رآکتور هسته‌ای چیست؟ — به زبان ساده

رآکتور هسته‌ای دستگاهی است که در آن زنجیره‌ای از واکنش‌های هسته‌ای آغاز می‌شوند. این واکنش‌ها تحت کنترل و به صورت تنظیم شده و پایدار قرار دارند. بر خلاف بمب هسته‌ای که واکنش‌های شیمیایی در کسری از ثانیه انجام و به دلیل کنترل نشدن سبب انفجار می‌گردد. از مهم‌ترین موارد استفاده‌ی رآکتور هسته‌ای، منبع انرژی برای تولید برق و منبع تولید انرژی در بعضی از کشتی‌ها است. برای این منظور، این واکنش‌ها به روش‌هایی که شامل استفاده از گرمای واکنش هسته‌ای برای به حرکت در آوردن توربین‌های بخار است، انجام می‌شود. همچنین دیگر مواردی که کمتر مورداستفاده قرار می‌گیرند، در ادامه شرح داده شده است.

روش کار کردن

عملیات رآکتور هسته‌ای در شاخه‌ی فیزیک رآکتور هسته‌ای توضیح داده می‌شود. همانطور که بسیاری از نیروگاه‌های گرمایی متعارف، برق را با کنترل انرژی گرمایی آزاده شده از سوختن سوخت‌های فسیلی تولید می‌کنند، نیروگاه‌های هسته‌ای انرژی حرارتی را از آزاد شدن شکافت هسته‌ای دریافت می‌نمایند.

رآکتور

رآکتور برای تبدیل انرژی اتمی به گرما مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حالی که درون یک رآکتور ممکن است گرما توسط «هم‌جوشی» (fusion) یا «واپاشی رادیواکتیو» (radioactive decay) تولید شود، در این بخش تنها به رآکتورهای «شکافت هسته‌ای» (fission reactor) می‌پردازیم.

شکافت

هنگامی‌ که هسته‌ی اتمی نسبتاً بزرگ (معمولاً اورانیوم 235 یا پلوتونیوم 239) یک نوترون جذب می‌کند، احتمالاً دستخوش شکافت هسته‌ای می‌شود. این اتم به دو یا تعداد بیشتری هسته‌ی کوچک‌تر با انرژی جنبشی بالا (شناخته شده به عنوان محصولات شکافت) تقسیم می‌شود و در ادامه نوترون‌های آزاد و پرتوی گاما رها می‌گردد. بخشی از این نوترون‌ها در ادامه توسط دیگر اتم‌ها جذب و این عمل منجر به ایجاد شکافت‌های به مراتب بیشتری می‌گردد. تکرار هر مرحله باعث آزاد شدن نوترون‌های بیشتر و بیشتری می‌گردد.

واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای می‌توانند توسط «سموم نوترونی» (neutron poisons) و «آرام‌ کننده‌های نوترونی» (neutron moderators) برای تغییر قسمتی از نوترون‌ها که باعث شکافت‌ بیشتر می‌شوند، کنترل گردد.

آرام‌ کننده‌ی نوترون در رآکتور هسته‌ای ماده‌ای است که سرعت حرکت نوترون‌های سریع را می‌گیرد و از ایجاد واکنش زنجیره‌ای سریع و خارج از کنترل جلوگیری می‌کند.

تولید گرما

هسته‌ی رآکتور، گرما را به چندین روش تولید می‌کند:

• انرژی جنبشی محصولات شکافت زمانی که این هسته‌ها با اتم‌های مجاور برخورد می‌کنند، به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود.
• بخشی از اشعه‌ی گامای تولید شده در هنگام شکافت، توسط رآکتور به شکل گرما جذب می‌شود.
• گرما توسط واپاشی هسته‌ای یا رادیواکتیو محصولات شکافت و مواد فعال‌شده توسط جذب نوترون‌ها، تولید می‌شود. این منبع حرارتی حتی برای زمان‌های بعد از خاموشی رآکتور باقی می‌ماند.

