السلامة من المخاطر النووية

السلامة الحرجة النووية هي مجال من مجالات الهندسة النووية مخصص لمنع الحوادث النووية والإشعاعية الناتجة عن تفاعل نووي متسلسل غير مقصود ومستدام ذاتيًا . ^{[ 1 ]}

يهتم أمن التفاعلات النووية الحرجة بتخفيف عواقب الحوادث النووية الحرجة . تحدث هذه الحوادث نتيجة عمليات تتضمن مواد انشطارية ، وتؤدي إلى تسرب مفاجئ وقاتل محتمل للإشعاع .

يسعى المختصون في مجال السلامة النووية الحرجة إلى منع وقوع حوادث نووية حرجة من خلال تحليل الظروف العادية والظروف غير العادية المحتملة في عمليات المواد الانشطارية ، وتصميم ترتيبات آمنة لمعالجة هذه المواد. ومن الممارسات الشائعة تطبيق تحليل الطوارئ المزدوج على العملية، حيث يجب أن يحدث تغييران أو أكثر مستقلان ومتزامنان وغير محتملين في ظروف العملية قبل وقوع حادث نووي حرج. على سبيل المثال، قد يكون التغيير الأول في الظروف هو غمر كامل أو جزئي، والتغيير الثاني هو إعادة ترتيب المواد الانشطارية.

ينتج عن هذا التحليل ضوابط (متطلبات) على معايير العملية (مثل كتلة المواد الانشطارية، والمعدات). وتُطبَّق هذه الضوابط، سواء كانت سلبية (مادية)، أو فعالة (ميكانيكية)، أو إدارية (بشرية)، من خلال تصميمات محطات آمنة بطبيعتها أو مقاومة للأعطال ، أو، إذا لم تكن هذه التصميمات عملية، من خلال ضوابط إدارية مثل إجراءات التشغيل، وتعليمات العمل، وغيرها من الوسائل لتقليل احتمالية حدوث تغييرات كبيرة في العملية قد تؤدي إلى حادث نووي حرج.

بتحليل مبسط، يكون النظام حرجًا تمامًا إذا كان معدل إنتاج النيوترونات من الانشطار متوازنًا تمامًا مع معدل امتصاص النيوترونات أو فقدانها من النظام بسبب التسرب. ويمكن تصميم أنظمة دون حرجة آمنة بضمان أن يتجاوز المعدل الإجمالي المحتمل للامتصاص والتسرب دائمًا المعدل المحتمل لإنتاج النيوترونات.

يمكن تذكر المعايير المؤثرة على حالة النظام الحرجة باستخدام الاختصار MAGICMERV . بعض هذه المعايير ليست مستقلة عن بعضها البعض؛ على سبيل المثال، سيؤدي تغيير الكتلة إلى تغيير الحجم، من بين أمور أخرى.

الكتلة : تزداد احتمالية الانشطار مع ازدياد العدد الإجمالي للنوى القابلة للانشطار. هذه العلاقة ليست خطية. إذا كان للجسم القابل للانشطار حجم وشكل محددين، ولكن بكثافة وكتلة متغيرتين، فهناك عتبة لا يمكن أن يحدث دونها الانشطار. تُسمى هذه العتبة بالكتلة الحرجة .

الامتصاص : يزيل الامتصاص النيوترونات من النظام. تُستخدم كميات كبيرة من المواد الماصة للتحكم في احتمالية حدوث التفاعل الحرج أو تقليلها. من المواد الماصة الجيدة: البورون ، والكادميوم ، والغادولينيوم ، والفضة ، والإنديوم .

الهندسة /الشكل : يؤثر شكل النظام الانشطاري على سهولة هروب النيوترونات منه، وفي هذه الحالة لا تكون متاحة لإحداث تفاعلات انشطارية في المادة الانشطارية. لذا، يؤثر شكل المادة الانشطارية على احتمالية حدوث التفاعلات الانشطارية. فالشكل ذو المساحة السطحية الكبيرة، كالشريحة الرقيقة، يُسهّل التسرب ويكون أكثر أمانًا من نفس الكمية من المادة الانشطارية في شكل صغير ومضغوط كالمكعب أو الكرة.

