میلههای کنترل[1] (راه کنترل): تنظیمکنندههای حیاتی واکنش هستهای
اساس کار: کنترل با نوترون
همه چیز با مفهوم واکنش زنجیرهای کنترلشده آغاز میشود. در مرکز یک رآکتور هستهای، اتمهای بزرگ مانند اورانیوم-235 (U-235) با برخورد نوترون شکافته میشوند. این شکافت، علاوه بر آزاد کردن انرژی عظیم، 2 یا 3 نوترون جدید نیز تولید میکند. اگر هر کدام از این نوترونهای جدید به اتم U-235 دیگری برخورد کند، شکافت دیگری رخ میدهد و این چرخه ادامه مییابد.
کلید کنترل این فرآیند، مدیریت تعداد نوترونهای در حال پرواز است. اگر تعداد نوترونها در هر لحظه ثابت بماند، رآکتور در حالت توان بحرانی[4] و پایدار کار میکند. اگر نوترونها افزایش یابند، واکنش شتاب گرفته و انرژی تولیدی به خطرناکی میرسد. اگر کاهش یابند، واکنش کند شده و رآکتور خاموش میشود. وظیفه میلههای کنترل، دقیقاً تنظیم این تعادل نوترونی است.
| نام ماده | نماد/فرمول | میزان جذب نوترون | کاربرد و توضیح |
|---|---|---|---|
| کادمیوم | Cd | بسیار بالا | جاذب قوی در رآکتورهای تحقیقاتی. مانند یک اسفنج بسیار قوی برای نوترونها عمل میکند. |
| بور | B (اغلب $B_4C$) | بالا | پرکاربردترین ماده در نیروگاههای هستهای امروزی. مقرون به صرفه و مؤثر است. |
| هافنیوم | Hf | بسیار بالا و بادوام | در رآکتورهای نظامی و زیردریاییهای هستهای به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی استفاده میشود. |
| گادولینیوم | Gd | عالی | گاهی اوقات در سوخت مخلوط میشود تا از شروع سریع و غیرقابل کنترل واکنش در ابتدا جلوگیری کند. |
مکانیسم فیزیکی: بالا، پایین، تنظیم دقیق
میلههای کنترل به صورت عمودی و دقیقاً در بین دستههای میلههای سوخت[5] قرار میگیرند. این میلهها به موتورهای الکتریکی یا سیستمهای هیدرولیک بسیار دقیقی متصل هستند که میتوانند آنها را میلیمتر به میلیمتر جابهجا کنند.
- برای شروع یا افزایش قدرت رآکتور: میلههای کنترل به آرامی از قلب رآکتور بیرون کشیده میشوند. در این حالت، نوترونهای کمتری جذب شده و فرصت بیشتری برای برخورد با سوخت و ادامه واکنش زنجیرهای پیدا میکنند.
- برای کاهش قدرت یا خاموشی اضطراری: میلههای کنترل به سرعت به داخل قلب رآکتور فرستاده میشوند. این عمل که SCRAM[6] نام دارد، مانند فشردن یک دکمه ترمز بزرگ است. نوترونها به طور انبوه جذب شده و واکنش زنجیرهای در کسری از ثانیه متوقف میشود.
- برای حفظ وضعیت پایدار: میلهها در یک موقعیت میانی ثابت نگه داشته میشوند تا تعداد نوترونهای تولیدی و از دست رفته دقیقاً برابر باشد (ضریب تکثیر[7] برابر 1).
یک آزمایش فکری: کنترل جمعیت در یک شهر
برای درک بهتر، یک شهر را تصور کنید که هر فرد بالغ (اتم سوخت) میتواند 2 یا 3 نامه (نوترون) برای دیگران بفرستد. دریافت نامه، فرد جدیدی را بالغ میکند و او نیز نامههایی میفرستد. اگر جمعیت نامهها بیش از حد شود، شهر شلوغ و خطرناک میشود. میلههای کنترل مانند مأموران پست هستند که برخی از نامهها را پیش از رسیدن به مقصد، کنفیشکن میکنند. با افزایش تعداد این مأموران (فروداندن میلهها)، تعداد نامههای در گردش کنترل میشود و شهر (رآکتور) در حالت ایمن و پایدار باقی میماند.
