دیدکلی

خواص فیزیکی مواد ، اهمیت ویژه‌ای در کاربرد آنها در راکتورهای هسته‌ای دارد. خواصی چون استحکام ، سختی ، قابلیت کششی ، نقطه ذوب ، نقطه جوش ، چگالی و رسانندگی گرمایی همه مواردی هستند که در انتخاب ماده برای اجزای مختلف راکتور ، دارای اهمیت می‌باشد.

سوخت راکتور

اورانیوم

متداول ترین ماده سوخت برای راکتورهای هسته‌ای اورانیوم است، که می‌تواند به صورت خالص ، یعنی اورانیوم فلزی و یا به صورت ترکیب مثل اکسید اورانیوم و یا کربور اورانیوم بکار برود. اورانیوم ، فلز نسبتا نرم و قابل کششی است که در دمای بالا به آسانی در هوا و آب اکسید می‌شود. نقطه ذوب آن 1133 درجه سانتیگراد است.

پلوتونیوم

چون فلز پلوتونیوم تا رسیدن به نقطه ذوب 640 درجه سانتیگراد دارای تعداد زیادی فاز بلور است، سوخت مناسبی برای راکتور نمی‌باشد. به عنوان سوخت راکتور ، پلوتونیوم را به صورت ، PUO₂ بکار می‌برند. نقطه ذوب این ترکیب 2400 درجه سانتیگراد است.

توریوم

به جز در چند راکتور با خنک کننده گازی دما - بالا ، توریوم تاکنون به عنوان سوخت راکتور کاربرد زیادی نداشته است. نقطه ذوب فلزات توریوم خالص حدود 1700 درجه سانتیگراد است. به علت پایداری بهتر ، این عنصر برتر از اورانیوم است. اما ما به صورت خالص به عنوان سوخت بکار نمی‌رود. بلکه ان را به صورت دی اکسید توریوم ThO² کربوتریوم ThC² بکار می‌برند.

کند کننده‌ها

ویژگیهای لازم برای کند کننده‌های راکتورهای حرارتی ، یعنی عدد جرمی پایین ، سطح مقطع جذب نوترون خیلی پایین ، سطح مقطع پراکندگی بالا و گزینش را به چند ماده محدود می‌کنند. هیدروژن و دوتریوم ، کربن و برلیوم تنها عناصری هستند که برای کند کنندگی مناسب‌اند. هیدروژن و دوتریم ، به علت گاز بودن ، به اندازه کافی چگال نیستند و باید به صورت ترکیب بکار روند. بنابراین انتخاب کند کننده برای راکتورهای حرارتی به سه ماده زیر محدود می‌شود.

• آب: آب یک انتخاب بدیهی برای کند کننده راکتورهای حرارتی است و می‌تواند به عنوان خنک کننده هم بکار رود. آب دارای سطح مقطع جذب نسبتا بالایی است. کند کننده آب برای بحرانی شدن نیاز به اورانیوم غنی شده دارند.
  
  
• آب سنگین: بسیاری از خواص فیزیکی و ترمودینامیکی آب سنگین شبیه آب معمولی است. فرق اساسی آب سنگین با آب معمولی در این است که دوتریم سطح مقطع جذب خیلی کمتری نسبت به هیدروژن دارد.
  
  
• گرافیت: ویژگیهای هسته‌ای این ماده ، مثل قدرت کند کنندگی و سطح مقطع جذب به خوبی ویژگیهای آب سنگین نیست. اما نوع خالص آن را می‌توان تهیه کرد. خواص ساختاری و گرمایی آن خوب است اما در دماهای بالا و هوا ترکیب می‌شود. گرافیت دارای رسانندگی گرمایی بالایی است.

خنک کنندهها

ویژگیهای خنک کننده‌ها

• خواص ترمودینامیکی خوب ، یعنی رسانندگی گرمایی ، گرمای ویژه بالا و چسبندگی پایین.
• عدم برهمکنش شیمیایی با قسمتهای دیگر راکتور.
• سطح مقطع جذب نوترونی خیلی پایین.
• پرتوزا نشدن در اثر واکنش‌های گاما - نوترون که ممکن است هنگام عبور خنک کننده از قلب راکتور رخ بدهد.

مواد مناسب خنک کننده

هلیوم

هلیوم گازی است بی اثر ، دارای خواص ترمودینامیکی خوب و خطر تابش هم ایجاد نمی‌کند. بنابراین ظاهرا می‌توان آن را به عنوان خنک کننده ایده آل راکتورهای گازی تلقی کرد. اما متأسفانه به سادگی مقدار زیاد آن قابل دسترسی نیست. در حال حاضر کاربرد این گاز به عنوان خنک کننده راکتور محدود به چند راکتور دما – بالای گازی در آمریکا و آلمان است.

فلزات مایع

فلزات مایع ، به دلیل خواص ترمودینامیکی خوبشان بخصوص رسانندگی گرمایی بالای آنها ، خنک کننده‌های بالقوه خیلی خوبی برای راکتورها هستند. سدیم ، لیتیم ، جیوه و آلیاژهای سدیم – پتاسیم همه مناسب‌اند. ولی از میان آنها سدیم به مقدار قابل ملاحظه‌ای منحصرا در راکتورهای سریع زاینده مورد استفاده قرار گرفته است.

حفاظ‌های راکتور

ویژگیهای مواد محافظ

• سطح مقطع جذب نوترون خیلی پایین است.
• رسانندگی گرمایی بالا دارند.
• استحکام خوب در دماهای بالا برای مقاومت در مقابل تنش حرارتی
• تغییر شکل سوخت و فشار ناشی از انباشت پاره‌های شکافت در داخل حفاظ

مواد کنترل

موادی که برای راکتور مورد استفاده قرار می‌گیرند باید دارای سطح مقطع جذب بالایی باشند.

بور

بور متداولترین ماده کنترل است. از بور به تنهایی نمی‌توان استفاده کرد. اما می‌توان آن را با فولاد در آمیخت یا به صورت کربور محبوس در کپسول‌های فولادی مورد استفاده قرار داد.

ایندیم و کادمیوم

ایندیوم و کادمیوم هر دو سطح مقطع جذب بالایی دارند. اما نقطه ذوب آنها پایین تر از آن است که بتوان از آنها در راکتورهای قدرت استفاده کرد.

هافنیم

هافنیوم دارای استحکام مکانیکی کافی و مقاومت خوبی در برابر خوردگی است. لذا ماده کنترل خوبی است.

اگادولینیم

گادولینیم در بعضی راکتورهای گازی پیشرفته به عنوان سم قابل سوختن بکار می‌رود.

مباحث مرتبط با عنوان

• اکسید اورانیوم
• اورانیوم
• اورانیوم غنی شده
• اورانیوم فلزی
• راکتور
• راکتور زاینده
• راکتور قدرت
• راکتور گازی
• راکتور هسته‌ای
• سوخت راکتور
• فلز پلوتونیوم
• کربور اورانیوم
• موادخنک کننده راکتور
• مواد کنترل کننده راکتور