حرارة التحلل

حرارة الاضمحلال هي الحرارة المنبعثة نتيجة الاضمحلال الإشعاعي . وتنتج هذه الحرارة نتيجة لتأثير الإشعاع على المواد: حيث تتحول طاقة إشعاع ألفا أو بيتا أو جاما إلى حركة حرارية للذرات.

تحدث حرارة التحلل بشكل طبيعي نتيجة تحلل النظائر المشعة طويلة العمر الموجودة بشكل بدائي منذ تكوين الأرض.

في هندسة المفاعلات النووية، يستمر توليد حرارة الاضمحلال حتى بعد إيقاف تشغيل المفاعل (انظر: إيقاف التشغيل التلقائي السريع للصواريخ النووية والتفاعلات النووية المتسلسلة ) وتوقف توليد الطاقة. ويستمر اضمحلال النظائر المشعة قصيرة العمر، مثل اليود-131 الناتج عن الانشطار، عند مستويات طاقة عالية لفترة من الزمن بعد الإيقاف . ^{[ 1 ]} ويُعزى المصدر الرئيسي لإنتاج الحرارة في المفاعل المتوقف حديثًا إلى اضمحلال بيتا للعناصر المشعة الجديدة الناتجة حديثًا من شظايا الانشطار في عملية الانشطار.

كمياً، عند إيقاف تشغيل المفاعل، لا تزال حرارة الاضمحلال الناتجة عن هذه المصادر المشعة تُشكّل 6.5% من قدرة قلب المفاعل السابقة، إذا كان للمفاعل تاريخ تشغيل طويل ومستقر . بعد حوالي ساعة من الإيقاف، تُصبح حرارة الاضمحلال حوالي 1.5% من قدرة قلب المفاعل السابقة. بعد يوم، تنخفض حرارة الاضمحلال إلى 0.4%، وبعد أسبوع، تُصبح 0.2% فقط. ^{[ 2 ]} ولأن النظائر المشعة بجميع أعمار النصف موجودة في النفايات النووية ، فإن كمية كافية من حرارة الاضمحلال تستمر في التكوّن في قضبان الوقود المستهلك، مما يستلزم بقاءها لمدة لا تقل عن عام، وفي الغالب من 10 إلى 20 عاماً، في حوض ماء مخصص للوقود المستهلك قبل معالجتها. مع ذلك، فإن الحرارة المتولدة خلال هذه الفترة لا تزال تُشكّل جزءاً صغيراً (أقل من 10%) من الحرارة المتولدة في الأسبوع الأول بعد الإيقاف. ^{[ 1 ]}

إذا لم يعمل نظام التبريد على إزالة حرارة الاضمحلال من مفاعل معطل تم إيقافه حديثًا، فقد تتسبب هذه الحرارة في وصول قلب المفاعل إلى درجات حرارة غير آمنة في غضون ساعات أو أيام، وذلك بحسب نوع القلب. يمكن أن تؤدي هذه الدرجات الحرارة المرتفعة للغاية إلى تلف طفيف في الوقود (مثل فشل بعض جزيئات الوقود (0.1 إلى 0.5%) في تصميم مُبرد بالغاز ومُهدئ بالجرافيت ^{[ 3 ]} )، أو حتى إلى تلف هيكلي كبير في القلب ( انصهار ) في مفاعل الماء الخفيف ^{[ 4 ]} أو مفاعل المعدن السائل السريع. قد تؤدي المواد الكيميائية المنبعثة من مادة القلب المتضررة إلى تفاعلات انفجارية أخرى (بخار أو هيدروجين) مما قد يزيد من تلف المفاعل. ^{[ 5 ]}

تُعدّ حرارة التحلل الطبيعية مصدراً هاماً لميزانية الحرارة الداخلية للأرض . وتُعتبر النظائر المشعة لليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم المساهم الرئيسي في هذه الحرارة، ويُشكّل هذا التحلل الإشعاعي المصدر الرئيسي للحرارة التي تُستمد منها الطاقة الحرارية ^{الأرضية} . [ ^{6 ]}

تُعدّ حرارة الاضمحلال ذات أهمية بالغة في الظواهر الفيزيائية الفلكية. فعلى سبيل المثال، يُعتقد على نطاق واسع أن منحنيات الضوء للمستعرات العظمى من النوع Ia ناتجة عن التسخين الذي توفره المنتجات المشعة الناتجة عن اضمحلال النيكل والكوبالت إلى حديد ( منحنى الضوء من النوع Ia ) .