خنک‌کننده

یک منبع خنک‌کننده - غالباً آب و گاهی اوقات یک فلز مایع – حول هسته‌ی رآکتور برای جذب گرمای تولیدشده، در گردش است. گرما از رآکتور خارج و برای تولید بخار مورد استفاده قرار می‌گیرد. اکثر دستگاه‌های رآکتور دارای سیستم خنک‌ کننده‌ای است که به‌طور فیزیکی از آب جدا هستند. آب به جوش می‌آید و بخار تحت‌ فشار را برای توربین‌ها تولید می‌کنند. اما در بعضی رآکتورها آب مورد نیاز برای توربین‌های بخار به‌طور مستقیم توسط هسته‌ی رآکتور به جوش می‌آید.

کنترل واکنش‌پذیری

خروجی انرژی رآکتور از طریق کنترل تعداد نوترون‌هایی که قادر به ایجاد شکاف بیشتر هستند، کنترل می‌شود. میله‌های کنترل ساخته‌شده از یک سم نوترونی، برای جذب نوترون استفاده می‌شوند. جذب بیشتر نوترون‌ها در یک میله‌ی کنترل به این معنی است که نوترون‌های کمتری برای ایجاد شکافت وجود دارند. بنابراین فشار دادن میله‌ی کنترل به عمق رآکتور، انرژی خروجی را کاهش و استخراج میله‌ی کنترل آن را افزایش می‌دهد.

در برخی از رآکتورها، خنک‌ کننده نیز به‌عنوان یک آرام‌ کننده یا کنترل‌ کننده‌ی نوترون عمل می‌کند. این خنک کننده، انرژی رآکتور را افزایش می‌دهد. این عمل از طریق تبدیل شدن نوترون‌های سریع حاصل از شکافتن  به نوترون‌های حرارتی (thermal neutron) صورت می‌گیرد. نوترون‌های حرارتی احتمال بیشتری برای ایجاد شکافت نسبت به نوترون‌های سریع دارند. بنابر این نوترون‌های آرام‌کننده‌ی بیشتر به معنای انرژی خروجی بیشتر رآکتور است.

اگر خنک‌ کننده به‌عنوان آرام‌ کننده عمل نماید، تغییرات دما روی چگالی خنک‌کننده / آرام‌کننده تأثیر می‌گذارد و درنهایت باعث تغییر انرژی خروجی رآکتور می‌گردد. یک خنک‌ کننده‌ی با دمای بالا تراکم کمتری دارد و در نتیجه آرام‌ کننده‌ی کم اثرتری خواهد بود. در دیگر رآکتورها، خنک‌کننده به‌عنوان سم عمل نموده و نوترون‌ها را به همان روش میله‌های کنترل، جذب می‌کند. در این رآکتورها، انرژی خروجی می‌تواند از طریق گرم کردن خنک‌کننده افزایش یابد. در این حالت سم با تراکم کمتری ساخته می‌شود.

رآکتورهای هسته‌ای عموما دارای دستگاه‌های خودکار و دستی برای قرار دادن مقادیر زیادی از سم در رآکتور هستند تا در صورت تشخیص شرایط نامساعد، واکنش‌های شکافت خود به خودی را متوقف کنند.

تولید انرژی برق

انرژي آزادشده در فرآيند شکافت، باعث تولید گرما شده و بخشی از آن‌ مي‌تواند به انرژی قابل استفاده تبديل شود. یک روش معمول برای استفاده از این انرژی حرارتی، تولید بخار تحت‌ فشار توسط جوشیدن آب است که باعث راه‌اندازی توربین بخار و تولید برق می‌گردد. برای فهم بهتر این فناوری بهتر است به مطلبی با عنوان «نیروگاه گرمایی چگونه کار می‌کند؟ -- از صفر تا صد» سر بزنید.

