مسائل ایمنی هسته ای و غیر هسته ای

از مسائل ایمنی هسته­ای، تریتیم موجود در سوخت و رادیواکتیو­شدن مواد ساختاری در اثر تابش نوترون­هاست.

۱- تریتیم: تریتیم یک ماده رادیو­اکتیو است که با نیمه عمر 12 سال فروپاشی از نوع بتا دارد. بیشینه انرژی تابش بتا keV 6/18 و متوسط انرژی آن keV 7/5 است. حتی با وجود این رادیواکتیویته ضعیف، باید تریتیم تحت محافظت قرار­گیرد زیرا به­آسانی بصورتی از آب­های (THO, T₂O) پخش می­شود. در دماهای معمولی تریتیم در محفظه­ای قابل نگهداری است، اما در دماهای بالاتر نشت پیدا خواهد­کرد. این ماده در بدن برای مدت طولانی باقی­مانده و اثرات خاصی بر اندام­های تولید­مثل آن می­گذارد. از نقطه نظر ایمنی باید مقدار تریتیم ذخیره شده در یک محفظه با دمای بالا را کاهش داد. اگر ترکیبات جامد لیتیم (Li₂Al₂O₄, Li₂O) به عنوان ماده زاینده تریتیم مورد­استفاده قرار­گیرند، می­توان از مقدار تریتیم موجود در هر محفظه کاست.

در طرح­های حفاظتی تریتیم تمامی جوانب ممکن مورد ­بررسی قرار­گرفته­اند. به عنوان مثالی از عملیات پایه، روشی است که در آن به جای یک محفظه از چند محفظه کوچکتر استفاده می­کنند تا اثرات ناشی از حوادث به فضای کوچکتری محدود شود. در این روش ذخیره­سازی چند سیستم مونیتور و رسام مورد استفاده قرار می­گیرد.

2-رادیواکتیویته القایی: مواد ساختمانی یک راکتور قدرت گداخت، در اثر تابش نوترونی رادیواکتیو می­شوند. این مواد رادیواکتیو را باید جمع­آوری و سپس خارج­ کرد. رادیواکتیویته این مواد طول عمر راکتور را افزایش می­دهد، همچنین در ضمن فروپاشی آنها انرژی حرارتی آزاد می­شود در نتیجه لازم است آنها را خنک کرد. مسئله ایمن­سازی راکتور از نظر این رادیواکتیویته ایجاد شده بسیار حائزاهمیت است، چون مهندسان به منظور تعویض و تعمیرات ضروری نمی­توانند به راکتور نزدیک شوند.

رادیواکتیویته ایجاد شده، به نوع ماده بستگی دارد. بنابراین از نقطه نظر ایمنی این نکات اهمیت دارند پس باید، مواد بصورتی انتخاب شوند که رادیواکتیویته آنها نیمه عمر بلندی نداشته باشد، سریع تبخیر نشود و در بدن موجودات زنده تمرکز پیدا نکند. بر اساس تحقیقات صورت گرفته Nb از نظر ایمنی دارای کمترین ارزش است، از سوی دیگر Al, V, SiC و C می­توانند در برابر مقادیر خفیف رادیواکتیو با نیمه­عمرهای بلند مقاومت کنند. وقتی Nb در راکتور مورد­استفاده قرار می­گیرد انرژی حرارتی آزاد شده حدود چند صدم کل قدرت راکتور است و در حالت استفاده از V کمتر از یک هزارم آن خواهد بود. در مقایسه با یک راکتور شکافت، انرژی حاصل از واپاشی هسته­ها در یک راکتور گداخت مسئله مهمی به شمار نمی­آید.

مسائل ایمنی غیرهسته ای

1- پلاسما در مرکز راکتور:

اولین مسئله ایمنی، انفجار هسته­ای پلاسما می­باشد. در روش محصورسازی مغناطیسی پلاسما، آهنگ واکنش هسته­ای ذرات پلاسما، از آنجا که فشار پلاسما با فشار مغناطیسی به تعادل می­رسد، در نواحی خاصی نمی­تواند افزایش پیدا کند. به عنوان مثال اگر چگالی یا دمای یون در اثر یک ناپایداری به صورت موضعی یا لحظه­ای افزایش یابند، این افزایش در سراسر پلاسما گسترش پیدا نمی­کند و نمی­تواند برای مدت زمان طولانی دوام داشته­باشد. وقوع یک حادثه معمولاً زمان محصورسازی پلاسما را کاهش می­دهد یا بر ناخالصی­های موجود در آن می­افزاید، در نتیجه خروجی راکتور را کاهش خواهد­داد. با پایین­بودن چگالی پلاسمایی مانند 1020 ذره بر متر مکعب، جرم کل سوخت راکتور چندان زیاد نخواهد بود. تحت چنین شرایطی وقوع یک انفجار هسته­ای بعید به نظر می رسد.

