راکتورهای هسته ای:

دونکته جالب توجه درفرآیندشکافت اورانیوم 235وجود داردکه سبب میشوداین واکنش به عنوان چشمه انرژی مورداستفاده قرارگیرد

1_چون واکنش شکافت دراین ایزوتوپ بانوترونهای کندانجام میشودبنابراین انجام واکنش نیازی به انرژی اولیه ندارد.

2_چون درهر فرآیند شکافت به طورمتوسط در حدود2.5نوترون تولید میشودبنابراین واکنش نوترونهای موردنیازبرای ادامه خودراتامین میکند

چون تعداد نوترونهای تولید شده بیش ازنوترونهای مصرف شده است وقوع واکنش زنجیری امکانپذیراست.طرح ساده ای ازواکنش زنجیری در شکل الف نشان داده شده است.

در این شکل تعدادنوترونهای تولید شده درهرفرآیند شکافت را سه نوترون در نظرگرفته ایم.مشاهده میکنیدکه تعدادنوترونهابه سرعت زیادمیشود.روشن است که واکنش شکافت زنجیری می تواندانرژی رادرفاصله زمانی کوتاه آزادسازد.

نباید تصور شودکه هرنوترون تولید شده می تواندسبب یک واکنش جدید شود,زیرااگرماده اولیه به شکل ورقه نازکی از اورانیوم باشدبیشترنوترونهاازسطح این ورقه فرارمی کنندونمی تواننددرارائه واکنش نقشی داشته باشدحتی اگر قطعه اورانیوم به صورت کره نیز باشدبازهم تعدادی از نوترونهااز سطح آن فرارمیکنند.

اگربخواهیم واکنش زنجیری ادامه یابدبایدماده اولیه اورانیوم یک اندازه معینی داشته باشد.اگراورانیوم خیلی کم باشدبیشترنوترونهای تولید شده ازماده سوخت فرارمیکنندوواکنش متوقف میشود.ازطرف دیگراگرمقدار اورانیوم را فوف العاده زیاد بگیریم تقریباتمام نوترونهای تولید شده درواکنش های بعدی شرکت خواهندکرد,وانرژی آزادشده دریک فاصله زمانی کوتاه چنان زیاد میشودکه نتیجه ای جز انفجار نخواهدداشت.بین دوحالت بالاحالت بهینه ای وجود داردک اگرمقدارماده اولیه رامقدارمناسبی درنظربکیریم به ازاء هر شکافت فقط یک نوترون در شکافت بعدی شرکت میکندودراین صورت واکنش با آهنگ ثابت ادامه می یابد.

این مقدارمعین ماده اولیه را که به ازاءهر شکافت فقط یک نوترون در شکافت بعدی شرکت میکندجرم بحرانی می نامند.

راکتورهای هسته ای راچنان طراحی میکنندکه درآنها واکنش شکافت در شرایطی نزدیک به حالت بحرانی انجام شود.طرح ساده ای از یک راکتوردرشکل ج وطراحی یک نیروگاه هسته ای تولید برقدرشکل د نشان داده شده است.

قلب راکتوراز سوخت             235Uتشکیل  شده است که درغلاف مخصوص قراردارد.این سوخت درماده ای که کندکننده نامیده میشودقراردارد.کندکننده برای کندکردن وبازتاباندن نوترونهایی که در فرآیند شکافت تولیدمیشوندمورداستفاده قرار میگیرند.همانطور که قبلا بیان گردید برای بالابردن احتمال جذب نوترون توسطU      235وانجام عمل شکافت لازم است نوترونهاکم انرژی باشند.ولی نوترونهایی که از واکنش های هسته ای ایجادمیگردند پرانرژی هستندولازم است تاانرژی آنها

توسط برخوردباهسته های دیگری گرفته شودواصطلاحا توترون کندشود.بنابراین کند کننده هااز ملزومات راکتورهای هسته ای هستند.

کندکننده های متداول عبارتند ازآب معمولی ,آب سنگین وکربن.اگردرآب معمولی به جای

1H

1

ایزوتوپ آن یعنی دوتریوم

2H

1

قرار گیردآب سنگین به دست میاید.

سرعت واکنش شکافت را به کمک چند میله کنترل که درقلب راکتورقرارمیگیرندمی توان تنظیم کرد.این میله های کنترل معمولاازماده ای مانند کادمیوم یابورساخته میشوندکه نوترونها را بخوبی جذب میکنند.برای افزایش آهنگ واکنشمیله ها را تا حدودی از قلب راکتورخارج میکنندوبرای کاهش آهنگ واکنش یامتوقف کردن آن,میله هارادر قلب راکتورفرومیکنند.

انرژی حاصل از واکنش شکافت سرانجام به صورت گرما ظاهر میشود.بنابراین راکتورهسته ای مانند کوره ای است که سوخت آن به جای زغال سنگ ,نفت یاگاز,اورانیوم   235 است.

گرمای تولید شده در اثرشکافت را بوسیله شاره ای که خنک کننده نامیده میشودازراکتور خارج میکنند.متداول ترین خنک کننده آب معمولی است که پس از عبوراز قلب راکتورکاملا گرم میشود.این گرمابرای تولید بخار مورد استفاده قرار میگیردکه توربینهایی رابه کارمی اندازدوتوربینها به نوبه خودمولدهای برق را به کارمی اندازند.

منبع:فیزیک سال چهارم دبیرستان نظام قدیم