اجزاء

اجزای کلیدی در اکثر نیروگاه‌های هسته‌ای عبارت‌اند از:

• سوخت هسته‌ای
• هسته‌ی رآکتور هسته‌ای
• آرام‌کننده‌ی نوترون
• سم نوترون
• خنک‌کننده (اغلب آرام‌ کننده نوترون و خنک‌کننده مشابه هستند، معمولا برای هر دو آب تصفیه‌ شده استفاده می‌شود)
• میله‌های کنترل
• مخزن رآکتور
• پمپ تغذیه بویلر
• ژنراتور بخار
• توربین بخار
• ژنراتور برق
• کندانسور
• برج خنک‌کننده (همیشه مورد نیاز نیست)
• بخش نگه‌داری زباله‌های رادیواکتیو
• طبقه سوخت‌رسانی
• استخر سوخت مصرفی
• سیستم حفاظتی رآکتور (RPS)
• سیستم‌های خنک‌کننده‌ی هسته اضطراری (ECCS)
• سیستم کنترل مایع جایگزین
• ساختمان و محوطه‌سازی
• اتاق کنترل
• تسهیلات عملیات اضطراری

نیروی انسانی مورد نیاز نیروگاه هسته‌ای

نیروگاه‌های هسته‌ای به‌طور معمول کمتر از هزار نفر به ازای هر رآکتور نیرو لازم دارند (شامل نگهبانان و مهندسان مرتبط با این واحد)

• مهندسین هسته‌ای
• اپراتورهای رآکتور (بهره‌برداران)
• متخصصین سلامت و بهداشت

رآکتورهای هسته‌ای به روش‌های مختلف طبقه‌بندی می‌شوند؛ خلاصه‌ای از این طبقه‌بندی در ادامه ارائه‌ شده است.

طبقه‌بندی بر اساس انواع واکنش‌های هسته‌ای

در اولین نگاه، رآکتورها را بر اساس انواع واکنش‌های هسته‌ای که در آن‌ها اتفاق می‌افتد دسته‌بندی می‌کنند.

شکافت هسته‌ای

اکثر رآکتورها و مدل‌های تجاری آن، بر مبنای «شکافت هسته‌ای پایه‌گذاری شده‌اند. عموما از اورانیوم به‌عنوان سوخت استفاده می‌شود. اما تحقیقات برای استفاده از توریوم به‌عنوان سوخت نیز در حال انجام است (در این مورد می‌توان به رآکتور فلوراید مایع اشاره کرد). رآکتورهای شکافت بسته به انرژی نوترون‌هایی که برای حفظ واکنش‌های زنجیره‌ای شکافت استفاده می‌شوند، تقریبا به دو دسته تقسیم می‌گردند.

رآکتورهای حرارتی

رآکتورهای حرارتی از نوترون‌های آهسته یا حرارتی استفاده می‌کنند. بیشتر نیروگاه‌های تولید برق از این نوع بهره می برند. این رآکتورها توسط مواد آرام‌ کننده‌ی نوترون که باعث کند شدن نوترون‌ها می‌شود، مشخص می‌گردند. نوترون‌های حرارتی احتمال بسیار بالایی برای شکافت اورانیوم 235 و احتمال کمی برای به دام افتادن توسط اورانیوم 238 در مقایسه با نوترون‌های سریع‌تر که در نتیجه‌ی شکافت حاصل می‌شوند، دارند. رآکتورهای حرارتی همانند آرام‌ کننده‌ها دارای سوخت (مادهٰ‌ی شکافت پذیر)، مهار کننده، مخازن تحت‌ فشار، محافظ و تجهیزات ابزار دقیق برای نظارت و کنترل سیستم‌های رآکتور هستند.

