المفاعلات السريعة Fast Reactors

تصنيف المفاعلات من حيث نوع النيوترونات التي تسبب الانشطار ومن ثم فهذه المفاعلات تعمل بالنيوترونات السريعة. ومن ثم فلا نحتاج في هذه المفاعلات إلى المهدئ لأن الانشطار ينتج عن النيوترونات السريعة ذات الطاقة العالية. وعلى كل حال هناك احتمال للنقص في طاقة النيوترونات الذي ينتج عن التصادمات اللامرنة مع أنوية الوقود أو المواد الإنشائية المستخدمة في المفاعل إلا أن ذلك الانخفاض لا يزال صغيراً وبالتالي تعمل هذه المفاعلات عند مدى طاقة يبدأ من حوالي 0.2 م. أ. ف.

وتنال هذه المفاعلات اهتمامات خاصة تتعلق بمقدرتها على إنتاج وقود انشطاري من مواد مخصبة من Th, ²³⁸U²³². وتعتمد قدرة هذه المفاعلات على التحويل الإنتاجي على قيمة (η) التي تبين عدد النيوترونات الانشطارية الناتجة عن النيوترون الممتص بالوقود. فإذا اعتبرنا أن واحداً من هذه النيوترونات الانشطارية (الناتجة عن الاشطار النووي) يستخدم لقذف نواة أخرى ليسبب انشطارها ومن ثم فإن عدد النيوترونات المتبقية يساوي (1 -η). وحيث أننا نحتاج إلى نيوترون واحد على الأقل لإحداث التحويل المطلوب للمادة القابلة للانشطار إلى مادة انشطارية فإنه كي نتمكن من ذلك فيجب أن تكون 1< (1 -η). لاحظ هنا أن بعض هذه النيوترونات ايضاً سيضيع في تفاعلات الأسر والتشتت مع ذرات المواد الإنشائية أو تفاعلات الهرب من المفاعل. وبالتالي فإنه لكي نتمكن من تحويل المادة المخصبة إلى مادة انشطارية فإن η يجب أن تكون أكبر من (2). نبين في الجدول (1) متغيرات الانشطار Fission Parameters لمفاعلات حرارية وسريعة. حيث نبين α,v,σ_f (1 -η) لقد تم تعريف ثلاث كميات من هذه الكميات فيما سبق أما (α) فهي النسبة بين مساحة مقطع الأسر اللاإنشطاري والأسر الانشطاري أي أن:

(1)       ........

ومن ثم فإن احتمال الانشطار: _fP يعطي بالعلاقة :

(2) .............                     

أما احتمال الأسر P_c فيعطي بالعلاقة:

(3) ...............

الجدول (1)

وبالتالي فيمكن كتابة علاقة الانشطار النووي الان بصورة عامة كما يلي :

كما ويمكن أن تكتب هذه العلاقة على الصورة التالية :

لاحظ أن η يمكن أن تكتب على الصورة:

(4)..............  

دعنا الآن نلقي نظرة سريعة على الجدول (1). حيث نجد أنه في حالة الانشطارات الحرارية (باستثناء U²³⁸) فإن (1 -η) تساوي تقريباً الوحدة، وبالتالي فإنه بعد إعطاء فرصة تفاعلات الأسر أو التسرب يظل لنا أقل من نيوترون ليقوم بعملية التخصيب ومن ثم فإن شغيل المفاعلات النووية الحرارية لن يمكننا من الحصول على التخصيب المطلوب.

أما في المفاعلات السريعة التي تستخدم فيها النيوترونات السريعة للانشطار فإن (1 -η) أكبر من مثيلاتها في حالة نفس الوقود الذي تستخدم منه النيوترونات الحرارية، وذلك يتضح من الجدول (1) ومن ثم يمكن الحصول على مواد انشطارية من مواد تخصيب مناسبة.

نسبة التحويل  CR) Conversion Ration(   ونسبة الإنتاج BR) Breeding Ratio):

بينا أنه يمكن توليد مواد انشطارية من مواد تخصيب وذلك في حالة المفاعلات السريعة. وبالتالي يمكننا الآن تعريف نسبة التحويل (CR) حيث:

لاحظ هنا أن الوقود المستهلك هو Pu, ²³⁹Pu, ²³³U, ²³⁵U²⁴¹

أما إذا زادت نسبة التحويل (CR) عن الوحدة فإننا نطلق عليها نسبة الإنتاج (BR).