- اگر $ k_{eff} = 1 $: رآکتور بحرانی و پایدار است. (هدف عملیات عادی)
- اگر $ k_{eff} > 1 $: رآکتور فوقبحرانی و قدرت در حال افزایش است.
- اگر $ k_{eff} : رآکتور زیربحرانی و در حال خاموش شدن است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. طراحی رآکتورهای نیروگاهی به گونهای است که از نظر فیزیکی نمیتوانند مانند یک بمب اتمی منفجر شوند. سوخت آنها (U-235) به اندازه کافی غنی شده نیست و سیستمهای ایمنی غیرفعال[8] زیادی وجود دارند. حتی در صورت بالا آمدن تمام میلهها، عوامل دیگری مانند افزایش دما و گسترش ماده، خود به خود واکنش را کند میکنند. این یک اشتباه رایج اما مهم است.
این یکی از مهمترین نکات ایمنی است. میلههای کنترل معمولاً توسط نیروی گرانش یا فنرهای قوی در حالت آمادهباش نگه داشته میشوند. در صورت قطع برق یا تشخیص خطر، سیستم نگهدارنده رها شده و میلهها به طور خودکار و تنها تحت تأثیر وزن خود به داخل قلب رآکتور سقوط میکنند تا واکنش را متوقف کنند. این یک سیستم ایمنی غیرفعال حیاتی است.
اغلب بله، اما نه همیشه. شکل فیزیکی آنها میتواند بسته به طراحی رآکتور متفاوت باشد. در برخی رآکتورها (مثل نوع PHWR کانادایی) از مواد جاذب مایع (مانند اسید بوریک محلول در آب خنککننده) نیز برای کنترل دقیقتر استفاده میشود. اما اصل کار یکسان است: جذب نوترونهای اضافی.
پاورقی
[1] میلههای کنترل (Control Rods): میلههایی معمولاً از جنس کادمیوم، بور یا هافنیوم که با جذب نوترون، سرعت واکنش شکافت هستهای را در رآکتور تنظیم میکنند.
[2] جاذب نوترون (Neutron Absorber یا Neutron Poison): مادهای که تمایل زیادی به جذب نوترونهای آزاد دارد بدون آنکه خود شکافته شود.
[3] واکنش زنجیرهای شکافت هستهای (Nuclear Fission Chain Reaction): فرآیندی که در آن شکافت یک هسته سنگین، نوترونهایی آزاد میکند که خود باعث شکافت هستههای دیگر میشوند.
[4] توان بحرانی (Critical Power): حالتی که در آن تعداد نوترونهای تولیدشده در هر نسل با تعداد نوترونهای ازدسترفته دقیقاً برابر است و توان رآکتور ثابت میماند.
[5] میلههای سوخت (Fuel Rods): لولههای بلند و نازک حاوی پلت های سوخت هستهای (معمولاً دیاکسید اورانیوم) که در قلب رآکتور قرار میگیرند.
[6] SCRAM: یک عمل ایمنی اضطراری که طی آن تمام میلههای کنترل به سرعت و به طور کامل وارد قلب رآکتور میشوند تا واکنش شکافت را بلافاصله متوقف کنند. منشأ این کلمه احتمالاً از عبارت "Safety Control Rod Axe Man" در پروژه منهتن گرفته شده است.
[7] ضریب تکثیر (Multiplication Factor - k): نسبت تعداد نوترونهای یک نسل به نسل قبل. معیار اصلی کنترل پذیری رآکتور.
[8] سیستم ایمنی غیرفعال (Passive Safety System): سیستمی که برای عملکرد صحیح خود به منبع انرژی یا عملگر خارجی فعال نیاز ندارد (مانند سقوط میلههای کنترل تحت نیروی گرانش).