رآکتورهای نوترون سریع

این تجهیزات گونه‌ای از رآکتورهای هسته‌ای هستند که در آن از نوترون‌های هسته‌ای برای انجام واکنش شکافت هسته‌ای استفاده می‌شود. این نوع رآکتورها نیاز به آرام‌ کننده‌ی نوترون ندارند. برای شروع واکنش زنجیره‌ای، به دلیل احتمال کم شکافت اورانیوم 235 و احتمال بالای به دام افتادن توسط اورانیوم 238 به اورانیوم غنی‌شده  (و یا غنی‌سازی با پلوتونیوم 239) نیاز هست (در مقایسه با یک نوترون حرارتی آرام‌کننده). رآکتورهای سریع قابلیت تولید ضایعات «فرااورانیوم» (transuranic) کمتری دارند. زیرا «آکتینیدها» (actinides) با نوترون‌های سریع شکافته می‌شوند؛ اما هزینه‌ی عملیاتی گران و ساخت پیچیده‌ای دارند. در کل، رآکتورهای سریع در مقایسه با رآکتورهای حرارتی در کاربردهای مختلف، عمومیت کمتری دارند. در ابتدا بعضی از نیروگاه‌ها، همانند نیروی دریایی روسیه، رآکتورهای سریع بودند. ساخت نمونه‌های اولیه همچنان ادامه دارد ( «رآکتور زاینده‌ سریع» (fast breeder reactor) یا نسل چهارم).

همجوشی هسته‌ای یا گداخت هسته‌ای

همجوشی هسته‌ای فرآیندی عکس عمل شکافت هسته‌ای است. همجوشی یک فناوری تجربی است که از هیدروژن به‌عنوان سوخت استفاده می‌کند. این نوع رآکتورها البته برای تولید برق مناسب نیستند. برای درک بهتر تفاوت بین هم‌جوشی و شکاف هسته‌ای می‌توانید به مطلبی به نام «تفاوت بین شکافت و هم‌جوشی هسته‌ای چیست؟» مراجعه کنید.

واپاشی هسته‌ای

واپاشی هسته‌ای به مجموعه فرایندهای مختلفی گفته می‌شود که در هسته‌ی اتم‌های ناپایدار پرتوزا رخ می‌دهد و پرتوهایی تولید می‌کنند که به آن‌ها پرتوهای رادیواکتیو می‌گویند. نمونه‌هایی از این مورد ژنراتورهای ترموالکتریک رادیو ایزوتوپ و باتری‌های اتمی هستند که با بهره‌گیری از انفجار واپاشی هسته‌ای انفعالی، حرارت و برق تولید می‌کنند.

 

طبقه‌بندی بر اساس ماده‌ی آرام‌کننده

در این بخش به طبقه‌بندی رآکتورها بر اساس ماده کنترل کننده یا آرام کننده می‌پردازیم. جدای از رآکتورهای آرام‌کننده‌ی گرافیتی دو مورد دیگر نیز وجود دارند.

رآکتورهای آرام‌کننده‌ی آبی

• «رآکتورهای آب سنگین» (Heavy water reactors)
• «رآکتورهای آرام‌کننده‌ی آب سبک» (Light water moderated reactors): رآکتورهای آب سبک از آب معمولی برای آرام و خنک کردن رآکتورها استفاده می‌کنند. در دماهای عملیاتی، با افزایش دمای آب، چگالی کاهش می‌یابد. در این حالت نوترون‌های کمتری عبور می‌کنند و منجر به واکنش‌های بیشتری می‌شوند. این بازخورد منفی سرعت واکنش را تثبیت می‌کند. رآکتورهای آب‌ سنگین و گرافیتی نسبت به رآکتورهای آب سبک تمایل بیشتری برای از دست دادن حرارت به‌طور کامل دارند. این مدل رآکتورها با توجه به حرارت زیاد، می‌توانند از سوخت طبیعی اورانیوم غنی‌نشده استفاده کنند.

 

رآکتورهای با آرام‌ کننده عنصر سبک

آرام‌سازی این رآکتورها توسط لیتیوم یا بریلیوم صورت می‌گیرد.

