الأهمية الفورية

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

في الهندسة النووية ، تُعرف الحالة الحرجة الفورية بأنها الحالة التي يكون فيها التفاعل النووي المتسلسل مستدامًا ذاتيًا، والتي تتحقق باستخدام النيوترونات الفورية وحدها (دون الحاجة إلى النيوترونات المتأخرة ). ونتيجة لذلك، تُسبب الحالة الحرجة الفورية زيادةً أسرع بكثير في معدل إطلاق الطاقة مقارنةً بأنواع الحالات الحرجة الأخرى. وتعتمد الأسلحة النووية على الحالة الحرجة الفورية، بينما تعتمد المفاعلات النووية على النيوترونات المتأخرة أو النيوترونات الخارجية لتحقيق الحالة الحرجة.

الأهمية

تُعتبر المجموعة حرجة إذا تسبب كل حدث انشطار، في المتوسط، في حدث انشطار إضافي واحد فقط في سلسلة متصلة. تُعرف هذه السلسلة بتفاعل الانشطار المتسلسل ذاتي الاستدامة . عندما تخضع ذرة اليورانيوم -235 (U-235) للانشطار النووي ، فإنها تُطلق عادةً ما بين نيوترون واحد وسبعة نيوترونات (بمعدل 2.4). في هذه الحالة، تكون المجموعة حرجة إذا كان لكل نيوترون مُطلق احتمال بنسبة 42% (1 / 2.4 = 0.42  ) للتسبب في حدث انشطار آخر، بدلاً من امتصاصه في حدث التقاط غير انشطاري أو هروبه من النواة الانشطارية.

يُطلق على متوسط ​​عدد النيوترونات التي تُسبب أحداث انشطار جديدة اسم عامل التكاثر النيوتروني الفعال ، ويُرمز إليه عادةً بالرموز k-effective أو k-eff أو k . عندما يكون k-effective مساويًا لـ 1، يُطلق على المجموعة اسم المجموعة الحرجة، وإذا كان k-effective أقل من 1، يُقال إن المجموعة دون الحرجة، وإذا كان k-effective أكبر من 1، يُطلق على المجموعة اسم المجموعة فوق الحرجة.

حرج مقابل فوري-حرج

في التجمع فوق الحرج، يزداد عدد الانشطارات في وحدة الزمن، N ، بالإضافة إلى إنتاج الطاقة، بشكل أُسّي مع الزمن. وتعتمد سرعة هذا النمو على متوسط ​​الزمن، T ، اللازم للنيوترونات المنطلقة في حدث انشطار لإحداث انشطار آخر. ويُعطى معدل نمو التفاعل بالمعادلة التالية:

شمال(ت)=شمال0كتتي{\displaystyle N(t)=N_{0}k^{\frac {t}{T}}\,}

معظم النيوترونات المنبعثة من الانشطار النووي هي تلك التي تنطلق أثناء الانشطار نفسه. تُسمى هذه النيوترونات بالنيوترونات الفورية، وتصطدم بنوى أخرى مُسببةً انشطارات إضافية في غضون نانوثانية (كان متوسط ​​الفترة الزمنية التي استخدمها العلماء في مشروع مانهاتن هو هزة واحدة ، أو 10 نانوثانية). وتُشكل نواتج الانشطار  مصدرًا إضافيًا ضئيلًا للنيوترونات . بعض النوى الناتجة عن الانشطار هي نظائر مشعة ذات أعمار نصفية قصيرة ، وتُطلق التفاعلات النووية بينها نيوترونات إضافية بعد تأخير طويل قد يصل إلى عدة دقائق بعد الانشطار الأولي. تُسمى هذه النيوترونات، التي تُمثل في المتوسط ​​أقل من واحد بالمائة من إجمالي النيوترونات المنبعثة من الانشطار، بالنيوترونات المتأخرة. يُعدّ النطاق الزمني البطيء نسبيًا لظهور النيوترونات المتأخرة جانبًا مهمًا في تصميم المفاعلات النووية، إذ يسمح بالتحكم في مستوى طاقة المفاعل من خلال الحركة الميكانيكية التدريجية لقضبان التحكم. تحتوي قضبان التحكم عادةً على مواد سامة للنيوترونات (مواد، مثل البورون أو الهافنيوم ، التي تمتص النيوترونات بسهولة دون إنتاج أي نيوترونات إضافية) كوسيلة لتغيير معامل k الفعال . وباستثناء المفاعلات النبضية التجريبية، تُصمم المفاعلات النووية للعمل في وضع حرج متأخر، وتُزود بأنظمة أمان لمنعها من الوصول إلى حالة الحرجية الفورية.