تفاعل الوحدات : يمكن للنيوترونات المتسربة من وحدة ما أن تدخل إلى وحدة أخرى. يمكن لوحدتين، كلٌّ منهما دون المستوى الحرج، أن تتفاعلا مع بعضهما لتشكيل نظام حرج. وتؤثر المسافة الفاصلة بين الوحدات وأي مادة بينهما على هذا التفاعل.

التركيز /الكثافة : من المرجح أن تحدث تفاعلات النيوترونات التي تؤدي إلى التشتت أو الالتقاط أو الانشطار في المواد الكثيفة؛ وعلى العكس من ذلك، من المرجح أن تهرب النيوترونات (تتسرب) من المواد منخفضة الكثافة.

التهدئة : النيوترونات الناتجة عن الانشطار النووي عادةً ما تكون سريعة (عالية الطاقة). هذه النيوترونات السريعة لا تُسبب الانشطار بسهولة مثل النيوترونات الأبطأ (الأقل طاقة). تُبطئ النيوترونات ( تُهدأ ) عن طريق التصادم مع نوى الذرات. أكثر النوى فعالية في التهدئة هي الهيدروجين، والديوتيريوم ، والبريليوم، والكربون. لذا، تُعد المواد الهيدروجينية، بما في ذلك الزيت، والبولي إيثيلين، والماء، والخشب، والبارافين، وجسم الإنسان، مواد تهدئة جيدة. تجدر الإشارة إلى أن التهدئة ناتجة عن التصادمات؛ لذلك، فإن معظم مواد التهدئة هي أيضًا عاكسات جيدة.

التخصيب : يتأثر احتمال تفاعل النيوترون مع نواة قابلة للانشطار بنسبة النوى القابلة للانشطار إلى النوى غير القابلة للانشطار في النظام. وتُسمى عملية زيادة نسبة النوى القابلة للانشطار في النظام بالتخصيب . عادةً، يعني التخصيب المنخفض احتمالًا أقل لحدوث تفاعل حرج، بينما يعني التخصيب المرتفع احتمالًا أكبر.

الانعكاس : عندما تصطدم النيوترونات بجسيمات ذرية أخرى (وخاصة النوى) ولا تُمتص، فإنها تتشتت (أي تغير اتجاهها). إذا كان تغير الاتجاه كبيرًا بما يكفي، فقد تنحرف النيوترونات التي أفلتت للتو من جسم قابل للانشطار عائدةً إليه، مما يزيد من احتمالية الانشطار. يُسمى هذا "الانعكاس". من المواد العاكسة الجيدة: الهيدروجين، والبريليوم ، والكربون، والرصاص، واليورانيوم، والماء، والبولي إيثيلين، والخرسانة، وكربيد التنجستن ، والفولاذ.

الحجم : بالنسبة لجسم من مادة انشطارية بأي شكل، فإن زيادة حجم الجسم تزيد من متوسط ​​المسافة التي يجب أن تقطعها النيوترونات قبل أن تصل إلى السطح وتخرج منه. وبالتالي، فإن زيادة حجم الجسم تزيد من احتمالية الانشطار وتقلل من احتمالية التسرب. لذلك، بالنسبة لأي شكل (وظروف انعكاس معينة - انظر أدناه)، سيكون هناك حجم يحقق توازنًا دقيقًا بين معدل إنتاج النيوترونات ومعدل الامتصاص والتسرب معًا. هذا هو الحجم الحرج.

وتشمل المعايير الأخرى ما يلي:

درجة الحرارة : لا يُولي المختصون في سلامة الأنظمة الحرجة اهتمامًا كبيرًا لهذا العامل، إذ غالبًا ما تكون التغيرات في درجة الحرارة في بيئة التشغيل النموذجية ضئيلة أو من غير المرجح أن تؤثر سلبًا على حرجية النظام. ويُفترض عادةً أن درجة الحرارة الفعلية للنظام قيد التحليل قريبة من درجة حرارة الغرفة. وتشمل الاستثناءات البارزة لهذا الافتراض المفاعلات ذات درجات الحرارة العالية والتجارب المبردة ذات درجات الحرارة المنخفضة.

