وضعیت زیر بحرانی: وقتی واکنش زنجیرهای متوقف میشود
زنجیرهای از اتفاقات: از شکافت هستهای تا دومینو
برای درک «زیر بحرانی»، اول باید بفهمیم «واکنش زنجیرهای» چیست. یک واکنش زنجیرهای مثل یک سری اتفاق پشت سر هم است که هر کدام باعث رخ دادن اتفاق بعدی میشود. معروفترین مثال، شکافت5 هستهای است. وقتی یک نوترون6 به هستهٔ یک اتم سنگین مثل اورانیوم-۲۳۵ برخورد میکند، آن را میشکند. این شکستن، انرژی زیاد و چند نوترون جدید آزاد میکند. اگر این نوترونهای جدید به هستههای دیگر اورانیوم برخورد کنند، آنها را هم میشکنند و نوترونهای بیشتری آزاد میشود. به این ترتیب یک زنجیره از واکنشهای شکافت ایجاد میشود.
کلید کنترل این زنجیره، مفهومی به نام ضریب تکثیر (k) است. این ضریب به زبان ساده میگوید: به ازای هر شکافت، چند شکافت جدید ایجاد میشود؟ پاسخ این سؤال سه حالت کلی را تعریف میکند:
| حالت | ضریب تکثیر (k) | توصیف واکنش | وضعیت |
|---|---|---|---|
| زیر بحرانی | k | تعداد نوترونهای نسل بعد کمتر از نسل قبل است. واکنش زنجیرهای ضعیف شده و متوقف میشود. | خاموششونده |
| بحرانی | k = 1 | تعداد نوترونهای نسل بعد دقیقاً برابر نسل قبل است. واکنش با سرعت ثابت و پایدار ادامه مییابد. | پایدار |
| فوق بحرانی | k > 1 | تعداد نوترونهای نسل بعد بیشتر از نسل قبل است. واکنش زنجیرهای به سرعت رشد کرده و شدت مییابد. | انفجاری/رشدکننده |
حالت زیر بحرانی حالتی است که $ k . یعنی اگر در یک نسل ۱۰۰۰ شکافت داشته باشیم، در نسل بعدی کمتر از ۱۰۰۰ شکافت جدید رخ میدهد. این روند ادامه پیدا میکند تا واکنش کاملاً از بین برود. مانند ریزش یک بهمن کوچک که قبل از بزرگ شدن متوقف میشود.
عوامل کلیدی ایجاد حالت زیر بحرانی
چه چیزی باعث میشود یک سیستم به حالت زیر بحرانی برود؟ چند عامل اصلی مانند ترمزهایی عمل میکنند که از رشد زنجیره جلوگیری میکنند:
۱. جرم یا حجم ناکافی مادهٔ شکافتپذیر: مهمترین عامل، داشتن جرم بحرانی7 کافی است. اگر مقدار اورانیوم-۲۳۵ در یک نقطه از یک حد معین کمتر باشد، بسیاری از نوترونهای آزاد شده قبل از برخورد با هستهٔ دیگر، از مجموعه فرار میکنند و واکنش زنجیرهای ادامه نمییابد.
۲. وجود جاذبهای نوترون: موادی مانند بور8 یا کادمیوم9 نوترونها را به راحتی جذب میکنند و مانع از رسیدن آنها به هستههای شکافتپذیر میشوند. در راکتورها، میلههای کنترل از این جنس ساخته میشوند.
۳. شکل و تراکم ماده: شکل کروی بهترین حالت برای رسیدن به شرایط بحرانی است چون کمترین سطح را دارد و نوترون کمتری فرار میکند. اگر ماده به شکل ورق پخش شود، سطح تماس با محیط زیاد شده و نوترونهای بیشتری گم میشوند.
۴. کندساز ناکافی: نوترونهای سریع (پرانرژی) شانس کمتری برای ایجاد شکافت دارند. کندسازها10 (مانند آب سنگین یا گرافیت) سرعت نوترون را کم میکنند تا شانس برخورد مؤثر افزایش یابد. اگر کندساز کافی نباشد، بسیاری از نوترونها بدون ایجاد شکافت، از سیستم خارج میشوند.
کاربرد حیاتی در ایمنی راکتورهای هستهای
مهمترین کاربرد عملی مفهوم زیر بحرانی، در طراحی و کنترل راکتورهای هستهای است. راکتور باید همیشه در حالت بحرانی ($ k = 1 $) قابل کنترل باشد. اما برای خاموش کردن یا کاهش قدرت راکتور، آن را به حالت زیر بحرانی میبرند. این کار معمولاً با فرو بردن میلههای کنترل از جنس جاذب نوترون (مثل بور) در قلب راکتور انجام میشود. این میلهها نوترونهای اضافی را جذب میکنند و ضریب تکثیر را به زیر ۱ میرسانند.
یک مثال روزمره: کنترل قدرت راکتور مثل کنترل سرعت ماشین با پدال گاز و ترمز است. حالت بحرانی مانند حرکت با سرعت ثابت (گاز و ترمز متعادل). حالت فوق بحرانی مانند فشردن گاز (افزایش قدرت) و حالت زیر بحرانی مانند فشردن ترمز (کاهش قدرت تا توقف) است. سیستمهای ایمنی پیشرفته در راکتورها به گونهای طراحی شدهاند که در صورت بروز هرگونه مشکل، به طور خودکار راکتور را به حالت زیر بحرانی عمیق ببرند تا واکنش کاملاً متوقف شود.
مثالهای ملموس از دنیای غیرهستهای
مفهوم واکنش زنجیرهای و حالت زیر بحرانی فقط به فیزیک هستهای محدود نمیشود. در اطراف ما مثالهای سادهای وجود دارد:
۱. بازی دومینو: اگر ردیفی از دومینوها را بچینید و اولین مهره را بیندازید، یک واکنش زنجیرهای زیبا ایجاد میشود. حالا اگر فاصلهٔ بین مهرهها را خیلی زیاد کنید (مشابه فرار نوترون)، ممکن است افتادن یک مهره باعث افتادن مهرهٔ بعدی نشود. در این حالت، واکنش بعد از چند مهره متوقف میشود. این یک سیستم زیر بحرانی است!
۲. گسترش یک شایعه: فرض کنید یک نفر یک خبر را به دو نفر میگوید. آن دو نفر هر کدام به دو نفر دیگر، و همینطور ادامه پیدا میکند. اگر در مرحلهای، برخی از شنوندگان تصمیم بگیرند خبر را به کسی نگویند (مثل جذب نوترون)، سرعت گسترش شایعه کم میشود و ممکن است کاملاً متوقف شود. این هم یک نمونه از زنجیرهٔ زیر بحرانی در جامعه است.
۳. آتشسوزی در جنگل: برای اینکه آتش گسترش پیدا کند، باید هر بوته یا درخت آتشگرفته، بتواند حداقل یک مادهٔ سوختی جدید را آتش بزند. اگر درختان به اندازهٔ کافی از هم فاصله داشته باشند (کمبود مادهٔ شکافتپذیر) یا رطوبت هوا بالا باشد (وجود جاذب انرژی)، آتش به حالت زیر بحرانی میرود و خودبهخود خاموش میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 Subcritical State - 2 Chain Reaction - 3 Nuclear Reactor - 4 Multiplication Factor (k) - 5 Fission - 6 Neutron - 7 Critical Mass - 8 Boron - 9 Cadmium - 10 Moderator - 11 Radioactive Decay