رسم توضيحي يشرح أنواع الأهمية الحرجة.كهـوو{\displaystyle k_{\mathrm {eff} }}هو عامل تكاثر النيوترونات الفعال .

في نظام التفاعل ذي الحرج المتأخر ، تُعدّ النيوترونات المتأخرة ضرورية لجعل قيمة k-effective أكبر من واحد. لذا، فإن الفترة الزمنية بين دورات التفاعل المتتالية، T ، يهيمن عليها الوقت اللازم لانطلاق النيوترونات المتأخرة، والذي يتراوح بين ثوانٍ ودقائق. ونتيجةً لذلك، يزداد التفاعل ببطء، مع ثابت زمني طويل. هذا البطء كافٍ للسماح بالتحكم في التفاعل باستخدام أنظمة تحكم كهروميكانيكية مثل قضبان التحكم ، وبناءً على ذلك، تُصمّم جميع المفاعلات النووية للعمل في نظام الحرج المتأخر.

في المقابل، يُقال عن التجمع الحرج أنه فوري-حرج إذا كان حرجًا ( k  =  1 ) دون أي مساهمة من النيوترونات المتأخرة ، وفوري-فوق حرج إذا كان فوق حرج (معدل الانشطار ينمو أُسّيًا، k  >  1 ) دون أي مساهمة من النيوترونات المتأخرة. في هذه الحالة، يكون الزمن بين الأجيال المتتالية للتفاعل، T ، محدودًا فقط بمعدل الانشطار الناتج عن النيوترونات الفورية، وسيكون ازدياد التفاعل سريعًا للغاية، مما يؤدي إلى إطلاق سريع للطاقة في غضون بضعة أجزاء من الألف من الثانية. تُصنع التجمعات الفورية-الحرجة عمدًا في الأسلحة النووية وبعض التجارب البحثية المصممة خصيصًا.

يكمن الفرق بين النيوترون الفوري والنيوترون المتأخر في مصدر إطلاق النيوترون إلى المفاعل. فالنيوترونات، بعد إطلاقها، لا تختلف إلا في الطاقة أو السرعة المكتسبة. يعتمد السلاح النووي بشكل كبير على النيوترون الفوري فوق الحرج (لإنتاج ذروة طاقة عالية في جزء من الثانية)، بينما تستخدم مفاعلات الطاقة النووية النيوترون المتأخر فوق الحرج لإنتاج مستويات طاقة يمكن التحكم بها لأشهر أو سنوات.

المفاعلات النووية

لبدء تفاعل انشطار نووي قابل للتحكم، يجب أن يكون التفاعل في حالة حرجة متأخرة. بمعنى آخر، يجب أن تكون قيمة k أكبر من 1 (فوق الحرجة) دون تجاوز عتبة الحرج الفوري. في المفاعلات النووية، يتحقق ذلك بفضل النيوترونات المتأخرة. ولأن انبعاث هذه النيوترونات يستغرق بعض الوقت بعد الانشطار، فمن الممكن التحكم في التفاعل النووي باستخدام قضبان التحكم.

يُشغَّل المفاعل في حالة الاستقرار (بقدرة ثابتة) بحيث يكون في حالة حرجة بفضل النيوترونات المتأخرة، ولكنه لن يكون كذلك لولا مساهمتها. خلال زيادة تدريجية ومدروسة في مستوى قدرة المفاعل، يصبح المفاعل فوق الحرج المتأخر. الزيادة الأسية في نشاط المفاعل بطيئة بما يكفي لتمكين التحكم في عامل الحرجية، k ، عن طريق إدخال أو سحب قضبان من مادة ماصة للنيوترونات. باستخدام حركات دقيقة لقضبان التحكم، يُمكن بالتالي الوصول إلى قلب مفاعل فوق الحرج دون الوصول إلى حالة حرجة فورية غير آمنة.

بمجرد أن يبدأ تشغيل محطة المفاعل عند مستوى الطاقة المستهدف أو المصمم له، يمكن تشغيلها للحفاظ على حالتها الحرجة لفترات طويلة من الزمن.