• «رآکتورهای نمک مذاب» (MSRs, Molten salt reactors) توسط عنصر سبکی مانند لیتیوم یا بریلیوم آرام یا کنترل می‌گردند.
• فلز مایع رآکتور را خنک می‌کند. مانند خنک‌ کننده‌ای که ترکیبی از سرب و بیسموت است و ممکن است از BeO به‌عنوان آرام‌کننده استفاده شود.

رآکتورهای آرام‌کننده‌ی آلی

«رآکتورهای آرام‌کننده‌ی آلی» (Organically moderated reactors, OMR) از بی فنیل و ترفنیل به‌ عنوان آرام‌ کننده و خنک‌ کننده استفاده می‌کنند.

طبقه‌بندی بر اساس نوع خنک‌ کننده

در بخش سوم، رآکتورها را بر اساس نوع خنک کننده دسته‌بندی می‌نمایند.

خنک‌ کننده آب

رآکتورها بر اساس خنک‌ کننده آب عبارت هستند از:

رآکتور آب تحت‌فشار

یک مشخصه‌ی ابتدایی از «رآکتورهای آب تحت‌فشار» (Pressurized Water Reactors ,PWR)، مخزن فشار مخصوص است. اکثر رآکتورهای آب تحت‌ فشار تجاری و رآکتورهای دریایی از محفظه‌ی تنظیم فشار استفاده می‌کنند. طی عملیات نرمال، یک محفظه‌ی تنظیم فشار به‌ طور جزیی با آب پر می‌گردد. حباب‌های بخار از طریق گرم کردن آب توسط گرم‌ کن غوطه‌ور موجود در آن تولید و بخار روی سطح آب ایجاد می‌شود.

در شرایط عملیات نرمال، محفظه‌ی تنظیم فشار به مخزن فشار رآکتور اولیه وصل می‌شود. حباب محفظه‌ی تنظیم فشار نوعی فضای انبساط را برای تغییرات حجم آب موجود در ستون رآکتور تأمین می‌کند. همچنین این ساختار روشی برای کنترل فشار در رآکتور است که با افزایش یا کاهش فشار بخار در محفظه‌ی تنظیم فشار توسط گرم‌کن‌های موجود عمل می‌کند.

کانال‌های محفظه‌ی تنظیم فشار: رآکتورهای مدل کانالی را می‌توان تحت بار سوخت‌گیری نمود.

«رآکتور آب جوش» (Boiling water reactor ,BWR)

رآکتورهای آب جوش با آب جوش در اطراف میله‌های سوخت در بخش پایین‌تر از مخزن فشار رآکتور اولیه مشخص می‌شوند. در طی عملیات نرمال، کنترل فشار از طریق کنترل کردن مقدار بخار در جریان از مخزن فشار رآکتور به توربین انجام می‌گردد.

شایان ذکر است یکی دیگر از انواع رآکتورها در این دسته‌بندی نیز «رآکتور استخری» (Pool-type reactor) محسوب می‌شود.

خنک‌ کننده‌ی فلز مایع

ازآنجایی‌که آب یک آرام‌ کننده یا کنترل کننده است، نمی‌تواند به‌عنوان یک خنک‌کننده در رآکتورهای سریع مورد استفاده قرار گیرد. خنک‌کننده‌های فلز مایع شامل سدیم، آلیاژ سدیم - پتاسیم، قلع، اوتکتیک قلع - بیسموت و در رآکتورهای قدیمی جیوه به عنوان خنک کننده در این رآکتورها مورد استفاده قرار می‌گیرند. از این دسته می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• «رآکتور سریع خنک‌کننده‌ی سدیم» (Sodium-cooled fast reactor)
• «رآکتور سریع خنک‌کننده‌ی قلع» (Lead-cooled fast reactor)

خنک‌ کننده‌ی گاز

این نوع تجهیز از طریق گردش گاز بی‌اثر، معمولا هلیوم، خنک می‌گردد. همچنین نیتروژن و دی‌ اکسید کربن هم در مواردی از این فناوری مورد استفاده قرار گرفته‌اند. استفاده از حرارت جذب شده توسط گاز بستگی به رآکتور دارد. بعضی رآکتورها به‌اندازه‌ی کافی داغ هستند طوری که گاز به‌طور مستقیم می‌تواند یک توربین گاز را به حرکت درآورد. در طرح‌های قدیمی معمولا گاز در طول یک مبدل حرارتی حرکت و برای یک توربین بخار تولید بخار می‌نماید.