در راکتور گداختی که از محصورسازی لختی استفاده می­کند سوخت به شکل قرص­های کوچک تهیه شده­است. در این نوع راکتور به عنوان مثال افزایشی در جرم سوخت هدف یا افزایش انرژی محرک، عدم توازنی در تطبیق شرایط عملکرد راکتور به وجود می­آورد که در نتیجه باعث افت توان خروجی راکتور خواهد­شد.

کل انرژی حرارتی پلاسما J 10⁸×4/6 برای راکتور UWMAK اگر به شکل غیر­یکنواخت به دیواره اولیه برسد، بار دیواره به میزان J/cm²25 افزایش پیدا­خواهد­کرد. چنین شار انرژی دمای دیواره با ضخامتcm 1 را فقط چند درجه بالا می­برد. اما اگر این شار در ناحیه کوچکی از دیواره تمرکز پیدا کند باعث ذوب یا تبخیر مواد آن خواهد­شد. که این خود مقدمه حوادث بزرگتری می­تواند باشد به همین جهت پوشش دیواره اول به واحدهای کوچکی تقسیم شده تا به آسانی تعویض شوند.

2-لیتیم: لیتیم از نظر شیمیایی بسیار فعال است. وقتی در معرض هوا قرار می­گیرد می­سوزد، همچنین با بسیاری از مواد واکنش شدید انجام می­دهد. در طراحی راکتور اگر از ترکیبات غیر­فعال استفاده­شود، مشکل ایمنی راکتور از نظر لیتیم برطرف خواهد­شد.

3-مغناطیس­های ابررسانا: مقادیر عظیمی از انرژی مغناطیسی و هلیم مایع در یک مغناطیس ابررسانا موجود است. اگر خاصیت ابررسانایی مغناطیس از بین­برود و مانند آهنربای معمولی عمل کند، ماده ابررسانا در اثر حرارت آسیب­دیده و هلیم مایع به نقطه جوش می­رسد.

یک مغناطیس ابررسانا گرانقیمت است و خنک­کردن آن برای بازگشت خاصیت ابررسانایی احتیاج به زمان دارد. بنابراین باید تا حد ممکن از بروز حوادث احتمالی در مغناطیس جلوگیری­کرد. اگرچه تسهیلات بسیاری در کاربرد مغناطیس­های ابررسانا از طریق اعمال روش­های پایدارکننده به وجود آمده­اند، اما باید تکنولوژی تشخیص حالات غیرمعمول ابررسانا و در نتیجه حفاظت از آن نیز مورد بررسی قرار­گیرند. روش­های زیر برای نگهداری از مغناطیس مطرح شده اند:

1-انرژی ذخیره­شده در مغناطیس از طریق کریوستا (سرماپای) طی چرخه­ای در مدت زمانی خارج شود که در آن هیچگونه ولتاژ غیر معمول ایجاد نشده و همچنین دما به بیش از حد مجاز افزایش پیدا نکند.

2-هر پیچه به قطعات کوچکتری تقسیم شود تا تقارن مورد نیاز برای ورودی تأمین شده و تعادل جریان­ها نیز حفظ شود. در نتیجه کاربرد این روش در هنگام مغناطیس­کردن پیچه­ها، نیروهای الکترومغناطیسی تولید شده توسط مغناطیس­های ابررسانا، وقتی جریان مغناطیس کاهش می­یابد، متعادل خواهند بود. جهت جلوگیری از جوشیدن هلیم یک پوشش شکستنی در راکتور مورد استفاده قرار می­گیرد.

این اطلاعات سودمند در نتیجه کار با مغناطیس­های کوچکی که قابل­مقایسه با اندازه­های واقعی نیستند، بدست آمده­اند که به این­ترتیب تکنولوژی مربوط به حفاظت از مغناطیس­های بزرگ نیز توسعه داده شده­است.

چرخه سوخت

چرخه سوخت D-T در یک راکتور قدرت گداخت هسته­ای به صورت زیر است:

1- واکنش D-T در یک راکتور

2- تولید D در پوشش

3-واکنش افزاینده­ی نوترون

در یک واکنش D-T نوترون­های ایجاد شده در اثر واکنش، در پوشش محافظ تریتیم تولید می­کنند. به عبارت دیگر سوخت راکتور D-T حاوی D و Li است. D و Li هر دو ایزوتوپ­های پایداری می­باشند و به ترتیب مقدار 5/7 درصد و 5/92 درصد لیتیم طبیعی را تشکیل می­دهند. اگر فقط از Li در سوخت استفاده کنیم توازن قدرت راکتور افزایش می­یابد و راکتور با راندمان بالایی کار خواهد­کرد. استفاده منحصر از Li با وجود هزینه مربوط به جمع­آوری آن باعث کاهش مصرف لیتیم طبیعی خواهد شد اما از نقطه نظر تولید، کاربرد آن به تنهایی اقتصادی نخواهد­بود. در اینجا اقتصادی­بودن به این معناست که نوترون­ها با نسبت تولیدی بیش از واحد افزایش پیدا کنند بطوریکه کنترل و استفاده از نوترون­های ایجاد­شده در راکتور راندمان بالایی داشته باشد.