الحوادث الخطيرة الفورية

قد تتعرض المفاعلات النووية لحوادث التفاعل النووي الفوري في حال حدوث زيادة كبيرة في التفاعلية (أو معامل k الفعال )، كما يحدث مثلاً بعد تعطل أنظمة التحكم والسلامة. من المرجح أن تؤدي الزيادة السريعة وغير المنضبطة في قدرة المفاعل في ظروف التفاعل النووي الفوري إلى إلحاق ضرر لا يمكن إصلاحه به، وفي الحالات القصوى، قد تتسبب في اختراق حاوية الاحتواء. صُممت أنظمة السلامة في المفاعلات النووية لمنع التفاعل النووي الفوري، ولتحقيق دفاع متعدد الطبقات ، توفر هياكل المفاعلات أيضاً طبقات احتواء متعددة كإجراء احترازي ضد أي تسرب عرضي لمنتجات الانشطار المشعة .

باستثناء المفاعلات البحثية والتجريبية، يُعتقد أن عددًا قليلًا فقط من حوادث المفاعلات قد وصل إلى حالة التفاعل الحرج الفوري، مثل حادثة تشيرنوبيل رقم 4 ، وحادثة SL-1 التابعة للجيش الأمريكي ، والغواصة السوفيتية K-431 . في جميع هذه الأمثلة، كان الارتفاع المفاجئ وغير المنضبط في الطاقة كافيًا لإحداث انفجار دمر المفاعل وأطلق نواتج انشطارية مشعة في الغلاف الجوي.

في تشيرنوبيل عام 1986، أُجري اختبارٌ تطلّب قطع التيار الكهربائي عن نصف مضخات التبريد في المفاعل. [ 1 ] أدّى هذا الاختبار، بالإضافة إلى تأثير الإيقاف الطارئ غير المفهوم جيدًا ، إلى ارتفاع درجة حرارة قلب المفاعل بشكلٍ خطير. نتج عن ذلك تمزّق عناصر الوقود وأنابيب المياه، وتبخّر الماء، وانفجار بخاري ، واشتعال الجرافيت. تشير التقديرات إلى أن مستويات الطاقة قبل الحادث كانت تتجاوز 30 جيجاواط، أي عشرة أضعاف طاقته الحرارية القصوى البالغة 3 جيجاواط. رفع الانفجار البخاري غطاء حجرة المفاعل الذي يزن 2000 طن. ولأن المفاعل لم يُصمّم بمبنى احتواء قادر على احتواء هذا الانفجار الكارثي، فقد تسرّبت كميات كبيرة من المواد المشعة إلى البيئة.

في الحادثتين الأخريين، تعطلت المفاعلات نتيجة أخطاء أثناء عملية إيقاف صيانة تضمنت إزالة سريعة وغير منضبطة لقضيب تحكم واحد على الأقل. كان مفاعل SL-1 نموذجًا أوليًا مُصممًا للاستخدام من قبل الجيش الأمريكي في المناطق القطبية النائية. في محطة SL-1 عام 1961، تم نقل المفاعل من حالة الإيقاف إلى حالة حرجة فورية عن طريق سحب قضيب التحكم المركزي يدويًا لمسافة أبعد من اللازم. ومع تحول الماء في قلب المفاعل بسرعة إلى بخار وتمدده (في غضون أجزاء من الثانية)، قفز وعاء المفاعل الذي يزن 12000 كيلوغرام (26000 رطل) مسافة 2.77 متر ( 9 أقدام وبوصة واحدة ) ، تاركًا آثارًا في السقف أعلاه. [ 2 ] [ 3 ] توفي الرجال الثلاثة الذين كانوا يقومون بعملية الصيانة متأثرين بجراحهم. وانطلق 1100 كوري من نواتج الانشطار مع تطاير أجزاء من قلب المفاعل. استغرق التحقيق في الحادث وتنظيف الموقع عامين. تم حساب التفاعل الفوري الزائد لنواة SL-1 في تقرير عام 1962: [ 4 ]    

بلغت نسبة النيوترونات المتأخرة في مفاعل SL-1 نسبة 0.70%... وكشفت أدلة قاطعة أن انحراف مفاعل SL-1 كان نتيجة سحب جزئي لقضيب التحكم المركزي. وقُدِّرت التفاعلية المرتبطة بسحب هذا القضيب بمقدار 20 بوصة بنسبة 2.4% δk/k، وهي نسبة كافية لإحداث حالة حرجة فورية ووضع المفاعل في دورة مدتها 4 مللي ثانية.

في حادثة مفاعل K - 431 ، لقي عشرة أشخاص حتفهم أثناء عملية إعادة التزود بالوقود. دمر انفجار المفاعل غرف الآلات المجاورة وأحدث تمزقًا في هيكل الغواصة. في هاتين الكارثتين، انتقلت المفاعلات من حالة الإيقاف التام إلى مستويات طاقة عالية للغاية في جزء من الثانية، مما أدى إلى تلفها بشكل لا يمكن إصلاحه.