نمک مذاب

این رآکتورها از طریق گردش نمک مذاب، معمولا یک ترکیب از نمک‌های فلوراید مثل لیتیوم فلوراید و برلیوم فلوراید، خنک می‌گردند. در یک رآکتور نمک مذاب معمولی، خنک‌ کننده به‌عنوان یک ماتریکس جهت حل شدن مواد شکافت‌پذیر استفاده می‌شود.

طبقه‌بندی بر اساس فاز سوخت

رآکتورها بر اساس فاز سوخت به سه دسته «سوخت جامد»، «سوخت مایع» و «سوخت گاز» تقسیم می‌شوند.

طبقه‌بندی بر اساس موارد استفاده

موارد کاربرد انرژی هسته‌ای نیز می‌تواند معیاری برای طبقه‌بندی رآکتورهای هسته‌ای باشد. مثلاً در زمینه تولید برق نیروگاه‌های هسته‌ای را داریم؛ در زمینه نیروی محرکه، توسط رآکتورها نیروی محرکه کشتی‌های هسته‌ای و همینطور نیروی محرکه برخی از موشک‌ها تامین می‌شود. از سایر موارد استفاده‌ی رآکتورها نیز می‌توان به کارگیری آنها در اموری مانند، نمک‌زدایی، گرمایش صنعتی و شهری و تولید هیدروژن اشاره کرد.

رآکتورهای تولید برای تبدیل عناصر

ابتدا لازم است به رآکتورهای زاینده بپردازیم؛ رآکتورهای زاینده‌ی سریع قادر به غنی‌سازی اورانیوم در طول واکنش‌های زنجیره‌ای شکافت هستند (از طریق تبدیل اورانیوم 238 بارور به پلوتونیوم 239). این رآکتور اجازه‌ی تولید مواد قابل شکافت بیشتری در مقایسه با میزان مصرف آن را صادر می‌کند. بنابراین، یک رآکتور زاینده، در حال کار ، می‌تواند با اورانیوم طبیعی یا حتی اورانیوم ضعیف‌ شده سوخت گیری شود.

همچنین در رابطه با مبحث رآکتورهای تولید برای تبدیل عناصر می‌توان به وجود ایزوتوپ‌های رادیواکتیو مختلف، همانند «امریسیم» (americium) مورد استفاده در آشکارساز‌های دود و کبالت 60، مولیبدنیوم 99 و ... که در تصویربرداری و درمان‌های پزشکی استفاده می‌شوند نیز اشاره داشت. ضمناً از رآکتورها برای تولید مواد مورد نیاز سلاح‌های هسته‌ای هم استفاده می‌شود.

فراهم نمودن یک منبع تابش نوترون

«تابش نوترون» (neutron radiation) گونه‌ای از پرتوهای یونی است و از نوترون‌های آزاد که می‌تواند حاصل یک شکافت هسته‌ای یا هم‌جوشی هسته‌ای باشد، تشکیل شده است. این تابش با برخورد به هسته دیگر اتم‌ها جذب شده و منجر به پدید آمدن ایزوتوپ‌های جدید می‌گردد.

رآکتورهای تحقیقاتی

معمولا رآکتورها برای تحقیق و آموزش، آزمایش مواد و تولید رادیوایزوتوپ‌ها برای کاربردهای پزشکی و صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند. این رآکتورها از رآکتورهای تامین انرژی یا ویژه پیش‌ران‌های کشتی کوچکتر هستند. از این نمونه در دانشگاه‌ها استفاده می‌شود. حدود 280 عدد از این مدل رآکتور در 56 کشور جهان در حال کار هستند. بعضی از آن‌ها با سوخت اورانیوم با غنای بالا فعالیت می‌کنند. تلاش‌های بین‌المللی در تلاش برای جایگزینی سوخت اورانیوم با غنای پایین در این رآکتورها است.

