ها وجود دارد، از کار بیندازد.
بدون وجود آب برای دفع گرما، غلاف زیرکونیومی که قرص‌های سوخت را احاطه کرده است، بیش از حد داغ شده، اکسید میشود و در نهایت ذوب خواهد شد.[1][5]
بدون وجود آب برای دفع گرما، غلاف زیرکونیومی که قرص‌های سوخت را احاطه کرده است، بیش از حد داغ شده، اکسید میشود و در نهایت ذوب خواهد شد.
طرح‌های پیشرفته راکتور، مانند راکتورهای سریع خنک‌شونده با سدیم، تلاش می‌کنند تا مشکل گرمای واپاشی را از طریق ایمنی غیرفعال حل کنند. آژانس بین‌المللی انرژی اتمی (IAEA) تاکید میکند که «دفع گرمای واپاشی شامل ترکیبی از تامین جریان خنککننده، دفع حرارت و پوشیده نگه داشتن قلب راکتور است» و سیستمهای جدیدی را ارزیابی میکند که از همرفت طبیعی برای دفع گرما از طریق حلقه‌های ثانویه سدیم بهره می‌برند و وابستگی به پمپ‌های فعال را کاهش می‌دهند.[5]
فیزیک گرمای واپاشی به این معناست که خاموش کردن یک راکتور هستهای تنها اولین گام در ایمن‌سازی آن است. «حافظه» راکتور از تاریخچه توانِ خود، ایجاب میکند که سیستمهای خنککننده باید روزها، هفته‌ها و ماه‌ها پس از ورود کامل میله‌های کنترل به داخل قلب راکتور، بدون هیچ نقصی به کار خود ادامه دهند.[4]
اصطلاحات کلیدی
- گرمای واپاشی
- انرژی حرارتی آزادشده در اثر واپاشی رادیواکتیو محصولات شکافت پس از توقف واکنش زنجیره‌ای هستهای.
- توقف اضطراری (SCRAM)
- خاموشی سریع و اضطراری یک راکتور هستهای که معمولاً با وارد کردن کامل میله‌های کنترل برای توقف واکنش زنجیره‌ای شکافت انجام میشود.
- محصولات شکافت
- قطعات اتمی باقیمانده پس از شکافته شدن یک هسته سنگین، مانند اورانیوم-۲۳۵، به دو هسته کوچک‌تر.
- واپاشی بتا
- نوعی واپاشی رادیواکتیو که در آن یک هسته اتمی ناپایدار یک الکترون پرانرژی ساطع کرده و در این فرآیند انرژی آزاد میکند.
- سیستم خنککننده اضطراری قلب (ECCS)
- شبکه‌ای از پمپ‌ها، شیرها و منابع آبِ پشتیبان که برای خنکسازی ایمن راکتور هستهای در صورت از دست رفتن خنکسازی عادی طراحی شده است.
پرسش‌های متداول
چه چیزی باعث ایجاد گرمای واپاشی در یک راکتور هستهای میشود؟
گرمای واپاشی ناشی از واپاشی رادیواکتیو محصولات ناپایدار شکافت، مانند ید-۱۳۱ و سزیم-۱۳۷ است که هنگام شکافت اتم‌های اورانیوم ایجاد می‌شوند. این ایزوتوپ‌ها ذرات بتا و پرتوهای گاما ساطع می‌کنند که با برخورد به سوخت اطراف، گرما تولید می‌کنند.
یک راکتور پس از خاموش شدن تا چه مدت گرم میماند؟
اگرچه گرما در چند ساعت نخست بهطور قابلتوجهی کاهش مییابد، اما سالها طول میکشد تا سوخت کاملاً خنک شود. پس از ۲۴ ساعت، یک راکتور تجاری همچنان گرمای کافی برای الزام به خنکسازی فعال و پیوسته تولید میکند.
فرمول ویگنر-وی چیست؟
این یک معادله ریاضی است که در سال ۱۹۴۸ توسط کاترین وی و یوجین ویگنر فرمول‌بندی شد و گرمای واپاشی یک راکتور را در طول زمان تقریب می‌زند و نشان می‌دهد که گرما به صورت توان معکوسِ زمان کاهش مییابد.
اگر گرمای واپاشی دفع نشود چه اتفاقی میافتد؟
در صورت خرابی سیستمهای خنککننده، گرمای واپاشی باعث تبخیر موجودی آب راکتور شده و در نتیجه غلاف زیرکونیومی سوخت بیش از حد داغ، اکسید و در نهایت ذوب میشود که میتواند به یک حادثه هستهای شدید منجر گردد.
بررسی عمیق دیدگاه‌ها
نهادهای نظارتی ایمنی هستهای
تمرکز بر اطمینان از در دسترس بودن همیشگی سیستمهای خنککننده فعال و پشتیبان برای مدیریت گرمای واپاشی.
