قضيب التحكم

تُستخدم قضبان التحكم في المفاعلات النووية للتحكم في معدل انشطار الوقود النووي - اليورانيوم أو البلوتونيوم . تتكون هذه القضبان من عناصر كيميائية مثل البورون والكادميوم والفضة والهافنيوم والإنديوم ، القادرة على امتصاص العديد من النيوترونات دون أن تتحلل. وتختلف مقاطع امتصاص النيوترونات لهذه العناصر باختلاف طاقاتها . تعمل مفاعلات الماء المغلي ( BWR) ومفاعلات الماء المضغوط (PWR) ومفاعلات الماء الثقيل (HWR) بالنيوترونات الحرارية ، بينما تعمل مفاعلات التوليد بالنيوترونات السريعة . ويمكن لكل تصميم مفاعل استخدام مواد مختلفة لقضبان التحكم بناءً على طيف طاقة النيوترونات. وقد استُخدمت قضبان التحكم في محركات الطائرات النووية، مثل مشروع بلوتو، كوسيلة للتحكم.

يتم إدخال قضبان التحكم في قلب المفاعل النووي وضبطها للتحكم في معدل التفاعل النووي المتسلسل ، وبالتالي، إنتاج الطاقة الحرارية للمفاعل، ومعدل إنتاج البخار ، وإنتاج الطاقة الكهربائية لمحطة الطاقة.

يؤثر عدد قضبان التحكم المُدخلة والمسافة التي تُدخل فيها بشكل كبير على تفاعلية المفاعل. فعندما تكون التفاعلية ( كعامل تكاثر نيوتروني فعال ) أعلى من 1، يزداد معدل التفاعل النووي المتسلسل بشكل أُسّي مع مرور الوقت. وعندما تكون التفاعلية أقل من 1، ينخفض ​​معدل التفاعل بشكل أُسّي مع مرور الوقت. وعند إدخال جميع قضبان التحكم بالكامل، فإنها تُبقي التفاعلية بالكاد أعلى من 0، مما يُبطئ المفاعل العامل بسرعة حتى يتوقف تمامًا (في حالة إيقاف التشغيل ). أما إذا أُزيلت جميع قضبان التحكم بالكامل، فإن التفاعلية تكون أعلى بكثير من 1، ويرتفع مستوى حرارة المفاعل بسرعة، حتى يُبطئ عامل آخر (مثل تأثير التغذية الراجعة للتفاعلية الحرارية ) معدل التفاعل. ويتطلب الحفاظ على إنتاج طاقة ثابت إبقاء متوسط ​​عامل تكاثر النيوترونات على المدى الطويل قريبًا من 1.

يُجمّع مفاعل جديد مع إدخال قضبان التحكم بالكامل. تُزال قضبان التحكم جزئيًا من قلب المفاعل للسماح ببدء التفاعل النووي المتسلسل وزيادة الطاقة إلى المستوى المطلوب. يمكن قياس تدفق النيوترونات ، وهو يتناسب تقريبًا مع معدل التفاعل ومستوى الطاقة. لزيادة الطاقة الناتجة، تُسحب بعض قضبان التحكم مسافة قصيرة لفترة من الوقت. ولتقليل الطاقة الناتجة، تُدفع بعض قضبان التحكم مسافة قصيرة لفترة من الوقت. تؤثر عدة عوامل أخرى على التفاعلية؛ وللتعويض عنها، يقوم نظام تحكم آلي بضبط قضبان التحكم بالداخل أو للخارج بكميات صغيرة، حسب الحاجة في بعض المفاعلات. يؤثر كل قضيب تحكم على جزء من المفاعل أكثر من غيره؛ ويمكن إجراء تعديلات محسوبة على توزيع الوقود للحفاظ على معدلات تفاعل ودرجات حرارة متشابهة في أجزاء مختلفة من قلب المفاعل.

يبلغ وقت الإيقاف النموذجي للمفاعلات الحديثة مثل المفاعل الأوروبي المضغوط أو مفاعل كاندو المتقدم ثانيتين لخفض 90٪، وهو ما يحده حرارة الاضمحلال . تُستخدم قضبان التحكم عادةً في مجموعات قضبان التحكم (عادةً 20 قضيبًا لمجموعة مفاعل الماء المضغوط التجاري) وتُدخل في أنابيب التوجيه داخل عناصر الوقود. غالبًا ما تكون قضبان التحكم عمودية داخل قلب المفاعل. في مفاعلات الماء المضغوط، تُدخل من الأعلى، حيث تُركّب آليات تشغيل قضبان التحكم على رأس وعاء ضغط المفاعل . أما في مفاعلات الماء المغلي، ونظرًا لضرورة وجود مُجفف بخار فوق قلب المفاعل، يتطلب هذا التصميم إدخال قضبان التحكم من الأسفل.

