نقش کندکننده‌های نوترون در راکتورهای هسته‌ای: اصول، مواد و کاربردها

کندکننده نوترون

در مهندسی هسته‌ای، کندکننده نوترون محیطی است که سرعت نوترون‌های سریع را کاهش می‌دهد و در نتیجه آنها را به نوترون‌های گرمایی که قابلیت وارد شدن به واکنش زنجیره‌ای اورانیوم-۲۳۵ را دارند، تبدیل می‌کند. کندکننده‌های معمول شامل آب سبک (تقریباً ۷۵٪ راکتورها)، گرافیت جامد (۲۰٪ راکتورها) و آب سنگین (۵٪ راکتورها) هستند. بریلیوم نیز در برخی از راکتورهای آزمایشی استفاده می‌شود و هیدروکربن‌ها نیز به عنوان گزینه‌ای دیگر معرفی شده‌اند. نوترون‌ها معمولاً به هسته اتم مقید هستند و به صورت آزاد در زمان‌های طولانی در طبیعت وجود ندارند. نوترون‌های غیرمقید نیم عمری حدود ۱۵ دقیقه دارند. رهاسازی نوترون‌ها از هسته به انرژی بیشتری از انرژی بستگی نوترون به هسته (برای بیشتر ایزوتوپ‌ها نوعاً حدود ۷-۹ MeV) نیاز دارد. چشمه‌های نوترونی با استفاده از انواع واکنش‌های هسته‌ای، شامل همجوشی و شکافت، نوترون‌های آزاد را تولید می‌کنند. هرچند چشمه‌های نوترونی، نوترون‌هایی با انرژی حدود MeV آزاد می‌کنند. از آنجایی که انرژی جنبشی، E، می‌تواند با دما وابسته باشد با رابطه $$E = \frac{3}{2} k_B T$$ دمای مشخصه نوترون چند MeV حدود ۱۰ میلیون درجه سلسیوس است.

کندسازی

کندسازی فرایند کاهش انرژی جنبشی زیاد اولیه نوترون‌های آزاد است. چون انرژی بقا دارد، این کاهش انرژی جنبشی نوترون با انتقال انرژی به ماده‌ای که به عنوان کندساز شناخته می‌شود، انجام می‌گیرد. این ماده همچنین به عنوان کاهنده (سرعت) نوترون شناخته می‌شود، چون همزمان با کاهش انرژی کاهش سرعت نیز می‌یابد. احتمال پراکندگی نوترون از هسته توسط سطح مقطع پراکندگی داده می‌شود. اولین برخورد نوترون با کندساز شاید انرژی به اندازه کافی بالایی داشته باشد تا هسته کندساز را برانگیخته کند. چنین برخوردی ناکشان است، چون بخشی از انرژی جنبشی با برانگیخته شدن برخی از درجات آزادی داخلی به انرژی پتانسیل تبدیل می‌شود. همانطور که انرژی نوترون پایین می‌آید، برخوردها عمدتاً کشسان می‌شوند؛ انرژی و اندازه حرکت کل دستگاه (که مربوط به نوترون و هسته است) پایسته می‌ماند. از ریاضیات برخوردهای کشسان، نوترون با بیشتر هسته‌ها قابل مقایسه است. بهترین راه برای انتقال انرژی جنبشی از نوترون، انتخاب کندکننده‌هایی است که هسته آنها جرم نزدیکی به جرم نوترون داشته باشد.

انتخاب مواد کندساز

برخورد نوترون با جرم ۱ با هسته (مثلاً پروتون) بالقوه همه انرژی نوترون را می‌تواند در یک برخورد شاخ به شاخ به پروتون انتقال دهد. برای عمومیت بیشتر هم برخوردهای شاخ به شاخ و هم برخوردهای دیگر لحاظ می‌شوند. لگاریتم متوسط کاهش انرژی نوترون در هر برخورد، $$\xi$$ فقط وابسته به جرم اتمی $$A$$ هسته است و توسط رابطه زیر داده می‌شود: $$\xi = \frac{4A}{(A+1)^2}$$ که می‌تواند با $$\xi \approx \frac{2}{A+1}$$ تقریب زده شود. از این می‌توان تعداد برخوردهای انتظاری نوترون با یک هسته نوعی داده شده که انرژی جنبشی نوترون را از $$E_0$$ به $$E$$ کاهش می‌دهد، نتیجه گرفت.

انتخاب مواد کندساز

برخی از هسته‌ها سطح مقطع جذبی بزرگتری نسبت به بقیه هسته‌ها دارند، که نوترون‌ها را از شار برمی‌دارند. یکی از معیارهای موثر کندساز این است که این پارامتر کوچک باشد. بازده کندسازی نسبت سطح مقطع میکروسکوپی پراکندگی $$\sigma_s$$ با تابع وزنی $$\xi$$ تقسیم بر سطح مقطع میکروسکوپی جذبی $$\sigma_a$$ است، یعنی: $$\frac{\sigma_s \cdot \xi}{\sigma_a}$$

برای کندساز ترکیبی که بیش از یک عنصر دارد، مثلاً آب سبک یا آب سنگین، باید اثرات جذب و کندسازی هر دو ایزوتوپ اتم هیدروژن و اکسیژن برای $$\xi$$ حساب شوند. برای آوردن نوترون از انرژی شکافت $$E_0 = 2MeV$$ به $$E = 1 eV$$ باید تعداد برخوردها ۱۶ و ۲۹ به ترتیب برای $$H_2O$$ و $$D_2O$$ باشد. بنابراین نوترون‌ها توسط آب سبک با سرعت بیشتری کند می‌شوند چونکه $$H$$ سطح مقطع پراکندگی $$\sigma_s$$ بسیار بزرگتری دارد. هرچند سطح مقطع جذب $$\sigma_a$$ بیشتری نیز دارد، بطوریکه بازده کندسازی تقریباً ۸۰ بار برای آب سبک بیشتر از آب سنگین است. کندکننده ایده‌آل دارای جرم کم، سطح مقطع پراکندگی بالا و سطح مقطع جذب کم است.

