فیزیک گرمای واپاشی: چرا راکتورهای هسته‌ای مدت‌ها پس از توقف واکنش زنجیره‌ای به خنک‌سازی نیاز دارند؟

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]

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]