تشمل العناصر الكيميائية ذات المقاطع العرضية العالية المفيدة لالتقاط النيوترونات الفضة والإنديوم والكادميوم. ومن العناصر المرشحة الأخرى البورون والكوبالت والهافنيوم والساماريوم واليوروبيوم والغادولينيوم والتيربيوم والديسبروسيوم والهولميوم والإربيوم والثوليوم والإيتربيوم واللوتيتيوم . [ 1 ] يمكن أيضًا استخدام السبائك أو المركبات ، ^{مثل الفولاذ} عالي البورون ، [ ^{أ ] سبيكة} الفضة -الإنديوم-الكادميوم، وكربيد البورون ، وثنائي بوريد الزركونيوم ، وثنائي بوريد التيتانيوم ، وثنائي بوريد الهافنيوم ، ونترات الغادولينيوم ، ^{[ ب ] تيتانات} الغادولينيوم، وتيتانات الديسبروسيوم ، ومركب كربيد البورون-سداسي بوريد اليوروبيوم. ^{[ 2 ]}

يتأثر اختيار المادة بطاقة النيوترونات في المفاعل، ومقاومتها للتورم الناتج عن النيوترونات ، والخصائص الميكانيكية المطلوبة وعمرها الافتراضي. قد تكون القضبان على شكل أنابيب مملوءة بكرات أو مسحوق ماص للنيوترونات. يمكن تصنيع الأنابيب من الفولاذ المقاوم للصدأ أو مواد أخرى "نافذة نيوترونية" مثل الزركونيوم، والكروم، وكربيد السيليكون ، أو السبائك المكعبة ^.ب ¹⁵N ( نتريد البورون المكعب ). ^{[ 3 ]}

يُحدّ احتراق النظائر المشعة " السامة القابلة للاحتراق " من عمر قضيب التحكم. ويمكن تقليل هذا الاحتراق باستخدام عنصر مثل الهافنيوم، وهو عنصر "سام غير قابل للاحتراق" يمتصّ العديد من النيوترونات قبل أن يفقد فعاليته، أو بعدم استخدام مواد امتصاص النيوترونات في عملية ضبط النيوترونات. على سبيل المثال، في مفاعلات الحصى أو في نوع جديد محتمل من المفاعلات المُبرّدة والمُهدّأة بالليثيوم-7 والتي تستخدم حصى الوقود ومواد الامتصاص.

تُعدّ بعض العناصر الأرضية النادرة موادّ ممتازة لامتصاص النيوترونات، وهي أكثر وفرةً من الفضة (باحتياطيات تبلغ حوالي 500,000 طن). على سبيل المثال، يمكن العثور على الإيتربيوم (باحتياطيات تبلغ حوالي مليون طن) والإيتريوم ، الأكثر وفرةً بـ 400 مرة، بقيم امتصاص متوسطة، واستخدامهما معًا دون فصل داخل معادن مثل الزينوتيم (Yb) (Yb _0.40 Y _0.27 Lu _0.12 Er _0.12 Dy _0.05 Tm _0.04 Ho _0.01 )PO ₄ ، ^{[ 4 ]} أو الكيفيت (Yb) (Yb _1.43 Lu _0.23 Er _​​0.17 Tm _0.08 Y _0.05 Dy _0.03 Ho _0.02 ) ₂ Si ₂ O ₇ ، مما يُخفّض التكلفة. ^{[ 5 ]} يُعدّ الزينون أيضًا مُمتصًا قويًا للنيوترونات في حالته الغازية، ويمكن استخدامه للتحكم في المفاعلات المبردة بالهيليوم وإيقافها (في حالات الطوارئ) ، ولكنه لا يعمل في حالات فقدان الضغط، أو كغاز واقٍ مشتعل مع الأرجون حول وعاء المفاعل، خاصةً في حالة مفاعلات التقاط قلب المفاعل أو عند ملئه بالصوديوم أو الليثيوم. ويمكن استخدام الزينون الناتج عن الانشطار بعد انتظار ترسب السيزيوم ، عندما يكاد ينعدم النشاط الإشعاعي. كما يُستخدم الكوبالت-59 كممتص لاستخلاص الكوبالت-60 لاستخدامه كمصدر لأشعة غاما . ويمكن أيضًا تصنيع قضبان التحكم على شكل قضبان سميكة قابلة للدوران، مزودة بعاكس وممتص من التنجستن ، بحيث يتم تدويرها لإيقافها بواسطة نابض في أقل من ثانية واحدة.