توزیع سرعت‌های نوترون

پس از برخوردهای کافی، سرعت نوترون با سرعت هسته داده شده توسط حرکت گرمایی قابل مقایسه خواهد بود؛ این نوترون، نوترون گرمایی نامیده می‌شود، و این فرایند را گرمایی سازی می‌خوانند. در تعادل در دمای داده شده، توزیع سرعت‌ها (انرژی‌ها) انتظاری پراکندگی کشسان کره‌های سخت توسط توزیع ماکسول-بولتزمن داده می‌شود. بخاطر سرعت (انرژی) وابسته به سطح مقطع جذب بیشتر مواد نیاز به اصلاح ناچیزی در کندساز واقعی دارد، پس نوترون‌های سرعت کم زودتر جذب می‌شوند، بطوری که توزیع سرعت نوترون در هسته کمی تیزتر از مقدار پیش‌بینی شده خواهد بود.

کندکننده‌های راکتور

در راکتور هسته‌ای حرارتی، هسته یک عنصر سوختی سنگین مثلاً اورانیوم یک نوترون آزاد سرعت کم را جذب می‌کند، ناپایدار می‌شود و به دو اتم کوچکتر (پاره‌های شکافت) شکافته می‌شود. فرایند شکافت برای اورانیوم-۲۳۵، دو پاره شکافت، دو یا سه نوترون آزاد سریع و انرژی اولیه‌ای که به شکل انرژی جنبشی پاره‌های شکافت پس زده ظاهر می‌شود، تولید می‌کند. نوترون‌های آزاد با انرژی جنبشی حدود ۲ MeV پخش می‌شوند. چون بیشتر نوترون‌ها از یک رویداد شکافت اورانیوم آزاد می‌شوند که خود به نوترون‌های گرمایی برای شروع رویداد نیاز دارند، واکنش می‌تواند تحت شرایط کنترل شده خود ابقا باشد، پس انرژی زیادی آزاد می‌شود. احتمال شکافت‌های بیشتر توسط سطح مقطع شکافت تعیین می‌شود که وابسته به سرعت (انرژی) نوترون‌های تابشی است. در راکتورهای حرارتی، نوترون‌های سرعت بالا با احتمال کمتری باعث شکافت می‌شوند. (برای نوترون‌های سریع غیرممکن نیست که باعث شکافت شوند، اما با احتمال کمتری). نوترون‌های سریع جدید آزاد شده، باید کند شوند یا "تعدیل شوند"، نوعاً از سرعت چند کیلومتر بر ثانیه، تا با احتمال بیشتری در نزدیکی هسته اورانیوم-۲۳۵ باعث شکافت شوند در نتیجه واکنش زنجیره‌ای ادامه پیدا می‌کند.

آلودگی‌های کندساز

کندسازهای خوب باید ناخالصی‌های جذب نوترون کم مانند بورن را داشته باشند. در نیروگاه‌های هسته‌ای تجاری، کندسازها معمولاً شامل بورن حل شده هستند. غلظت بورن در خنک‌کننده راکتور توسط اپراتورها با اضافه کردن اسید بوریک یا رقیق کردن با آب برای اداره قدرت نیروگاه کنترل می‌شود. برنامه هسته‌ای جنگ جهانی دوم آلمان با مشکل بزرگی روبرو شد زمانی که کندکننده‌های گرافیتی ارزان با شکست مواجه شدند. در آن زمان، بیشتر گرافیت‌ها روی الکترودهای بورن ته نشین می‌شدند و گرافیت تجاری آلمان شامل بورن زیادی بود. چون برنامه زمان جنگ آلمان موفق به حل این مسئله نشدند، آنها مجبور شدند از کندکننده‌های گران آب سنگین استفاده کنند. در آمریکا، فیزیک‌دان و مهندس شیمی لیوزیلارد (Leó Szilárd) این مسئله را حل کرد.

کندکننده‌های غیر گرافیتی

بعضی از کندکننده‌ها مانند بریلیوم و آب سنگین بسیار گران هستند. آب سنگین باید تا ۹۹٫۷۵٪ خالص باشد تا بتواند با اورانیوم طبیعی (غنی نشده) واکنش دهد. چون آب سنگین و آب معمولی پیوندهای شیمیایی یکسانی دارند و تنها در سرعت‌های کمی متفاوت هستند. کندکننده ارزان‌تر آب سبک (آب معمولی بسیار خالص) بسیاری از نوترون‌ها را جذب می‌کند و برای استفاده با اورانیوم غنی نشده مناسب نیست، بنابراین اورانیوم غنی شده یا فرآوری هسته‌ای برای بهره‌برداری چنین راکتورهایی لازم است. هم غنی‌سازی و هم فرآوری، فرآیندهای فنی و پیچیده‌ای هستند، و هم غنی‌سازی و هم فرآوری می‌تواند برای ساخت مواد قابل استفاده در سلاح‌های هسته‌ای استفاده شود.