معرفی راکتورهای آب سبک و بررسی تفاوت راکتورهای آب سبک و سنگین

راکتور آب سبک نوعی راکتور حرارتی- نوترونی است که از آب معمولی بر خلاف آب سنگین (نوعی آب که حاوی مقدار بیشتری از ایزوتوپ هیدروژن دوتریوم است) استفاده می کند. راکتورهای آب سبک از آب به عنوان یک روش خنک کننده و یک تعدیل کننده نوترونی استفاده می کنند که سرعت حرکت سریع نوترون ها را کاهش می دهد. راکتورهای آب سبک با شکافت هسته ای کنترل شده گرما تولید می کنند. چندین بخش حیاتی مختلف در راکتورهای آب سبک وجود دارد که تولید انرژی هسته‌ای را ممکن می‌سازد.

واکنش‌های هسته‌ای در هسته راکتور هسته‌ای، جایی که اجزای سوخت هسته‌ای در آن قرار دارند، انجام می‌شود. هسته از میله های سوخت هسته ای ساخته شده است که مداد نازکی دارند و حدود 3.7 متر طول دارند. این میله ها توسط صدها دسته در دسته هایی به نام مجموعه سوخت گروه بندی می شوند و با قرص های اورانیوم یا اکسید اورانیوم پر می شوند.

میله های کنترل به داخل هسته پایین می آیند و با قرص هایی از موادی مانند هافنیوم یا کادمیوم که مسئول جذب نوترون هستند پر می شوند. نوترون هایی که توسط میله های کنترل جذب می شوند نمی توانند در واکنش زنجیره ای شرکت کنند، با این حال، زمانی که میله های کنترل از قلب بیرون می آیند، نوترون های بیشتری به هسته های شکافت پذیر U-235 (یا Pu-239) در میله های سوخت مجاور برخورد می کنند. و واکنش زنجیره ای با خارج شدن میله های کنترل تشدید می شود.

 همه این اجزا در یک مخزن فشار فولادی پر از آب، به نام مخزن راکتور محصور شده اند. گرمای تولید شده توسط شکافت هسته ای کنترل شده، آب را به بخار تبدیل می کند که توربین های مولد برق را به حرکت در می آورد. پس از عبور بخار از میان توربین ها، بخار دوباره به آب در کندانسور تبدیل می شود. در دو نوع راکتور آب سبک که در زیر به آنها اشاره شده است، این فرآیند کمی متفاوت انجام می شود.

راکتورهای آب تحت فشار

راکتورهای آب تحت فشار (PWR) اکثر نیروگاه های هسته ای غرب را تشکیل می دهند. در یک PWR، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، آب تحت فشار بالا به هسته راکتور ، جایی که توسط انرژی تولید شده توسط شکافت اتم ها گرم می شود، پمپ می شود. دو سیستم اصلی برای تبدیل گرمای تولید شده توسط واکنش های هسته به نیروی الکتریکی برای مصارف مسکونی و صنعتی استفاده می شود. سیستم اولیه گرما را به مولد بخار منتقل می کند، جایی که سیستم ثانویه کار را به دست می گیرد. سیستم ثانویه بخار تشکیل شده در مولد بخار را به ژنراتور اصلی توربین منتقل می کند، جایی که تبدیل به برق انجام می شود. 

بخار پس از عبور از توربین کم فشار به سمت کندانسور اصلی هدایت می شود. آب خنکی که از طریق لوله های کندانسور جریان می یابد، مسئول حذف گرمای اضافی از بخار است که به بخار اجازه می دهد متراکم شود. پس از این فرآیند، آب دوباره به ژنراتور بخار پمپ می شود تا بارها و بارها بازیافت شود. بر خلاف راکتور آب جوش، فشار در حلقه خنک کننده اولیه مانع از جوشیدن آب در راکتور می شود.

راکتورهای آب جوش

راکتور آب جوش (BWR) که در شکل 2 نشان داده شده است، دومین نوع متداول راکتور هسته ای مولد الکتریسیته پس از راکتور آب تحت فشار (PWR) است. تفاوت عمده در عملکرد یک BWR از سایر سیستم های هسته ای، تشکیل فضای خالی بخار در هسته است و در یک BWR، هسته راکتور آب را گرم می کند، که به بخار تبدیل می شود و یک توربین بخار را نیرو می دهد. در PWR، هسته راکتور آب را گرم می کند، اما آن را نمی جوشاند. در داخل مخزن راکتور آب جوش (BWR)، هنگامی که آب خالص از طریق گرمای جذب کننده هسته به سمت بالا حرکت می کند، مخلوط آب بخار تولید می شود.