فناوری‌های رایج

دو نوع فناوری رایج در حال حاضر در این صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مولد گرما-الکتریکی رادیو ایزوتوپ

«مولد گرما-الکتریکی رادیو ایزوتوپ» (Radioisotope thermoelectric generator) نوعی باتری اتمی است که گرمای به‌ دست‌ آمده از واپاشی هسته‌ای برای تولید برق استفاده می‌کند. این سیستم‌ها از طریق واپاشی هسته‌ای انفعالی، گرما تولید می‌کنند.

بعضی از مولدهای گرما-الکتریکی رادیو ایزوتوپ برای نیرو بخشیدن به تحقیقات فضایی (برای مثال می‌توان به تحقیقات «Cassini» اشاره نمود)، فانوس‌های دریایی در اتحاد جماهیر سوسیالیستی شوروی و برخی از دستگاه‌های ضربان‌ساز ایجاده شده‌اند. خروجی حرارت این مولدها با گذشت زمان کاهش می‌یابد. گرما با استفاده از اثر ترموالکتریکی به برق تبدیل می‌شود.

رآکتورهای شکاف هسته‌ای

رآکتور شکاف هسته‌ای از یک واکنش زنجیره‌ای / هسته‌ای کنترل شده در یک جرم بحرانی از مواد شکافت پذیر، حرارت تولید می‌کند. تمام نیروگاه‌های هسته‌ای رایج، رآکتورهای شکافت بحرانی هستند که مورد تمرکز این مقاله واقع شده است. خروجی رآکتورهای شکافت قابل کنترل هستند. رآکتورهای شکافت بحرانی چندین زیرمجموعه دارند و با عنوان نسل یک، نسل دو و نسل سوم طبقه‌بندی می‌گردند. همه رآکتورها با رآکتور آب تحت‌ فشار به عنوان استاندارد طراحی رآکتورهای مدرن، مقایسه خواهند شد.

رآکتورهای آب تحت فشار

«رآکتورهای آب تحت فشار» (Pressurized Water Reactors, PWR) از یک مخزن فشار حاوی سوخت هسته‌ای، میله‌های کنترل، آرام‌ کننده و خنک‌ کننده استفاده می‌کنند. این تجهیزات با آب مایع فشار بالا آرام و خنک می‌شوند. آب رادیواکتیو داغ خروجی از مخزن فشار حول یک مولد بخار به گردش در ‌می‌آید. حلقه‌ی دوم (غیر رادیواکتیو) آب را گرم و بخار حاصل می‌تواند توربین‌ها را به حرکت در آورد.

اکثر رآکتورهای رایج از این مدل هستند. این تجهیزات به‌ طور کلی امن‌ترین و قابل اطمینان‌ترین فناوری رایج در مقیاس‌های بزرگ و در حال گسترش به حساب می‌آیند. رآکتورهای نیروی دریایی ایالات متحده نیز از این نوع هستند.

رآکتورهای آب جوشان

«رآکتور آب جوشان» (Boiling Water Reactor, BWR) همانند رآکتورهای آب تحت‌ فشار بدون ژنراتور بخار عمل می‌کنند. یک رآکتور آب جوشان همانند رآکتور آب تحت‌ فشار به‌وسیله‌ی آب خنک می‌گردد؛ با این تفاوت که فشار این رآکتور کمتر است. در این حالت آب در حال جوش درون مخزن فشار، مقداری بخار جهت راه‌اندازی توربین‌ها تولید می‌نماید.