تُعدّ سبائك الفضة والإنديوم والكادميوم، التي تتكون عادةً من 80% فضة، و15% إنديوم، و5% كادميوم، مادة شائعة الاستخدام في قضبان التحكم لمفاعلات الماء المضغوط . ^{[ 6 ]} تُضفي مناطق امتصاص الطاقة المختلفة نوعًا ما لهذه المواد على السبيكة خصائص امتصاص ممتازة للنيوترونات . كما تتميز بقوة ميكانيكية جيدة وسهولة التصنيع. ويجب تغليفها بالفولاذ المقاوم للصدأ لمنع التآكل في الماء الساخن. ^{[ 7 ]} وعلى الرغم من أن الإنديوم أقل ندرة من الفضة، إلا أنه أغلى ثمنًا.

يُعد البورون مادةً شائعةً أخرى لامتصاص النيوترونات. ونظرًا لاختلاف المقطع العرضي لنظيري البورون ¹⁰ و ¹¹ ، تُستخدم بكثرة مواد تحتوي على البورون المُخصب بنظير ¹⁰ عن طريق الفصل النظائري . كما أن طيف امتصاص البورون الواسع يجعله مناسبًا كدرعٍ للنيوترونات. إلا أن الخواص الميكانيكية للبورون في صورته العنصرية غير مناسبة، ولذلك يجب استخدام سبائك أو مركبات بديلة. ومن الخيارات الشائعة الفولاذ عالي البورون وكربيد البورون . ويُستخدم الأخير كمادة لقضبان التحكم في كلٍ من مفاعلات الماء المضغوط (PWR) ومفاعلات الماء المغلي (BWR). ويتم فصل نظيري البورون ¹⁰ و ¹¹ تجاريًا باستخدام أجهزة طرد مركزي غازية فوق غاز ثلاثي فلوريد البورون (BF3 ₎ ، ولكن يمكن أيضًا فصلهما فوق غاز ثلاثي هيدريد البورون (BH3 ₎ المُستخلص من إنتاج البوران ، أو مباشرةً باستخدام جهاز طرد مركزي مُحسَّن الطاقة للصهر، وذلك باستخدام حرارة البورون المفصول حديثًا للتسخين المسبق.

يتمتع الهافنيوم بخصائص ممتازة للمفاعلات التي تستخدم الماء في كلٍ من التهدئة والتبريد. فهو يتميز بقوة ميكانيكية جيدة، وسهولة التصنيع، ومقاومة التآكل في الماء الساخن. ^{[ 8 ]} يمكن خلط الهافنيوم بعناصر أخرى، مثل القصدير والأكسجين لزيادة قوة الشد والزحف، وبالحديد والكروم والنيوبيوم لمقاومة التآكل، وبالموليبدينوم لمقاومة التآكل والصلابة وسهولة التشغيل. تُعرف هذه السبائك بأسماء هافالوي ، وهافالوي-إم، وهافالوي -إن، وهافالوي-إن إم. ^{[ 9 ]} يحد ارتفاع تكلفة الهافنيوم وقلة توافره من استخدامه في المفاعلات المدنية، على الرغم من استخدامه في بعض مفاعلات البحرية الأمريكية . كما يمكن استخدام كربيد الهافنيوم كمادة غير قابلة للذوبان ذات نقطة انصهار عالية تبلغ 3890 درجة مئوية وكثافة أعلى من كثافة ثاني أكسيد اليورانيوم، وذلك لغمرها، دون انصهار، عبر الكوريوم . 

