سم النيوترونات

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

في تطبيقات مثل المفاعلات النووية ، يُعرف مُثبِّط النيوترونات (أو ما يُسمى أيضًا مُمتص النيوترونات أو السم النووي ) بأنه مادة ذات مقطع عرضي كبير لامتصاص النيوترونات . [ 1 ] في مثل هذه التطبيقات، يُعد امتصاص النيوترونات عادةً تأثيرًا غير مرغوب فيه. مع ذلك، تُضاف مواد ماصة للنيوترونات، تُسمى أيضًا بالمُثبِّطات، عمدًا إلى بعض أنواع المفاعلات لتقليل التفاعل العالي للوقود الأولي الجديد. بعض هذه المُثبِّطات يتلاشى مع امتصاصها للنيوترونات أثناء تشغيل المفاعل، بينما يبقى البعض الآخر ثابتًا نسبيًا.

يُعرف التقاط النيوترونات بواسطة منتجات الانشطار ذات عمر النصف القصير باسم تسمم المفاعل ؛ ويُطلق على التقاط النيوترونات بواسطة منتجات الانشطار طويلة العمر أو المستقرة اسم خبث المفاعل . [ 2 ]

سموم نواتج الانشطار العابرة

تتميز بعض نواتج الانشطار الناتجة عن التفاعلات النووية بقدرة عالية على امتصاص النيوترونات، مثل الزينون-135 (مقطع عرضي مجهري σ  =  2,000,000 بارن (b)؛ يصل إلى 3 ملايين بارن في ظروف المفاعل) [ 3 ] والساماريوم -149 (σ = 74,500 بارن). ولأن هذين الناتجين يُزيلان النيوترونات من المفاعل، فإنهما يؤثران على عامل الاستخدام الحراري، وبالتالي على التفاعلية. وقد يصبح تسمم قلب المفاعل بهذين الناتجين خطيرًا لدرجة توقف التفاعل المتسلسل .    

يؤثر الزينون-135 بشكل خاص تأثيرًا بالغًا على تشغيل المفاعل النووي، كونه أقوى مُسمِّم نيوتروني معروف. ويُشار أحيانًا إلى عدم قدرة المفاعل على إعادة التشغيل بسبب تراكم الزينون-135 (الذي يصل إلى ذروته بعد حوالي 10 ساعات) باسم " بدء التشغيل المُعاق بالزينون" . وتُسمى الفترة الزمنية التي يعجز فيها المفاعل عن التغلب على آثار الزينون-135 بـ" زمن توقف الزينون" أو "انقطاع السم" . خلال فترات التشغيل المستقر، عند مستوى ثابت لتدفق النيوترونات ، يصل تركيز الزينون-135 إلى قيمته التوازنية لتلك القدرة المفاعلية في غضون 40 إلى 50 ساعة تقريبًا. وعند زيادة قدرة المفاعل، ينخفض ​​تركيز الزينون-135 مبدئيًا نظرًا لزيادة معدل الاحتراق عند مستوى القدرة الجديد الأعلى. لذا، تُعد ديناميكيات تسمم الزينون مهمة لاستقرار نمط التدفق وتوزيع القدرة الهندسي، لا سيما في المفاعلات الكبيرة الحجم.

نظرًا لأن 95% من إنتاج الزينون-135 ينتج عن تحلل اليود-135 ، الذي يبلغ عمر النصف له من 6 إلى 7 ساعات، فإن إنتاج الزينون-135 يبقى ثابتًا؛ عند هذه النقطة، يصل تركيز الزينون-135 إلى أدنى مستوى له. ثم يرتفع التركيز إلى حالة التوازن لمستوى الطاقة الجديد خلال نفس الفترة الزمنية، أي ما يقارب 40 إلى 50 ساعة. يعتمد مقدار ومعدل تغير التركيز خلال الفترة الأولية التي تتراوح من 4 إلى 6 ساعات بعد تغيير الطاقة على مستوى الطاقة الأولي وعلى مقدار التغير في مستوى الطاقة؛ ويكون تغير تركيز الزينون-135 أكبر مع زيادة التغير في مستوى الطاقة. عند خفض طاقة المفاعل، تنعكس العملية. [ 4 ]

نظرًا لأن الساماريوم-149 غير مشع ولا يُزال بالتحلل، فإنه يطرح مشاكل تختلف نوعًا ما عن تلك التي تُصادف مع الزينون-135. يتراكم تركيزه عند الاتزان (وبالتالي تأثير التسمم) ليصل إلى قيمة ثابتة أثناء تشغيل المفاعل في غضون 500 ساعة تقريبًا (حوالي ثلاثة أسابيع)، وبما أن الساماريوم-149 مستقر، فإن تركيزه يبقى ثابتًا تقريبًا أثناء تشغيل المفاعل. [ 5 ] ومن النظائر الأخرى التي تتراكم وتُسبب مشاكل، الغادولينيوم-157 ، بمقطع عرضي مجهري σ  =  200,000  بارن.