برخلاف رآکتور آب تحت‌ فشار، هیچ «حلقه» (loop) اولیه و ثانویه‌ای وجود ندارد. بازده حرارتی این رآکتورها می‌تواند بالاتر باشد. همچنین کار با آن‌ها ساده‌تر و حتی به‌طور بالقوه بسیار پایدارتر و ایمن‌تر است.

رآکتور آب سنگین فشرده

در «رآکتور آب‌سنگین فشرده» (Pressurized Heavy Water Reactor, PHWR) سوخت در صدها لوله‌ی فشار به‌ جای یک مخزن فشار بزرگ به‌عنوان یک رآکتور آب تحت‌ فشار، وجود دارد. سوخت این رآکتورها اورانیوم طبیعی و دارای طراحی رآکتور نوترونی حرارتی هستند. رآکتورهای آب‌ سنگین فشرده می‌توانند در حالی‌ که با قدرت کار می‌کنند، سوخت‌گیری شوند. این عمل بازدهی آن‌ها را در استفاده از اورانیوم بالا می‌برد (کنترل دقیق جریان در هسته مجاز است).

رآکتور آب‌ سنگین فشرده‌ی معروف به «کاندو» (CANDU) در کانادا، آرژانتین، چین، هند (قبل از NPT)، پاکستان (قبل از NPT)، رومانی و کره جنوبی ساخته شده است. هند تعدادی از رآکتورهای آب‌سنگین فشرده، مدل کاندو را ساخت. این اتفاق پس از متوقف ساختن معاملات هسته‌ای با هند توسط دولت کانادا بعد از آزمایش سلاح هسته‌ای «Smiling Buddha 1974» رخ داد.

رآکتور کانالی توان بالا

در طراحی اتحاد جماهیر شوروی، «رآکتور کانالی توان بالا» (High Power Channel Reactor, RBMK) علاوه بر برق، پلوتونیم نیز تولید می‌شود. رآکتورهای RBMK آب خنک به همراه یک معتدل‌کننده‌ی گرافیتی هستند.

رآکتورهای RBMK در برخی موارد مانند کاندو هستند که در حین تولید برق، قابلیت سوخت‌گیری دارند. همچنین به جای یک مخزن فشار همانند مدل رآکتور تحت فشار، از یک لوله‌ی فشار استفاده می‌کنند. با این حال، برخلاف رآکتور کاندو، بسیار ناپایدارند و سایز آن‌ها برای ساختمان‌های محافظتی بزرگ است. در این حالت باعث ایجاد خطر در مواقع حادثه می‌گردند.

رآکتورهای گاز خنگ و رآکتورهای گاز خنک پیشرفته

در این رآکتورها از گرافیت برای کند کننده و از دی اکسید کربن به عنوان خنک کننده استفاده می‌شود. «رآکتورهای گاز خنگ و رآکتورهای گاز خنک پیشرفته» (Gas Cooled Reactor (GCR) and Advanced Gas Cooled Reactor (AGR))، می‌توانند نسبت به PWR بازده گرمایی بیشتری به دلیل دمای عملیاتی بالاتر داشته باشند.

رآکتور زاینده فلز مایع

در این نوع تجهیزات، هیچ گونه ابزار کنترل کننده وجود ندارد و مایع خنک کننده نوعی فلز مایع است. در «رآکتور زاینده فلز مایع»‌((Liquid Metal Fast Breeder Reactor (LMFBR)، سوختی بیشتر از میزان مصرف تولید می‌گردد. از انواع فلز مایع مورد استفاده در این رآکتور می‌توان به سرب و سدیم مایع اشاره کرد.

اگر به فراگیری مباحثی مشابه مطلب بالا علاقه‌مند هستید، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند.

• مجموعه آموزش های مهندسی برق
• مجموعه آموزش های فیزیک
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی مکانیک
• انرژی زمین‌ گرمایی (Geothermal Energy) چیست؟ -- از صفر تا صد
• نیروگاه‌های برق‌آبی چگونه کار می‌کنند؟

^^