كان تيتانات الديسبروسيوم قيد التقييم لاستخدامه في قضبان التحكم بالماء المضغوط. يُعد تيتانات الديسبروسيوم بديلاً واعداً لسبائك الفضة-الإنديوم-الكادميوم، نظراً لارتفاع درجة انصهاره، وعدم تفاعله مع مواد التغليف، وسهولة إنتاجه، وعدم إنتاجه نفايات مشعة ، وعدم انتفاخه، وعدم انبعاث غازات منه . طُوّر هذا المركب في روسيا، ويوصي به البعض لمفاعلات VVER و RBMK . ^{[ 10 ]} من عيوبه انخفاض امتصاصه للتيتانيوم والأكاسيد، وعدم تفاعل العناصر الأخرى الماصة للنيوترونات مع مواد التغليف ذات درجة الانصهار العالية أصلاً، وأن استخدام المحتوى غير المفصول من الديسبروسيوم داخل معادن مثل Keiviit Yb داخل أنابيب الكروم أو SiC أو c11B15N يوفر سعراً وامتصاصاً أفضل دون انتفاخ أو انبعاث غازات.

ثنائي بوريد الهافنيوم هو مادة أخرى من هذا القبيل. يمكن استخدامه بمفرده أو في خليط متلبد من مساحيق الهافنيوم وكربيد البورون. ^{[ 11 ]}

يمكن استخدام العديد من مركبات العناصر الأرضية النادرة الأخرى، مثل الساماريوم مع اليوروبيوم الشبيه بالبورون وبوريد الساماريوم ، المستخدم بالفعل في صناعة الألوان. ^{[ 12 ]} وهناك مركبات بورون أقل امتصاصًا، مشابهة للتيتانيوم، ولكنها غير مكلفة، مثل الموليبدينوم ₍ Mo₂B₅ ₎ . ونظرًا لأن جميعها تتضخم مع البورون، فإن مركبات أخرى أفضل عمليًا، مثل الكربيدات، أو المركبات التي تحتوي على عنصرين أو أكثر من العناصر الماصة للنيوترونات. ومن المهم أن التنجستن ، وربما عناصر أخرى مثل التنتالوم ، ^{[ 13 ]} يتمتعان بقدرة امتصاص عالية مماثلة للهافنيوم ، ^{[ 14 ]} ولكن بتأثير معاكس. ولا يمكن تفسير ذلك بانعكاس النيوترونات وحده. التفسير الواضح هو أن أشعة جاما الرنينية تزيد من نسبة الانشطار والتكاثر مقابل التسبب في التقاط أكبر لليورانيوم، وغيرها في ظل ظروف شبه مستقرة مثل نظير اليورانيوم 235m ^، الذي يبلغ عمر النصف له حوالي 26 دقيقة.

في معظم تصاميم المفاعلات، وكإجراء احترازي ، تُربط قضبان التحكم بآليات الرفع بواسطة مغناطيسات كهربائية ، بدلاً من الربط الميكانيكي المباشر. هذا يعني أنه في حالة انقطاع التيار الكهربائي، أو في حال تفعيلها يدويًا نتيجة عطل في آليات الرفع، تسقط قضبان التحكم تلقائيًا بفعل الجاذبية إلى داخل المفاعل لإيقاف التفاعل. ويُستثنى من هذا النمط التشغيلي الآمن مفاعل الماء المغلي (BWR)، الذي يتطلب إدخالًا هيدروليكيًا في حالة الإيقاف الطارئ، باستخدام الماء من خزان خاص تحت ضغط عالٍ. ويُطلق على إيقاف المفاعل بهذه الطريقة اسم "الإيقاف السريع" .

• الطاقة النووية
• مفاعل نووي
• السلامة الكهربائية
• تأثير ويغنر

• باورز، د.أ. (1 أغسطس 1985). سلوك قضبان التحكم أثناء تدهور قلب المفاعل: ضغط قضبان التحكم المصنوعة من الفضة والإنديوم والكادميوم (تقرير فني). مكتب المعلومات العلمية والتقنية ، وزارة الطاقة الأمريكية . OSTI 6332291 . 
• بيتي، د.أ. (1 مارس 1987). سلوك قضبان التحكم المصنوعة من الفضة والإنديوم والكادميوم وتكوين الهباء الجوي في حوادث المفاعلات الخطيرة (تقرير فني). مكتب المعلومات العلمية والتقنية، وزارة الطاقة الأمريكية. OSTI 6380030 . 
• شتاينبروك، م.؛ ستيغماير، يو. (6 مايو 2010). "تجارب على فشل قضيب التحكم المصنوع من الفضة والإنديوم والكادميوم أثناء تسلسل الحوادث الخطيرة" . معهد كارلسروه للتكنولوجيا . تم الاطلاع عليه في 29 مايو 2017 .