في تفاعل الانشطار النووي النموذجي ، تُطلق طاقة مقدارها 187 ميغا إلكترون فولت بشكل فوري على هيئة طاقة حركية من نواتج الانشطار، وطاقة حركية من نيوترونات الانشطار، وأشعة غاما فورية ، أو أشعة غاما ناتجة عن امتصاص النيوترونات. ^{[ 7 ]} كما تُطلق طاقة إضافية مقدارها 23 ميغا إلكترون فولت بعد الانشطار بفترة ما نتيجةً لتحلل بيتا لنواتج الانشطار . حوالي 10 ميغا إلكترون فولت من الطاقة المنبعثة من تحلل بيتا لنواتج الانشطار تكون على هيئة نيوترينوات ، ونظرًا لضعف تفاعل النيوترينوات، فإن هذه الطاقة البالغة 10 ميغا إلكترون فولت لا تترسب في قلب المفاعل. ونتيجةً لذلك، تترسب 13 ميغا إلكترون فولت (6.5% من إجمالي طاقة الانشطار) في قلب المفاعل نتيجةً لتحلل بيتا المتأخر لنواتج الانشطار، وذلك بعد فترة ما من حدوث أي تفاعل انشطار. في حالة الاستقرار، تساهم هذه الحرارة الناتجة عن تحلل بيتا المتأخر لمنتجات الانشطار بنسبة 6.5٪ من إجمالي إنتاج الحرارة الطبيعي للمفاعل.

عند إيقاف تشغيل مفاعل نووي ، وعدم حدوث انشطار نووي واسع النطاق، يكون المصدر الرئيسي لإنتاج الحرارة هو التحلل الإشعاعي المتأخر (بيتا ) لمنتجات الانشطار (التي نشأت كشظايا انشطارية). ولهذا السبب، عند لحظة إيقاف تشغيل المفاعل، تبلغ حرارة التحلل حوالي 6.5% من قدرة قلب المفاعل السابقة، إذا كان للمفاعل تاريخ تشغيل طويل ومستقر . وبعد حوالي ساعة من الإيقاف، تنخفض حرارة التحلل إلى حوالي 1.5% من قدرة قلب المفاعل السابقة. وبعد يوم، تنخفض حرارة التحلل إلى 0.4%، وبعد أسبوع إلى 0.2% فقط. ويستمر معدل إنتاج حرارة التحلل في الانخفاض تدريجيًا مع مرور الوقت؛ ويعتمد منحنى التحلل على نسب منتجات الانشطار المختلفة في قلب المفاعل وعلى أعمار النصف لكل منها . ^{[ 8 ]}

يُعدّ تقريب منحنى حرارة التحلل صالحًا من 10 ثوانٍ إلى 100 يوم بعد الإيقاف هو

$${\displaystyle {\frac {P(\tau )}{P_{0}}}=0.066\left(\left(\tau -\tau _{s}\right)^{-0.2}-\tau ^{-0.2}\right),}$$

أين ${\displaystyle \tau }$هو الوقت منذ بدء تشغيل المفاعل،${\displaystyle P(\tau )}$هي القوة في ذلك الوقت${\displaystyle \tau }$،${\displaystyle P_{0}}$هي قدرة المفاعل قبل إيقاف التشغيل، و${\displaystyle \tau _{s}}$هو وقت إيقاف تشغيل المفاعل محسوبًا من وقت بدء التشغيل (بالثواني)، بحيث${\displaystyle t=(\tau -\tau _{s})}$يمثل الوقت المنقضي منذ الإغلاق. ^{[ 9 ]} يمكن إعادة كتابة هذه المعادلة بدلالة${\displaystyle t}$^[ 9 ^]​$${\displaystyle {\frac {P(t)}{P_{0}}}=0.066\left(t^{-0.2}-(t_{s}+\tau _{s})^{-0.2}\right),}$$والتي تُعرف باسم تركيبة واي-ويغنر التي صاغتها كاثرين واي ويوجين ويغنر لأول مرة في عام 1948. ^{[ 10 ]}

