رآکتور هسته‌ای: تفاوت میان نسخه‌ها

[[پرونده:Crocus-p1020491.jpg|بندانگشتی|قسمت [[هسته رآکتور هسته‌ای|هسته]] یک رآکتورواکنشگاه‌ هسته‌ای تحقیقاتی در سوئیس]]

'''واکنشگاه هسته‌ای''' یا '''رآکتور هسته‌ای''' ([[زبان فرانسوی]]: Réacteur nucléaire) یا '''واکنشگاه هسته‌ای''' دستگاهی برای انجام [[واکنش هسته‌ای|واکنش‌های هسته‌ای]] به صورت تنظیم شده و تحت کنترل است.<ref>{{یادکرد وب|نویسنده=|کد زبان=fa|تاریخ=|وبگاه=شبکه ملی مدارس ایران رشد|نشانی=http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=راکتور+هسته‌ای&SSOReturnPage=Check&Rand=0|عنوان=راکتور هسته‌ای|بازبینی=2017-10-12}}</ref> این دستگاه در اندازه‌های آزمایشگاهی، برای تولید [[ایزوتوپ]]‌های ویژه مواد [[پرتوزا]] (رادیواکتیو) و همین‌طور [[پرتودارو]]ها برای مصارف پزشکی و آزمایشگاهی، و در اندازه‌های صنعتی برای تولید برق ساخته می‌شوند.

اولین انرژی کنترل شده ناشی از [[شکافت هسته‌ای]] در دسامبر ۱۹۴۲ بدست آمد. با رهبری فرمی ساخت و راه‌اندازی یک پیل از آجرهای گرافیتی، [[اورانیوم]] و سوخت [[اکسید اورانیوم]] با موفقیت به نتیجه رسید. این پیل هسته‌ای، در زیر میدان فوتبال [[دانشگاه شیکاگو]] ساخته شد و اولین رآکتورواکنشگاه‌ هسته‌ای فعال بود.

سوخت رآکتورهایواکنشگاه‌های هسته‌ای باید به گونه‌ای باشد که متحمل شکافت حاصله از [[نوترون]] بشود. پنج نوکلئید شکافت پذیر وجود دارند که در حال حاضر در رآکتورهاواکنشگاه‌ها به کار می‌روند: <chem>^{239}_Pu,^{238}_U,^{235}_U,^{233}_U,^{232}_Th</chem>. برخی از این نوکلئیدها برای شکافت حاصله از نوترون‌های حرارتی و برخی نیز برای شکافت حاصل از نوترون‌های سریع می‌باشند.<ref>{{یادکرد وب|نویسنده=|کد زبان=fa|تاریخ=|وبگاه=شبکه ملی مدارس ایران رشد|نشانی=http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=ساختمان+راکتور+هسته‌ای&SSOReturnPage=Check&Rand=0|عنوان=ساختمان رآکتور هسته‌ای|بازبینی=2017-10-12}}</ref> تفاوت بین سوخت یک خاصیت در دسته‌بندی رآکتورهاواکنشگاه‌ها است.

در کنار قابلیت شکافت، سوخت به کار رفته در رآکتورواکنشگاه‌ هسته‌ای باید بتواند نیازهای دیگری را نیز تأمین کند. سوخت باید از نظر مکانیکی قوی، از نظر شیمیایی پایدار و در مقابل تخریب تشعشعی مقاوم باشد، تا تحت تغییرات فیزیکی و شیمیایی محیط رآکتورواکنشگاه‌ قرار نگیرد. [[رسانش گرمایی|هدایت حرارتی]] ماده باید بالا باشد به‌طوری که بتواند حرارت را خیلی راحت جابجا کند. همچنین امکان به دست آوردن، ساخت راحت، هزینه نسبتاً پایین و خطرناک نبودن از نظر شیمیایی از دیگر ویژگی‌های ضروری سوخت هستند.

== غلاف سوخت رآکتورواکنشگاه‌ ==

سوخت‌های هسته‌ای مستقیماً در داخل رآکتورواکنشگاه‌ قرار داده نمی‌شوند، بلکه همواره به صورت پوشیده شده مورد استفاده قرار می‌گیرند. پوشش یا غلاف سوخت، کندکننده یا خنک‌کننده را از آن جدا می‌سازد. این امر از خوردگی سوخت محافظت کرده و از گسترش محصولات شکافت حاصل از سوخت پرتو دیده به محیط اطراف جلوگیری می‌کند. همچنین این غلاف می‌تواند پشتیبان ساختاری سوخت بوده و در انتقال حرارت به آن کمک کند. ماده غلاف همانند خود سوخت باید دارای خواص خوب حرارتی و مکانیکی بوده و از نظر شیمیایی نسبت به برهمکنش با سوخت و مواد محیط پایدار باشد. همچنین لازم است غلاف دارای [[سطح مقطع]] پایینی نسبت به بر همکنش‌های هسته‌ای حاصل از نوترون بوده و در مقابل تشعشع مقاوم باشد.

