معامل الفراغ

في الهندسة النووية ، يُستخدم معامل الفراغات (أو معامل فراغات التفاعلية ) لتقدير مدى تغير تفاعلية المفاعل النووي نتيجة لتكوّن الفراغات (عادةً فقاعات بخار ) في مهدئ المفاعل أو سائل التبريد . وتعتمد التفاعلية الكلية في المفاعل على عدة عوامل، من بينها معامل الفراغات. عادةً ما يكون معامل الفراغات في المفاعلات التي يكون فيها المهدئ أو سائل التبريد سائلاً إما سالباً (في حالة نقص التهدئة) أو موجباً (في حالة زيادة التهدئة). أما المفاعلات التي لا يكون فيها المهدئ أو سائل التبريد سائلاً (مثل المفاعل المُهدَّأ بالجرافيت والمُبرَّد بالغاز )، فيكون معامل الفراغات فيها صفراً.

تعمل مفاعلات الانشطار النووي وفق مبدأ التفاعلات النووية المتسلسلة ، حيث تُطلق كل نواة تنشطر حرارة ونيوترونات. قد يصطدم كل نيوترون بنواة أخرى ويحفزها على الانشطار. وتؤثر سرعة هذا النيوترون على احتمالية تسببه في انشطار إضافي. تمتص النوى القابلة للانشطار النيوترونات الحرارية بسهولة أكبر من النيوترونات السريعة ، لذا فإن استخدام مُعدِّل للنيوترونات يُبطئها يزيد من تفاعلية المفاعل النووي. بينما يُقلل استخدام مُمتص للنيوترونات من تفاعلية المفاعل النووي. تُستخدم هاتان الآليتان للتحكم في الطاقة الحرارية الناتجة عن المفاعل النووي.

لاستخلاص الطاقة المفيدة من المفاعل النووي، وللحفاظ عليه سليمًا وعاملًا (في معظم تصاميم المفاعلات)، لا بد من استخدام نظام تبريد. تستخدم بعض المفاعلات الماء المضغوط لتدويره، بينما تستخدم أخرى معادن سائلة ، مثل الصوديوم أو البوتاسيوم أو الرصاص أو الزئبق ، وتستخدم مفاعلات أخرى الغازات (انظر: المفاعلات المتقدمة المبردة بالغاز ). إذا كان سائل التبريد سائلًا، فقد يغلي عند ارتفاع درجة الحرارة داخل المفاعل، مما يؤدي إلى تكوّن فراغات داخله. كما قد تتكوّن هذه الفراغات في حال فقدان سائل التبريد من المفاعل نتيجة حادث ما (يُسمى حادث فقدان سائل التبريد ، وهو ينطوي على مخاطر أخرى). تعمل بعض المفاعلات مع سائل التبريد في حالة غليان مستمرة، مستخدمةً البخار الناتج لتشغيل التوربينات.

قد يمتص سائل التبريد النيوترونات أو يبطئها، أو كليهما. وفي كلتا الحالتين، تؤثر كمية الفراغات داخل المفاعل على تفاعليته. ويتناسب التغير في التفاعلية الناتج عن تغير الفراغات داخل المفاعل تناسبًا طرديًا مع معامل الفراغات .

يشير معامل الفراغ الموجب إلى ازدياد التفاعلية مع ازدياد محتوى الفراغات داخل المفاعل نتيجةً لزيادة الغليان أو فقدان سائل التبريد؛ على سبيل المثال، إذا كان سائل التبريد يعمل بشكل أساسي كممتص للنيوترونات. يتسبب معامل الفراغ الموجب هذا في حلقة تغذية راجعة موجبة ، تبدأ مع ظهور فقاعات البخار لأول مرة. قد يؤدي ذلك إلى غليان سائل التبريد بالكامل في المفاعل بسرعة، إذا لم يتم التصدي له بواسطة آلية تحكم (تلقائية)، أو إذا كان زمن استجابة هذه الآلية بطيئًا للغاية. حدث هذا في مفاعل RBMK الذي دُمر في كارثة تشيرنوبيل بسبب معامل الفراغ الموجب ومعاملات الطاقة السريعة الموجودة عند مستويات طاقة منخفضة للمفاعل، حيث أدى إيقاف نظام الطاقة الاحتياطية (EPS) إلى تسريع التفاعلية بدلًا من تثبيطها، مما تسبب في الانفجار.