لقد وجد أن معظم المفاعلات الحرارية مثل: مفاعل الماء الخفيف LWR Light Water Coo Jed and Light Water Moderated Reactor) CANDU) ومفاعل الديوتيريرم اليورانيوم الكندي Canada Deuterium Uranium Reactor ومفاعل درجات الحرارة العالية المبرد بالغاز HTGR أو High Temperature) Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor With Prismatic Fuel (.Elements

لها نسب تحويل تتراوح بين 0.5 - 0.9 وبالتالي فمثل هذه المفاعلات هي عبارة عن مستهلكات للوقود النووي الانشطاري. ولهذا السبب تعرف مثل هذه المفاعلات بالمفاعلات المحولة Converter Reactors.

أما إذا كانت نسبة التحويل تساوي الواحد الصحيح فإن المفاعل ينتج وقود بنفس القدر الذي يستهلكه به. أما عندما تكون نسبة التحويل أكبر من الواحد الصحيح فإنها تعرف بنسبة الإنتاج ومن ثم يطلق على المفاعلات في هذه الحالة: المفاعلات الإنتاجية Breeder Reactors ٠ وفي واقع الأمر عندما تتراوح BR بين 1.15 و1.30 فإن ذلك يتم في المفاعلات الإنتاجية التي يستخدم فيها طيف نيوترونات سريعة ويستخدم فيها وقود يتكون من اليورانيوم -البلوتونيوم. وتعرف هذه المفاعلات: بالمفاعلات الإنتاجية السريعة fast) Breeder Reactors) FBR .

وتعطي نسبة التحويل بالعلاقة:

(5)...........

حيث هي الناتج النيوتروني وتساوي متوسط عدد النيوترونات الكلي المتولدة لكل نيوترون ممتص (يؤخذ هنا المتوسط بالنسبة لجميع النظائر الانشطارية وفيض النيوترونات في المفاعل ككل).

متوسط عدد النيوترونات المفقود نتيجة للامتصاص بواسطة المبرد coolant والمواد الإنشائية وقضبان التحكم. تعرف ة أحياناً بالامتصاصات المتطفلة.

عدد النيوترونات المتسربة من قلب المفاعل (وفي حالة المفاعلات الإنتاجية السريعة فتساوي عدد النيوترونات المتسربة من الطبقة الإنتاجية المحيطة بالقلب (Surrounding Breeding Blanket).

تأثير الانشطار السريع Fast Fission Effect أو نسبة الانشطارات السريعة التي يمكن أن تنتج عن Pu, ²³⁸U²⁴⁰ إلى العدد الكلي للانشطارات.

لاحظ أن الحد المهم في العلاقة السابقة هو وهي التي تحدد CR. وبنظرة على الشكل (10.14) نجد أن تبلغ أكبر قيمة في حالة Pu²³⁹ عندما تكون طاقة النيوترونات أكبر من 100 ك. أ. ف. بينت الدراسات أن أعلى نسبة تحول يمكن الحصول عليها عند استخدام البلوتونيوم كوقود في مفاعلات تستخدم نيوترونات طاقاتها أكبر من 200 ك. أ. ف. ويمكن التوصل إلى ذلك عندما نستخدم كميات صغيرة من المبرد ومواد إنشائية ذات أعداد كتل كبيرة (عناصر ثقيلة) وتتمتع في نفس الوقت بمساحة مقطع امتصاص منخفض. ومن ثم تظل طاقة النيوترونات عالية وتقل في نفس الوقت الامتصاصات المتطفلة. وفي أمثال هذه المفاعلات قد تصل نسبة الإنتاج إلى قيم أكبر من الواحد ومن ثم تعرف هذه المفاعلات بالمفاعلات الإنتاجية كما ذكرنا آنفاً وهنا تتراوح BR بين 1.15 و1.30 وتكون η حوالي 2.4. أما فإنها تتراوح بين 0.01 و0.03 في المفاعلات الحرارية. وفي حالة المفاعلات الإنتاجية السريعة فإن تتراوح بين 0.1 و0.15.