عدم التجانس : يُعدّ مزج المساحيق الانشطارية في محلول، أو طحن المساحيق أو الخردة، أو غيرها من العمليات التي تؤثر على البنية الدقيقة للمواد الانشطارية، أمرًا بالغ الأهمية. وبينما يُشار عادةً إلى ذلك بالتحكم في عدم التجانس، فإنّ الاهتمام الأكبر ينصبّ على الحفاظ على التجانس، لأنّ الحالة المتجانسة عادةً ما تكون أقل تفاعلية. وعلى وجه الخصوص، عند مستويات تخصيب منخفضة، قد يكون النظام أكثر تفاعلية في حالة عدم التجانس مقارنةً بحالة التجانس. ^{[ 2 ]}

الشكل الفيزيائي الكيميائي : يتضمن التحكم في الحالة الفيزيائية (صلبة، سائلة، أو غازية) والشكل (مثل محلول، مسحوق، حبيبات خضراء أو متلبدة، أو معدن) و/أو التركيب الكيميائي (مثل سداسي فلوريد اليورانيوم، فلوريد اليورانيل ، نترات البلوتونيوم، أو أكسيد مختلط) لمادة انشطارية معينة. قد يؤثر الشكل الفيزيائي الكيميائي بشكل غير مباشر على معايير أخرى، مثل الكثافة، والتهدئة، وامتصاص النيوترونات.

لتحديد ما إذا كان أي نظام يحتوي على مواد انشطارية آمناً، يجب حساب توازن النيوترونات فيه. وفي جميع الحالات باستثناء الحالات البسيطة جداً، يتطلب ذلك عادةً استخدام برامج حاسوبية لنمذجة هندسة النظام وخصائص مواده.

يصف المحلل هندسة النظام ومواده، عادةً بافتراضات متحفظة أو متشائمة. ويتم تقليل كثافة وحجم أي مواد ماصة للنيوترونات إلى الحد الأدنى، بينما يتم زيادة كمية المواد الانشطارية إلى الحد الأقصى. ولأن بعض المواد المهدئة هي أيضاً مواد ماصة، يجب على المحلل توخي الحذر عند نمذجتها، بحيث تكون الافتراضات متشائمة. تسمح برامج الحاسوب للمحللين بوصف نظام ثلاثي الأبعاد بشروط حدودية. يمكن أن تمثل هذه الشروط الحدودية حدوداً حقيقية مثل الجدران الخرسانية أو سطح بركة، أو يمكن استخدامها لتمثيل نظام اصطناعي لانهائي باستخدام شرط حدودي دوري. وتُعد هذه الشروط مفيدة عند تمثيل نظام كبير يتكون من العديد من الوحدات المتكررة.

تشمل برامج الحاسوب المستخدمة في تحليلات السلامة الحرجة: OPENMC (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)، وCOG (الولايات المتحدة)، ^{[ 3 ]} وMONK (المملكة المتحدة)، ^{[ 4 ]} وSCALE/KENO (الولايات المتحدة)، ^{[ 5 ]} و MCNP (الولايات المتحدة)، ^{[ 6 ]} وCRISTAL (فرنسا). ^{[ 7 ]}

تفترض تحليلات الحرجية التقليدية أن المادة الانشطارية تكون في أقصى حالات تفاعلها، والتي عادةً ما تكون عند أعلى نسبة تخصيب ، دون أي تشعيع. ولتخزين ونقل الوقود النووي المستهلك ، يمكن استخدام رصيد الاحتراق للسماح بتعبئة الوقود بشكل أكثر كثافة، مما يقلل المساحة ويسمح بمعالجة كميات أكبر من الوقود بأمان. ولتطبيق رصيد الاحتراق، يُنمذج الوقود على أنه مُشعّع باستخدام ظروف متشائمة تُنتج تركيبة نظائرية تمثل جميع أنواع الوقود المُشعّع. يُنتج تشعيع الوقود الأكتينيدات التي تتكون من كلٍ من المواد الماصة للنيوترونات والنظائر القابلة للانشطار ، بالإضافة إلى نواتج الانشطار التي تمتص النيوترونات .

في أحواض تخزين الوقود التي تستخدم رصيد الاحتراق ، تُصمم مناطق منفصلة لتخزين الوقود الجديد والوقود المُشعّع. ولتخزين الوقود في مخزن الوقود المُشعّع، يجب أن يستوفي منحنى تحميل يعتمد على التخصيب الأولي والإشعاع.

• الكتلة الحرجة
• حادث حرج
• الحوادث والوقائع النووية والإشعاعية
• الرابطة العالمية لمشغلي الطاقة النووية