تراكم سموم نواتج الانشطار

توجد العديد من نواتج الانشطار الأخرى التي تُؤثر سلبًا على تشغيل المفاعل نتيجةً لتركيزها ومقطعها العرضي لامتصاص النيوترونات الحرارية. لا تُشكل هذه النواتج، منفردةً، مشكلةً كبيرة، ولكن عند اجتماعها، يكون لها تأثيرٌ بالغ. غالبًا ما تُوصف هذه النواتج بأنها سموم نواتج انشطارية مُجمّعة ، وتتراكم بمعدل 50 بارن لكل حدث انشطار في المفاعل. يؤدي تراكم سموم نواتج الانشطار في الوقود في نهاية المطاف إلى فقدان الكفاءة، وفي بعض الحالات إلى عدم الاستقرار. عمليًا، يُعد تراكم سموم المفاعل في الوقود النووي هو ما يُحدد عمر الوقود النووي في المفاعل: فقبل حدوث جميع الانشطارات المُحتملة بوقتٍ طويل، يُؤدي تراكم نواتج الانشطار طويلة العمر الماصة للنيوترونات إلى إخماد التفاعل المتسلسل. لهذا السبب تُعد إعادة معالجة الوقود النووي نشاطًا مُفيدًا: إذ يحتوي الوقود النووي الصلب المُستنفد على حوالي 97% من المواد القابلة للانشطار الأصلية الموجودة في الوقود النووي المُصنّع حديثًا. يُعيد الفصل الكيميائي لنواتج الانشطار الوقود إلى حالته الأصلية بحيث يُمكن استخدامه مرةً أخرى.

تشمل الطرق المحتملة الأخرى لإزالة نواتج الانشطار استخدام الوقود الصلب المسامي الذي يسمح بتسرب هذه النواتج [ 6 ]، والوقود السائل أو الغازي ( مفاعل الملح المنصهر ، مفاعل متجانس مائي ). تُخفف هذه الطرق من مشكلة تراكم نواتج الانشطار في الوقود، لكنها تُثير مشكلة إضافية تتمثل في إزالتها وتخزينها بأمان. بعض نواتج الانشطار مستقرة أو تتحلل بسرعة إلى نويدات مستقرة. من بين نواتج الانشطار متوسطة العمر وطويلة العمر (حوالي ستة لكل منهما) ، بعضها، مثل 99تم اقتراح استخدام التكنيتيوم (Tc ) في التحويل النووي تحديدًا بسبب مقطع التقاطه غير المهمل.

تشمل نواتج الانشطار الأخرى ذات مقاطع الامتصاص العالية نسبيًا الكريبتون -83 ، والموليبدينوم -95 ، والنيوديميوم -143 ، والبروميوم -147 . [ 7 ] وفوق هذه الكتلة، تمتلك العديد من النظائر ذات العدد الكتلي الزوجي مقاطع امتصاص كبيرة، مما يسمح لنواة واحدة بامتصاص عدة نيوترونات بشكل متسلسل. ينتج عن انشطار الأكتينيدات الأثقل كميات أكبر من نواتج الانشطار الأثقل في نطاق اللانثانيدات، لذا يكون مقطع الامتصاص الكلي للنيوترونات في نواتج الانشطار أعلى. [ 8 ]

في المفاعلات السريعة، قد يختلف وضع التسمم بنواتج الانشطار اختلافًا كبيرًا نظرًا لاختلاف مقاطع امتصاص النيوترونات بين النيوترونات الحرارية والنيوترونات السريعة . في مفاعل RBEC-M السريع المبرد بالرصاص والبزموت ، فإن نواتج الانشطار التي تزيد نسبة امتصاصها للنيوترونات عن 5% من إجمالي نواتج الانشطار الممتصة هي، بالترتيب، السيزيوم -133 ، والروثينيوم -101 ، والروديوم -103 ، والتكنيتيوم -99 ، والبلاديوم -105 ، والبلاديوم -107 في قلب المفاعل ، بينما يحل السماريوم -149 محل البلاديوم -107 في المرتبة السادسة في غطاء التوليد. [ 9 ]