نهادهای نظارتی مانند NRC گرمای واپاشی را عامل اصلی خطر حوادث شدید می‌دانند. چارچوب آن‌ها ایجاب میکند که هر راکتور تجاری دارای چندین سیستم خنککننده اضطراری قلب (ECCS) مستقل باشد که انرژی آن‌ها از طریق شبکه‌های برق خارج از سایت و ژنراتورهای دیزلی پشتیبان تامین شود. آن‌ها بهطور مداوم آسیب‌پذیری‌های عملیاتی، مانند تجمع گاز در لوله‌کشی را که میتواند این سیستمهای فعال را در طول یک توقف اضطراری (SCRAM) به خطر بیندازد، پایش می‌کنند.
طراحان راکتورهای پیشرفته
حمایت از سیستمهای ایمنی غیرفعال که به پمپ‌های مکانیکی فعال متکی نیستند.
مهندسانی که در حال توسعه راکتورهای نسل چهارم، مانند راکتورهای سریع خنک‌شونده با سدیم و راکتورهای گازی با دمای بالا هستند، استدلال می‌کنند که اتکا به پمپ‌های فعال و ژنراتورهای پشتیبان ذاتاً آسیب‌پذیر است. آن‌ها سیستم‌هایی را طراحی می‌کنند که در آن‌ها گرمای واپاشی از طریق فرآیندهای فیزیکی طبیعی - مانند همرفت و تابش حرارتی - دفع میشود و تضمین میکند که حتی در صورت قطع کامل برق نیروگاه، راکتور بتواند بدون مداخله انسان یا برق خارجی خود را خنک کند.
فیزیکدانان راکتور
تمرکز بر مدل‌سازی دقیق ریاضیِ موجودیِ محصولات شکافت.
برای فیزیکدانان، گرمای واپاشی یک مسئله آماری پیچیده است که از قانون واپاشی رادیواکتیو پیروی میکند. از آنجا که سوخت هسته‌ایِ پرتودیده حاوی صدها ایزوتوپ مختلف است که هر کدام نیمه‌عمر متفاوتی دارند، فیزیکدانان از کدهای پیشرفته محاسباتی مانند SCALE/TRITON استفاده می‌کنند تا بار حرارتی دقیق را بر اساس تاریخچه توانِ خاص راکتور محاسبه کنند و از تقریب‌های تجربی فرمول ویگنر-وی فراتر بروند.
- نهادهای نظارتی ایمنی هستهای
- تمرکز بر اطمینان از در دسترس بودن همیشگی سیستمهای خنککننده فعال و پشتیبان برای مدیریت گرمای واپاشی.
- طراحان راکتورهای پیشرفته
- حمایت از سیستمهای ایمنی غیرفعال که به پمپ‌های مکانیکی فعال متکی نیستند.
- فیزیکدانان راکتور
- تمرکز بر مدل‌سازی دقیق ریاضیِ موجودیِ محصولات شکافت.
دیدگاه‌هایی که این گزارش پوشش نداده
- جوامع محلی ساکن در نزدیکی نیروگاه‌های هستهای
- سازمان‌های زیست‌محیطی متمرکز بر زباله‌های هستهای
منابع
پوشش منابع
7 منبع
3 دیدگاه شناسایی‌شده
- [1]Federal Registerنهادهای نظارتی ایمنی هستهای
Managing Gas Accumulation in Emergency Core Cooling, Decay Heat Removal, and Containment Spray Systems
مطالعه در Federal Register → - [2]Wikipediaفیزیکدانان راکتور
Decay heat
مطالعه در Wikipedia → - [3]Nuclear-Power.comفیزیکدانان راکتور
Calculation of Decay Heat – Wigner-Way formula
مطالعه در Nuclear-Power.com → - [4]Bohriumفیزیکدانان راکتور
Decay Heat Modeling Principles
مطالعه در Bohrium → - [5]International Atomic Energy Agencyطراحان راکتورهای پیشرفته
Techniques for Recovery from Fuel Damage Events
مطالعه در International Atomic Energy Agency → - [6]Idaho National Laboratory
Reactor Core Isolation Cooling (RCIC) System
مطالعه در Idaho National Laboratory → - [7]تیم سردبیری کوهستان
تحلیل تیم سردبیری کوهستان
مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →
بیشتر در انرژی
مشاهده همه →فیزیک راکتور
کاهش ۲۰ تا ۳۰ درصدی توان که مسئله مسمومیت راکتور با زنون-۱۳۵ را تعریف میکند
6 منبع
فیزیک رآکتور
چگونه نسبت پراکندگی به جذب، غنی‌سازی سوخت رآکتور هستهای را تعیین میکند
5 منبع
فیزیک راکتور
چگونه ضریب دمایی منفی واکنش‌پذیری از نظر فیزیکی مانع از ذوب شدن راکتورهای آب سبک میشود
8 منبع
فیزیک رآکتور
سهم ۰.۶۵ درصدی نوترون‌های تاخیری که واکنش زنجیره‌ای هستهای را قابل‌کنترل میکند
8 منبع
نظرات
هر زاویه. هر روز.
اخبار انرژی با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، هر روز و رایگان.