قائمة الرحلات الطارئة غير المقصودة

أُجريت العديد من التجارب والمفاعلات البحثية لدراسة تشغيل محطة مفاعل حرج فوري. وقد ساهمت تجارب CRAC و KEWB و SPERT-I وجهاز Godiva و BORAX في هذا البحث. مع ذلك ، وقعت حوادث عديدة، لا سيما أثناء البحث ومعالجة الوقود النووي. ويُعدّ SL-1 الاستثناء البارز.

القائمة التالية لحالات تجاوز الطاقة الحرجة الفورية مقتبسة من تقرير قُدِّم عام 2000 من قِبَل فريق من علماء الطاقة النووية الأمريكيين والروس الذين درسوا حوادث التفاعلات الحرجة ، ونُشر من قِبَل مختبر لوس ألاموس العلمي، وهو موقع العديد من هذه الحالات. [ 5 ] يبلغ متوسط ​​تجاوز الطاقة حوالي 1 × 10¹⁷ انشطار نووي .

الأسلحة البيئية

في المقابل، يُعدّ الوصول إلى حالة التفاعل الحرجة الفورية أمرًا بالغ الأهمية في تصميم الأسلحة النووية . في الواقع، تتمثل إحدى المشكلات التصميمية التي يجب التغلب عليها عند بناء قنبلة نووية في ضغط المواد الانشطارية بدرجة كافية لتحقيق حالة التفاعل الحرجة الفورية قبل أن تتاح للتفاعلات المتسلسلة فرصة إنتاج طاقة كافية لتسبب تمددًا مفرطًا في قلب القنبلة. لذا، يجب أن يتفوق تصميم القنبلة الجيد في الوصول إلى قلب كثيف وسريع التفاعل الحرجة قبل أن يؤدي تفاعل متسلسل أقل قوة إلى تفكيك القلب دون السماح بانشطار كمية كبيرة من الوقود (وهو ما يُعرف بالفشل ). وهذا يعني عمومًا أن القنابل النووية تحتاج إلى عناية خاصة بطريقة تجميع القلب، مثل طريقة الانفجار الداخلي التي ابتكرها ريتشارد سي. تولمان وروبرت سيربر وعلماء آخرون في جامعة كاليفورنيا، بيركلي عام 1942.

انظر أيضاً

  1. ↑ "INSAG-7: حادثة تشيرنوبيل: تحديث INSAG-1" ( ملف PDF ). الوكالة الدولية للطاقة الذرية. 1992.
  2. ↑ تاكر، تود (2009). أمريكا الذرية: كيف غيّر انفجار مميت وأميرال مخيف مسار التاريخ النووي . نيويورك: فري برس. ISBN 978-1-4165-4433-3.انظر الملخص:أُرشف بتاريخ 21 يوليو 2011 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
  3. ↑ ستايسي، سوزان م. (2000). "الفصل 15: حادثة SL-1" (ملف PDF) . إثبات المبدأ: تاريخ مختبر أيداهو الوطني للهندسة والبيئة، 1949-1999 . وزارة الطاقة الأمريكية ، مكتب عمليات أيداهو. الصفحات 138-149 . ISBN  978-0-16-059185-3تمت أرشفة الملف (PDF) من النسخة الأصلية بتاريخ 29 ديسمبر 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 سبتمبر 2015 .
  4. ↑ IDO-19313 مؤرشف في 27 سبتمبر 2011 في Wayback Machine تحليل إضافي لرحلة SL-1، التقرير النهائي عن التقدم المحرز من يوليو إلى أكتوبر 1962 ، نوفمبر 1962.
  5. ^ مراجعة للحوادث الحرجة ، مختبر لوس ألاموس الوطني، LA-13638، مايو 2000. توماس ب. ماكلولين، شين ب. موناهان، نورمان إل. بروفوست، فلاديمير ف. فرولوف، بوريس ج. ريازانوف، وفيكتور آي. سفيريدوف.
* «الطاقة النووية: المبادئ» ، قسم الفيزياء، كلية العلوم، جامعة المنصورة، المنصورة، مصر؛ مقتطف على ما يبدو من مذكرات قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة واشنطن؛ والتي يبدو أنها مُلخصة من كتاب بودانسكي، د. (1996)، الطاقة النووية: المبادئ والممارسات والآفاق ، معهد الفيزياء الأمريكي

للمزيد من القراءة