يعني معامل الفراغ السالب أن التفاعلية تنخفض مع ازدياد محتوى الفراغات داخل المفاعل، ولكنه يعني أيضًا أن التفاعلية تزداد عند انخفاض محتوى الفراغات. في مفاعلات الماء المغلي ذات معاملات الفراغ السالبة الكبيرة، يؤدي الارتفاع المفاجئ في الضغط (الناجم، على سبيل المثال، عن إغلاق غير مخطط له لصمام انسيابي) إلى انخفاض مفاجئ في محتوى الفراغات: سيؤدي ازدياد الضغط إلى تكثف بعض فقاعات البخار ("انهيارها")؛ وقد يزداد الناتج الحراري حتى يتم إيقافه بواسطة أنظمة الأمان، أو بسبب ازدياد تكوّن الفراغات نتيجةً لارتفاع القدرة، أو ربما بسبب أعطال في النظام أو أحد مكوناته تُخفف الضغط، مما يؤدي إلى ازدياد محتوى الفراغات وانخفاض القدرة. جميع مفاعلات الماء المغلي مصممة (ومطلوبة) للتعامل مع هذا النوع من الحالات العابرة. من ناحية أخرى، إذا صُمم المفاعل للعمل بدون فراغات على الإطلاق، فقد يعمل معامل الفراغ السالب الكبير كنظام أمان. يؤدي فقدان سائل التبريد في مثل هذا المفاعل إلى انخفاض الناتج الحراري، ولكن بالطبع لم تعد الحرارة المتولدة تُزال، لذلك يمكن أن ترتفع درجة الحرارة (إذا فشلت جميع أنظمة السلامة الأخرى في نفس الوقت).

وبالتالي، فإن معامل الفراغ الكبير، سواء كان موجبًا أو سالبًا، قد يمثل مشكلة في التصميم (يتطلب أنظمة تحكم أكثر دقة وسرعة استجابة) أو سمة مرغوبة، وذلك بحسب تصميم المفاعل. أما المفاعلات المبردة بالغاز فلا تعاني من مشاكل تشكل الفراغات.