سموم التحلل

إضافةً إلى سموم نواتج الانشطار، تتحلل مواد أخرى في المفاعل إلى مواد تعمل كسموم للنيوترونات. ومن الأمثلة على ذلك تحلل التريتيوم إلى الهيليوم-3 . ونظرًا لأن عمر النصف للتريتيوم يبلغ 12.3 سنة، فإن هذا التحلل لا يؤثر عادةً بشكل كبير على عمليات المفاعل نظرًا لبطء معدل تحلله. مع ذلك، إذا تم إنتاج التريتيوم في مفاعل ثم تُرك فيه خلال فترة توقف مطولة لعدة أشهر، فقد تتحلل كمية كافية منه إلى هيليوم-3 لتُضيف قدرًا كبيرًا من التفاعلية السلبية. أي هيليوم-3 يُنتج في المفاعل خلال فترة التوقف سيُزال أثناء التشغيل اللاحق عن طريق تفاعل نيوترون-بروتون ، لأن الهيليوم-3 يتميز بمقطع امتصاص عالٍ للنيوترونات الحرارية، مما يُنتج التريتيوم والهيدروجين مرة أخرى. تُنتج مفاعلات الماء الثقيل المضغوطة كميات صغيرة ولكنها ملحوظة من التريتيوم من خلال التقاط النيوترونات في مُعدِّل الماء الثقيل، والذي سيتحلل بدوره إلى هيليوم-3. نظراً للقيمة السوقية العالية لكل من التريتيوم والهيليوم-3، يُزال التريتيوم دورياً من مُهدئ/مُبرد بعض مفاعلات كاندو ويُباع بربح. [ 10 ] كما تُنتج عملية إضافة حمض البوريك إلى الماء (إضافة حمض البوريك إلى مُهدئ/مُبرد)، الشائعة الاستخدام في مفاعلات الماء الخفيف المضغوطة، كميات لا يُستهان بها من التريتيوم عبر التفاعلات المتتالية: 10⁵B ( n , α ) ⁷³Li و 7³Li ( n , αn) ⁷³T ، أو (في وجود النيوترونات السريعة ) 7³Li (n,2n) ⁶³Li ، ثم 6³Li (n,α) ⁷³T . وتُنتج النيوترونات السريعة أيضاً التريتيوم مباشرةً من البورون عبر التفاعل 10⁵B ( n , 2α ) ⁷³T . [ 11 ] تنتج جميع مفاعلات الانشطار النووي كمية معينة من التريتيوم عبر الانشطار الثلاثي . [ 12 ]

مكافحة السموم

رسم تخطيطي لقضبان التحكم في مفاعل نووي. عندما تكون قضبان التحكم في وضعية الخفض، يكون التفاعل دون المستوى الحرج: حيث يتم امتصاص عدد كبير جدًا من النيوترونات بحيث لا يحدث تفاعل متسلسل. يؤدي رفع القضبان إلى جعل المفاعل في حالة حرجة، وتبدأ قضبان الوقود في إنتاج الحرارة.

أثناء تشغيل المفاعل، تتناقص كمية الوقود الموجودة في قلبه بشكل مطرد . إذا كان من المقرر تشغيل المفاعل لفترة طويلة، فيجب إضافة وقود يفوق الكمية اللازمة للوصول إلى حالة التفاعل الحرجة عند تزويده بالوقود. يجب موازنة التفاعلية الموجبة الناتجة عن الوقود الزائد بتفاعلية سالبة من مادة ماصة للنيوترونات. تُعد قضبان التحكم المتحركة التي تحتوي على مادة ماصة للنيوترونات إحدى الطرق، ولكن الاعتماد على قضبان التحكم وحدها لموازنة التفاعلية الزائدة قد يكون غير عملي في بعض تصميمات القلوب، نظرًا لاحتمالية عدم كفاية المساحة للقضبان أو آلياتها، لا سيما في الغواصات حيث تُعد المساحة محدودة للغاية.

سموم قابلة للاحتراق

للسيطرة على كميات كبيرة من التفاعلية الزائدة للوقود دون استخدام قضبان التحكم، تُحمّل مواد سامة قابلة للاحتراق في قلب المفاعل. هذه المواد السامة هي مواد ذات مقطع عرضي عالٍ لامتصاص النيوترونات، تتحول إلى مواد ذات مقطع عرضي منخفض نسبيًا نتيجة امتصاص النيوترونات. وبسبب احتراق المادة السامة، تتناقص تفاعليتها السالبة مع مرور الوقت. ومن الناحية المثالية، ينبغي أن تتناقص هذه المواد السامة في تفاعليتها السالبة بنفس معدل تناقص التفاعلية الموجبة الزائدة للوقود.