یک کندکننده ماده‌ای است که برای کند یا حرارتی کردن نوترون‌های سریع بکار می‌رود. هسته‌هایی که دارای جرمی نزدیک به جرم نوترون هستند بهترین کندکننده می‌باشند. کندکننده برای آن که بتواند در رآکتورواکنشگاه‌ مورد استفاده قرار گیرد بایستی سطح مقطع جذبی پایینی نسبت به نوترون داشته باشد. با توجه به خواص اشاره شده برای کند کننده، چند ماده هستند که می‌توان از آن‌ها استفاده کرد. [[هیدروژن]]، [[دوتریم]]، [[بریلیوم]] و [[کربن]] چند نمونه از کند کننده‌ها می‌باشند. از آن جا که بریلیوم سمی است، این ماده خیلی کم به عنوان کندکننده در رآکتورواکنشگاه‌ مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین ایزوتوپ‌های هیدروژن، به شکل [[آب]] و [[آب سنگین]] و [[کربن]]، به شکل [[گرافیت هسته‌ای|گرافیت]] به عنوان مواد کندکننده استفاده می‌شوند.

[[آب سنگین]] در بعضی از انواع رآکتورهایواکنشگاه‌های هسته‌ای نیز به عنوان کندکننده نوترون به کار می‌رود. نوترون‌های کند می‌توانند با اورانیوم واکنش بدهند. از [[آب سبک]] یا آب معمولی هم می‌توان به عنوان کندکننده استفاده کرد، اما از آن جایی که آب سبک، نوترون‌های حرارتی را هم جذب می‌کند، [[رآکتور آب‌سبک|رآکتورهایواکنشگاه‌های آب سبک]] باید اورانیوم غنی شده یا اورانیوم با خلوص زیاد استفاده کنند، اما [[رآکتور آب‌سنگین|واکنشگاه‌ آب‌سنگین]] می‌تواند از اورانیوم معمولی یا غنی نشده هم استفاده کند، به همین دلیل تولید آب سنگین به بحث‌های مربوط به جلوگیری از توسعه [[جنگ‌افزار هسته‌ای|سلاح‌های هسته‌ای]] مربوط است. [[رآکتور آب‌سنگین|رآکتورهایواکنشگاه‌های تولید آب سنگین]] را می‌توان به گونه‌ای ساخت که بدون نیاز به تجهیزات غنی سازی، اورانیوم را به [[پلوتونیوم]] قابل استفاده در بمب اتمی تبدیل کند. البته برای استفاده از اورانیوم معمولی در بمب اتمی می‌توان از روش‌های دیگری هم استفاده کرد.

کشورهای [[هند]]، [[پاکستان]]، [[کره شمالی]]، [[روسیه]]، [[آمریکا]] و [[اسرائیل]] از [[رآکتور آب‌سنگین|رآکتورهایواکنشگاه‌های تولید آب سنگین]] برای تولید بمب اتمی استفاده کرده‌اند. با توجه به امکان استفاده از آب سنگین در ساخت سلاح هسته‌ای، در بسیاری از کشورها دولت تولید یا خرید و فروش مقدار زیاد این ماده را کنترل می‌کند. اما در کشورهایی مثل آمریکا و کانادا می‌توان مقدار غیر صنعتی یعنی در حد گرم و کیلوگرم را بدون هیچ گونه مجوز خاصی از تولیدکنندگان یا عرضه‌کنندگان مواد شیمیایی تهیه کرد. هم‌اکنون قیمت هر کیلوگرم [[آب سنگین]] با خلوص ۹۸ الی ۹۹ درصد حدود ۶۰۰ تا ۷۰۰ دلار است. گفتنی است بدون استفاده از اورانیوم غنی شده و آب سنگین هم می‌توان رآکتورواکنشگاه‌ تولید پلوتونیوم ساخت. کافی است که از کربن فوق‌العاده خالص به عنوان کندکننده استفاده شود از آنجایی که نازی‌ها از کربن ناخالص استفاده می‌کردند، متوجه این نکته نشدند در حقیقت از اولین رآکتورواکنشگاه‌ اتمی آزمایشی آمریکا سال ۱۹۴۲ و [[پروژه منهتن]] که پلوتونیوم آزمایش ترینیتی و بمب مشهور [[فت من]] را ساخت، از اورانیوم غنی شده یا آب سنگین استفاده نمی‌شد.