• تتميز مفاعلات الماء المغلي عمومًا بمعاملات فراغ سالبة، وفي التشغيل العادي، يسمح معامل الفراغ السالب بضبط قدرة المفاعل عن طريق تغيير معدل تدفق الماء عبر قلب المفاعل. قد يتسبب معامل الفراغ السالب في زيادة غير مخطط لها في قدرة المفاعل في حالات معينة (مثل الإغلاق المفاجئ لصمام الانسياب) حيث يرتفع ضغط المفاعل فجأة. إضافةً إلى ذلك، قد يؤدي معامل الفراغ السالب إلى تذبذبات في القدرة في حالة الانخفاض المفاجئ في تدفق قلب المفاعل، كما قد يحدث نتيجة عطل في مضخة إعادة التدوير. صُممت مفاعلات الماء المغلي لضمان أن يكون معدل ارتفاع الضغط الناتج عن الإغلاق المفاجئ لصمام الانسياب محدودًا ضمن القيم المقبولة، وهي مزودة بأنظمة أمان متعددة مصممة لضمان إنهاء أي زيادات مفاجئة في قدرة المفاعل أو تذبذبات غير مستقرة في القدرة قبل حدوث أي تلف للوقود أو الأنابيب.
• تعمل مفاعلات الماء المضغوط بكمية فراغات صغيرة نسبيًا، ويُستخدم الماء كمهدئ ومبرد في آن واحد. لذا، يضمن معامل الفراغات السالب الكبير انخفاض الطاقة الناتجة في حال غليان الماء أو فقدانه.
• تتميز مفاعلات كاندو بمعاملات فراغ موجبة صغيرة بما يكفي لتمكين أنظمة التحكم من الاستجابة بسهولة لغليان سائل التبريد قبل أن يصل المفاعل إلى درجات حرارة خطيرة (انظر المراجع). علاوة على ذلك، يؤدي أي حادث فقدان لسائل التبريد إلى إيقاف تشغيل المفاعل تلقائيًا ، وعلى عكس مفاعلات الماء الخفيف ، فإن إدخال الماء "العادي" إلى قلب المفاعل - على سبيل المثال كسائل تبريد طارئ - لا يشكل خطرًا للوصول إلى حالة التشغيل الحرجة ، حيث لا يمكن لمفاعل كاندو الوصول إلى هذه الحالة إلا في غياب امتصاص النيوترونات الموجود بكميات كبيرة في الماء الخفيف.
• كانت مفاعلات RBMK ، مثل مفاعلات تشيرنوبيل، تتميز بمعامل فراغ موجب مرتفع بشكل خطير. وقد سمح هذا للمفاعل بالعمل على اليورانيوم غير المخصب دون الحاجة إلى الماء الثقيل ، مما وفر التكاليف. كما كانت مفاعلات RBMK قادرة على إنتاج البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة ، على عكس التصميم السوفيتي الرئيسي الآخر، وهو مفاعل VVER . ^{[ 1 ]} قبل حادثة تشيرنوبيل، كان معامل الفراغ الموجب لهذه المفاعلات 4.7 بيتا ، والذي تم تخفيضه بعد الحادث إلى 0.7 بيتا لضمان استمرار تشغيلها بأمان.
• لا تستخدم مفاعلات التوليد السريع مواد مهدئة، لأنها تعمل بالنيوترونات السريعة ، ولكن قد يعمل المبرد (غالباً الرصاص أو الصوديوم ) كممتص وعاكس للنيوترونات. ولهذا السبب، يكون معامل الفراغ فيها موجباً.
• تُبرَّد مفاعلات ماغنوكس ، والمفاعلات المتقدمة المبردة بالغاز، ومفاعلات الحصى ، بالغاز، لذا لا تُشكِّل معاملات الفراغ مشكلة. في الواقع، يُمكن تصميم بعضها بحيث لا يؤدي الفقدان الكامل للمبرد إلى انصهار قلب المفاعل حتى في غياب أنظمة التحكم النشطة. وكما هو الحال في أي تصميم للمفاعل، يُعدّ فقدان المبرد أحد الأعطال المحتملة العديدة التي قد تؤدي إلى حادث. في حالة دخول الماء السائل عرضيًا إلى قلب مفاعلات الحصى، قد يحدث معامل فراغ موجب. صُمِّمت مفاعلات ماغنوكس و UNGG لغرض مزدوج هو إنتاج الطاقة الكهربائية والبلوتونيوم المستخدم في الأسلحة.
• يعد مفاعل كاندو المتقدم ، وهو نوع مفاعل مقترح لم يتم بناؤه مطلقًا يعتمد على مفاعل كاندو، بمعامل فراغ سلبي، ولكنه يجب أن يستخدم اليورانيوم المخصب قليلاً كوقود ولا يمكنه العمل باليورانيوم الطبيعي كما يفعل مفاعل كاندو "العادي".
• في مفاعل الملح المنصهر، لا يُعد الملح عادةً مهدئًا قويًا ولا سامًا للنيوترونات. عند استخدام طيف نيوتروني حراري ، تُستخدم عادةً مهدئات خارجية مثل الجرافيت النووي . يمكن أن تتسرب نواتج الانشطار المتطايرة على شكل فقاعات من المحلول، ومع ذوبان الوقود في الملح، يقل التفاعل عند موقع الفقاعة وحوله. علاوة على ذلك، فإن معظم الغازات النبيلة الناتجة عن الانشطار - وعلى رأسها الزينون-135 - تُعد سامات قوية للنيوترونات. نظرًا لأن درجة غليان الأملاح المستخدمة مرتفعة نسبيًا (عند درجة قد تُصبح عندها السلامة الهيكلية لغلاف الملح المنصهر موضع شك)، فعادةً ما يُهمل أو لا يُولى اهتمام يُذكر لعواقب تبخرها. غالبًا ما تستخدم مفاعلات الملح المنصهر سدادة منصهرة تنصهر عند درجات حرارة أقل بكثير من درجة غليان الأملاح، مما يسمح لها بالتصلب في وعاء التقاط اللب .

• الفيزياء النووية

• تشيرنوبيل - منظور كندي - كتيب يصف المفاعلات النووية بشكل عام، وتصميم مفاعل RBMK بشكل خاص، مع التركيز على اختلافات السلامة بينها وبين مفاعلات كاندو . صادر عن هيئة الطاقة الذرية الكندية المحدودة (AECL)، مصممة مفاعل كاندو.
• جي جي ويتلوك، لماذا تتمتع مفاعلات كاندو بـ "معامل فراغ موجب"؟ - شرح منشور على موقع الأسئلة والأجوبة النووية الكندية ، وهو موقع إلكتروني يحتوي على "أسئلة وأجوبة متكررة" حول التكنولوجيا النووية الكندية.
• جي جي ويتلوك، كيف تفي مفاعلات كاندو بمعايير السلامة العالية، على الرغم من امتلاكها "معامل فراغ موجب"؟ - شرح منشور على موقع الأسئلة والأجوبة النووية الكندية ، وهو موقع إلكتروني يحتوي على "أسئلة وأجوبة متكررة" حول التكنولوجيا النووية الكندية.