تُستخدم السموم الثابتة القابلة للاحتراق عادةً على شكل مركبات من البورون [ 13 ] أو الغادولينيوم ، تُشكّل على هيئة قضبان أو صفائح شبكية منفصلة، ​​أو تُضاف إلى الوقود. ونظرًا لإمكانية توزيعها بشكل أكثر انتظامًا من قضبان التحكم، فإن هذه السموم تُحدث اضطرابًا أقل في توزيع الطاقة في قلب المفاعل. كما يُمكن تحميل السموم الثابتة القابلة للاحتراق بشكل منفصل في مواقع محددة في قلب المفاعل لتشكيل أو التحكم في تدفقات الطاقة، وذلك لمنع التدفق الزائد وذروة الطاقة بالقرب من مناطق معينة من المفاعل. مع ذلك، فإن الممارسة الحالية هي استخدام سموم ثابتة غير قابلة للاحتراق في هذا الغرض. [ 14 ]

سم غير قابل للاحتراق

السم غير القابل للاحتراق هو السم الذي يحافظ على قيمة تفاعلية سلبية ثابتة طوال عمر المفاعل. مع أنه لا يوجد سم نيوتروني غير قابل للاحتراق بشكل قاطع، إلا أنه يمكن اعتبار بعض المواد سمومًا غير قابلة للاحتراق في ظل ظروف معينة. ومن الأمثلة على ذلك الهافنيوم ، الذي يمتلك خمسة نظائر مستقرة ، منها 176 نظيرًا.من Hf إلى 180يمكن لجميع ذرات الهافنيوم امتصاص النيوترونات، لذا فإن أول أربع ذرات لا تتغير كيميائياً بامتصاصها للنيوترونات. (ينتج عن الامتصاص النهائي 181)الهافنيوم ، الذي يتحلل بيتا إلى 181(Ta .) ينتج عن سلسلة الامتصاص هذه سم قابل للاحتراق طويل الأمد يقارب خصائص السم غير القابل للاحتراق. [ 15 ]

السموم القابلة للذوبان

تُنتج السموم الذائبة، والتي تُسمى أيضًا بالحشوات الكيميائية ، امتصاصًا متجانسًا للنيوترونات عند إذابتها في سائل التبريد المائي. يُعد حمض البوريك ، الذي يُشار إليه غالبًا باسم البورون الذائب، أكثر السموم الذائبة شيوعًا في مفاعلات الماء المضغوط التجارية . يُقلل حمض البوريك الموجود في سائل التبريد من عامل الاستخدام الحراري، مما يؤدي إلى انخفاض التفاعلية. من خلال تغيير تركيز حمض البوريك في سائل التبريد، وهي عملية تُعرف باسم البورنة والتخفيف، يُمكن تغيير تفاعلية قلب المفاعل بسهولة. عند زيادة تركيز البورون (البورنة)، يمتص سائل التبريد/المُهدئ المزيد من النيوترونات، مما يُضيف تفاعلية سالبة. أما عند تقليل تركيز البورون (التخفيف)، فتُضاف تفاعلية موجبة. يُعد تغيير تركيز البورون في مفاعل الماء المضغوط عملية بطيئة، وتُستخدم بشكل أساسي للتعويض عن احتراق الوقود أو تراكم السموم.

يُتيح التباين في تركيز البورون تقليل استخدام قضبان التحكم، مما ينتج عنه توزيع تدفق أكثر استواءً على قلب المفاعل مقارنةً بما يُمكن تحقيقه بإدخال القضبان. ويعود هذا التوزيع الأكثر استواءً إلى عدم وجود مناطق ذات تدفق منخفض كتلك التي قد تتكون بالقرب من قضبان التحكم المُدخلة. لا يُستخدم هذا النظام على نطاق واسع لأن المواد الكيميائية تُقلل من سلبية معامل تفاعل درجة حرارة المُهدئ. [ 14 ] تستخدم جميع أنواع مفاعلات الماء المضغوط التجارية العاملة في الولايات المتحدة (ويستنجهاوس، وكومبشن إنجينيرينج، وبابكوك آند ويلكوكس) البورون القابل للذوبان للتحكم في التفاعل الزائد. بينما لا تستخدمه مفاعلات البحرية الأمريكية ومفاعلات الماء المغلي. ومن المشاكل المعروفة لحمض البوريك أنه يزيد من مخاطر التآكل، كما يتضح من حادثة وقعت عام 2002 في محطة ديفيس-بيسي للطاقة النووية . [ 16 ]