للحصول على نهج ذي أساس فيزيائي مباشر، تستخدم بعض النماذج المفهوم الأساسي للتحلل الإشعاعي . يحتوي الوقود النووي المستهلك على عدد كبير من النظائر المختلفة التي تُساهم في حرارة التحلل، والتي تخضع جميعها لقانون التحلل الإشعاعي، لذا تعتبر بعض النماذج حرارة التحلل مجموع دوال أسية ذات ثوابت تحلل مختلفة ومساهمة أولية في معدل الحرارة. ^{[ 11 ]} ويُفترض أن يأخذ نموذج أكثر دقة في الاعتبار تأثيرات المواد الأولية، نظرًا لأن العديد من النظائر تمر بعدة مراحل في سلسلة تحللها الإشعاعي ، وسيكون لتحلل النواتج الثانوية تأثير أكبر لفترة أطول بعد إيقاف التشغيل.

${\displaystyle {\frac {P}{P_{0}}}=\sum _{i=1}^{11}P_{i}e^{-\lambda t}.}$

يُعدّ التخلص من حرارة الاضمحلال النووي مصدر قلق بالغ لسلامة المفاعلات النووية، لا سيما بعد فترة وجيزة من الإيقاف الاعتيادي أو عقب حادثة فقدان سائل التبريد . قد يؤدي عدم التخلص من حرارة الاضمحلال إلى ارتفاع درجة حرارة قلب المفاعل إلى مستويات خطيرة، وقد تسبب ذلك في حوادث نووية ، بما في ذلك حادثتي ثري مايل آيلاند وفوكوشيما الأولى . عادةً ما يتم التخلص من الحرارة من خلال عدة أنظمة احتياطية ومتنوعة، حيث تُزال الحرارة عبر مبادلات حرارية. يمر الماء عبر الجانب الثانوي للمبادل الحراري من خلال نظام مياه الخدمة الأساسية ^{[ 12 ]} الذي يُبدد الحرارة في "المصرف الحراري النهائي"، والذي غالبًا ما يكون بحرًا أو نهرًا أو بحيرة كبيرة. في المواقع التي لا يوجد بها مسطح مائي مناسب، تُبدد الحرارة في الهواء عن طريق إعادة تدوير الماء عبر برج تبريد . كان تعطل مضخات تدوير نظام مياه الخدمة الأساسية أحد العوامل التي عرّضت السلامة للخطر خلال فيضان محطة بلاييس للطاقة النووية عام 1999 .

بعد مرور عام، يُنتج الوقود النووي المستهلك عادةً حوالي 10 كيلوواط من حرارة التحلل لكل طن ، وتنخفض هذه الكمية إلى حوالي 1  كيلوواط/طن بعد عشر سنوات. ^{[ 13 ]} لذا، فإن التبريد الفعال، سواءً كان نشطًا أو سلبيًا، للوقود النووي المستهلك ضروري لعدة سنوات.

• طاقة التحلل
• حوض الوقود المستهلك
• تخزين البراميل الجافة
• مولد كهربائي حراري يعمل بالنظائر المشعة

• دليل أساسيات وزارة الطاقة الأمريكية - حرارة الاضمحلال، الفيزياء النووية ونظرية المفاعلات - المجلد 2 من 2، الوحدة 4، الصفحة 61
• تقديرات حرارة التحلل لـ MNR ، الصفحة 2.
• تطبيق جافا لاستكشاف الوقود النووي المستهلك، يعرض النشاط وحرارة الاضمحلال كدالة للزمن.