گرمای حاصله از [[شکافت هسته‌ای]] در محیط رآکتورواکنشگاه‌ یا باید از سوخت زدوده شود یا در نهایت این گرما به قدری زیاد می‌شود که میله‌های سوخت را ذوب می‌کند. حرارتی که از سوخت گرفته می‌شود ممکن است در رآکتورواکنشگاه‌ قدرت برای تولید برق بکار رود. از ویژگی‌هایی که ماده خنک‌کننده باید داشته باشد، [[رسانش گرمایی|هدایت حرارتی]] آن است تا این که بتواند در [[انتقال گرما|انتقال حرارت]] مؤثر باشد. همچنین پایداری شیمیایی و سطح مقطع جذب پایین‌تر از نوترون دو خاصیت عمده ماده خنک‌کننده‌است. نکته دیگری که باید به آن اشاره شود این است که این ماده نباید در اثر واکنش‌های گاما دهنده [[رادیواکتیو]] شود.

برای دستیابی به فرایند شکافت کنترل شده یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع، لازم است که موادی در دسترس باشند که بتوانند نوترون‌های اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط رآکتورواکنشگاه‌ باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آن‌ها نسبت به نوترون بالاست، ولی ماده مورد استفاده باید دارای چند خاصیت مکانیکی و شیمیایی باشد که برای این کار مفید واقع شود.

== انواع رآکتورهاواکنشگاه‌ها ==

دوگروه اصلی رآکتورهایواکنشگاه‌های هسته‌ای بر اساس تقسیم‌بندی کاربرد آنها. رآکتورهایواکنشگاه‌های قدرت و رآکتورهایواکنشگاه‌های تحقیقاتی هستند. رآکتورهایواکنشگاه‌های قدرت مولد برق بوده و رآکتورهایواکنشگاه‌های تحقیقاتی برای تحقیقات هسته‌ای پایه، مطالعات کاربردی تجزیه‌ای و تولید ایزوتوپ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بر حسب نوع فرایند شکافت، رآکتورهاواکنشگاه‌ها به اقسام حرارتی، ریع و میانی (واسطه)، و بر حسب مصرف سوخت به رآکتورهایواکنشگاه‌های سوزاننده، مبدل و زاینده، و بر حسب نوع سوخت به رآکتورهایواکنشگاه‌های اورانیوم طبیعی، رآکتورهایواکنشگاه‌های اورانیوم غنی شده با ۲۳۵U (راکتور مخلوطی Be)، و نیز بر حسب خنک‌کننده به رآکتورهایواکنشگاه‌های گاز (CO<small>۲</small>مایع (آب، فلز)، و بر حسب فاز سوخت کند کننده‌ها به رآکتورهایواکنشگاه‌های همگن، ناهمگن و بالاخره بر حسب کاربرد به رآکتورهایواکنشگاه‌های قدرت، تولید [[نوکلید]] و تحقیقاتی تقسیم می‌شوند.

=== رآکتورواکنشگاه‌ زاینده ===

این رآکتورهاواکنشگاه‌ها غالباً به منظور پاسخ به کمبود اورانیوم-۲۳۵ طراحی شده‌اند، و سوختشان به‌جای اورانیوم-۲۳۵، ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۸ یا توریوم است. سیستم‌های بریدری از نظر تئوری قابلیت تأمین انرژی دنیا را تا هزاران سال دارند.

این رآکتورهاواکنشگاه‌ها بیشتر در روسیه و ژاپن یافت می‌شوند و روسیه اولین تجاری ساز این رآکتورهاواکنشگاه‌ها بوده‌است.

=== رآکتورهایواکنشگاه‌های آب سنگین و آب سبک ===

[[رآکتور آب‌سبک|راکتورهای آب سبک]] با [[آب سبک|آب معمولی (آب سبک)]] کار می‌کنند هیدروژن آب معمولی از یک پروتون تشکیل شده‌است اما در هیدروژن [[آب سنگین]] یک پروتون و یک نوترون وجود دارد برای رآکتورهایواکنشگاه‌های آب سبک به اورانیوم غنی‌شده نیاز داریم اما در [[رآکتور آب‌سنگین|واکنشگاه‌ آب‌سنگین]] از اورانیوم معمولی می‌شود استفاده کرد به این ترتیب در عمل استفاده از رآکتورواکنشگاه‌ آب سنگین نتیجه‌ای شبیه به [[غنی‌سازی اورانیوم]] خواهد داشت.

== کاربردهای رآکتورهایواکنشگاه‌های هسته‌ای ==

* [http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-browse_image.php?imageId=26459&SSOReturnPage=Check&Rand=0 رآکتورواکنشگاه‌ هسته‌ای در وبگاه دانشنامه رشد]