تُستخدم السموم الذائبة أيضًا في أنظمة الإيقاف الطارئ. أثناء عملية إيقاف التشغيل الطارئ (SCRAM)، يمكن للمشغلين حقن محاليل تحتوي على سموم النيوترونات مباشرةً في سائل تبريد المفاعل. وتُستخدم محاليل مائية متنوعة، بما في ذلك البوراكس ، وبولي بورات الصوديوم ، ونترات الغادولينيوم . [ 14 ]

مراجع

  1. ↑ "السم النووي (أو السم النيوتروني)" . مسرد المصطلحات . هيئة التنظيم النووي الأمريكية . 7 مايو 2014. مؤرشف من الأصل في 14 يوليو 2014. تم الاطلاع عليه في 4 يوليو 2014 .
  2. ↑ كروغلوف، أركادي (2002). تاريخ الصناعة الذرية السوفيتية . ترجمة أندريه لوخوف. لندن: تايلور وفرانسيس. ص 57. ISBN  0-415-26970-9. OCLC 50952983. تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 يوليو 2014 . 
  3. ↑ ""تسمم الزينون" أو امتصاص النيوترونات في المفاعلات . hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . مؤرشف من الأصل بتاريخ 3 أبريل 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 أبريل 2018 .
  4. ↑ دليل وزارة الطاقة، الصفحات 35-42.
  5. ↑ دليل وزارة الطاقة، الصفحات 43-47.
  6. ↑ ليفيو بوبا-سيميل (2007). "مزايا الوقود الخالي من السموم" . مؤتمر الفضاء النووي 2007. مؤرشف من الأصل في 2 مارس 2008. تم الاطلاع عليه في 27 سبتمبر 2007 .
  7. ↑ الجدول ب-3: مقاطع امتصاص النيوترونات الحرارية وتكاملات الرنين - بيانات نووية لمنتجات الانشطار. مؤرشف بتاريخ 2011-07-06 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
  8. ↑ "تطور المقاطع العرضية لمنتجات الانشطار" . مؤرشف من الأصل في 2 يناير 2009. تم الاطلاع عليه في 12 أبريل 2023 .
  9. ↑ دودنيكوف، أ.أ.؛ سيدوف، أ.أ. "حسابات قياس أداء مفاعل RBEC-M السريع المبرد بالرصاص والبزموت" (ملف PDF) . الوكالة الدولية للطاقة الذرية .
  10. ↑ بيرسون، ريتشارد جيه؛ أنتونيازي، أرماندو بي؛ نوتال، ويليام جيه (1 نوفمبر 2018). "إمدادات التريتيوم واستخدامه: قضية رئيسية لتطوير طاقة الاندماج النووي" . هندسة وتصميم الاندماج . 136 : 1140-1148 . Bibcode : 2018FusED.136.1140P . doi : 10.1016/j.fusengdes.2018.04.090 . S2CID 53560490 . 
  11. ↑ استخدام البورون في مفاعلات الماء المضغوط ومفاعلات التسخين السريع . مؤرشف بتاريخ 4 فبراير 2022 في أرشيف الإنترنت.
  12. ↑ "الانشطار الثلاثي | nuclear-power.com" . الطاقة النووية . مؤرشف من الأصل في 7 مارس 2022. تم الاطلاع عليه في 7 مارس 2022 .
  13. ↑ تصنيع وتقييم عناصر وقود اليورانيوم-الألومينا وعناصر السم القابلة للاحتراق من كربيد البورون، مؤرشف في 11 مارس 2023 في Wayback Machine ، Wisnyi, LG و Taylor, KM، في "منشور ASTM الفني الخاص رقم 276: المواد في التطبيقات النووية"، فريق اللجنة E-10، الجمعية الأمريكية لاختبار المواد ، 1959
  14. 1 2 3 دليل وزارة الطاقة، صفحة 31.
  15. ↑ دليل وزارة الطاقة، صفحة 32.
  16. ↑ مكتب محاسبة الحكومة الأمريكية (2006). "تقرير إلى الكونغرس" (ملف PDF) . ص 1. 

فهرس

  • دليل أساسيات وزارة الطاقة الأمريكية: الفيزياء النووية ونظرية المفاعلات، المجلد 2 (ملف PDF) . وزارة الطاقة الأمريكية . يناير 1993. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) في 3 ديسمبر 2013. تم الاطلاع عليه في 23 سبتمبر 2012 .