 مخلوط آب و بخار از بالای هسته خارج شده و وارد دو مرحله جداسازی رطوبت می شود، جایی که قبل از ورود بخار به خط بخار، قطرات آب حذف می شوند. خط بخار، بخار را به سمت تغذیه توربین اصلی و ژنراتور الکتریکی متصل هدایت می کند. بخار استفاده نشده به کندانسور تخلیه می شود و در آنجا دوباره به آب متراکم می شود. آب حاصل از کندانسور از طریق یک سری پمپ به بیرون پمپ می شود و به مخزن راکتور برمی گردد تا دوباره مورد استفاده قرار گیرد و دوباره بازیافت شود. اپراتور می تواند جریان خنک کننده را از طریق هسته تغییر دهد و با تنظیم پمپ های چرخش و پمپ های جت، قدرت راکتور را تغییر دهد.

تفاوت راکتورهای آب سبک و سنگین

تفاوت راکتورهای آب سبک و سنگین در این مقاله آکادمی پرتویار شرح داده می شود.  راکتورهای آب سنگین ۳ تفاوت اصلی با راکتورهای آب سبک (شبیه آنچه در تهران یا بوشهر وجود دارد) دارد:

۱- راکتورهای آب سنگین از اورانیوم خام به عنوان سوخت مورد نیاز خود استفاده می کند در حالی که سوخت راکتورهای آب سبک اورانیوم غنی شده است. هر چه ابعاد راکتور کوچک تر و قدرت آن بالاتر باشد، به اورانیوم با غنای بیشتری نیاز دارد. راکتور آب سبک ایران در تهران اورانیوم با غنای ۲۰ درصد و راکتور قدرت آب سبک ساخته شده در بوشهر اورانیوم با غنای ۵ درصد مصرف می کند؛ اما به عنوان نمونه راکتورهایی که در زیردریایی ها مورد استفاده قرار می گیرد (به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود) از اورانیوم با غنای بالای ۶۰ درصد استفاده می کند. بنابراین راکتورهای آب سنگین از آنجا که نیاز به فرآیند غنی سازی برای تولید سوخت آنها وجود ندارد، به لحاظ اقتصادی به صرفه تر است.

۲- راکتورهای آب سبک توسط آب معمولی خنک می شود اما راکتورهای آب سنگین توسط آب سنگین خنک می شود. آب سنگین، همان آب معمولی است که در هسته اتم هیدروژن آن به جای یک پروتون، دو پروتون قرار دارد و به عبارت دیگر، به جای هیدروژن معمولی از یکی از ایزوتوپ های سنگین تر آن به نام دوتریوم تشکیل شده است. ویژگی آب سنگین این است که ظرفیت گرمایی بسیار بالاتری نسبت به آب سبک دارد و در واحد حجم، گرمای بیشتری را جذب می کند و در نتیجه توان خنک کنندگی آن بالاتر است.

۳- سوخت مصرف شده راکتورهای آب سبک دارای مقدار کمی پلوتونیوم است اما سوخت مصرف شده راکتورهای آب سنگین حاوی مقدار زیادی پلوتونیوم است که می تواند پس از طی عملیات بازفرآوری جداسازی شده و در پروژه تسلیحاتی یا غیر آن استفاده شود.

نتیجه

نیروگاه‌های هسته‌ای با استفاده از راکتورهای آب سبک، 20 درصد از انرژی الکتریکی در ایالات متحده را در دو دهه گذشته تامین کرده‌اند و مسئول بیش از 70 درصد از تولید انرژی الکتریکی غیر گلخانه‌ای در ایالات متحده هستند. [1] از آنجایی که تقاضای برق همچنان در حال افزایش است، اکثر نیروگاه های هسته ای فعال در حال حاضر به مجوزهای 60 ساله خود نزدیک می شوند. برنامه پایداری راکتور آب سبک (LWRS) در حال کار بر روی توسعه تاسیسات در حال کار است تا فراتر از مجوز 60 ساله عمل کنند و در عین حال قابلیت اطمینان، ایمنی، امنیت و بهره وری طولانی مدت را حفظ کنند.