مقدمه

راکتورهای هسته‌ای در کل از دو نوع شکافتی و همجوشی تشکیل شده‌اند و خود اینها با توجه به شرایط حاکم و اهداف مورد نظر به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند.

ردیف بندی بر حسب مصرف

• تولید پولوتونیوم
• تولید انرژی الکتریکی
• پژوهشها و تولید شارهای شدید نوترونی
• پیش رانش (در حال حاضر رانش فضایی و اتمی راکتورهای زیردریاییها)

ردیف بندی بر حسب ترازنامه کار

هر راکتوری یک ماده قابل احتراق و نیز یک ایزووتوپ بارور را شامل است که می‌تواند با جذب نوترونی به یک ماده شکافت تبدیل شود. ²³⁸U در راکتورهای حرارتی مانند راکتورهای سریع مورد استفاده قرار می‌گیرد. به بیان دیگر هر راکتوری یک ماده قابل شکافت را می‌سوزاند، ولی در همان زمان یک ماده شکافتی دیگر را می‌سازد. این راکتورها را زاینده گویند، در صورتی که هسته‌های قابل شکافت بیشتر از مصرف را تولید کند. فقط راکتورهایی با نوترونهای سریع می‌توانند زاینده باشند.

ردیف بندی بر حسب سلسله مراتب

این ردیف بندی بطور مستقیم به قیمت تولیدی یک کیلو وات ساعت وابسته است. در این ردیف بندی با انتخاب ماده کند کننده (اول نوشته می‌شود) و ماده سرد کننده (بعد از آن نوشته می‌شود) مشخص می‌شود. انواع مختلف که مورد استفاده دارند:

• گرافیت _ گاز
  
  گرمترین این راکتوها با اورانیوم طبیعی ، توان ویژه ای در حدود 2 مگا وات بر متر مکعب می دهند.
  
  
• گرافیت _ آب
  
  این راکتورها با اورانیوم طبیعی برای منظورهای نظامی مورد استفاده قرار گرفته اند و برای تولید انرژی الکتریکی کم بهره هستند.
  
  
• گرافیت _ فلز (یا نمک) مذاب
  
  سریم هممراه با کربور اورانیوم مورد استفاده قرار می گیردذ. نمکهای مذاب یک محیط سوختی مایع را به وحود می آورند و سرد کننده مخلوطی از ماده قابل احتراق و نمک مذاب است.
  
  
• کند کننده آب سنگین
  • سرد کننده: آب سنگین
  • سرد کننده: آب سبک
  • سرد کننده گازی
• آب سبک _ آب سبک
  
  

این راکتورهای پژوهشی با اورانیوم بسیار غنی شده معمولا توان کمتری دارند. این راکتورها در دو دسته ردیف بندی می‌شوند:

1. آب تحت فشار (P.W.R): این روش برای پیشرانش زیر دریایی ، ناوهای دریایی و کشتیها مورد استفاده قرار می گیرند.
   
   
2. آب جوشان (B.W.R): قسمتی از آب در مغز راکتور بخار شده و بخار تولید شده مستقیما توربین را بکار می اندازد.

راکتورهای هسته‌ای با دمای بالا

راکتورهای هسته‌ای با دمای بالا (HTR) می‌توانند در دماهای بسیار بالا ، گرما تولید کنند. کاربرد این راکتورها بیشتر برای تولید گرما و بویژه برای تولید هیدروژن یا ماده قابل احتراق ترکیبی و به این ترتیب تغییر تمام عادات مصرف انرژی است. این راکتورها از نوع راکتورهای با نوترونهای حرارتی ، با گردش هلیوم که تقریبا به دمای 700 درجه سانتیگراد برده می‌شود، در تجمعی از گرافیت و ذرات قابل شکافت به دمای کمتر از 1300 درجه سانتیگراد برده می‌شوند. این راکتورها بسیار مطمئن هستند، هلیوم گازی بدون خطر و رادیو اکتیویته آن کمتر و گستره دما بسیار بزرگ است. پسماندها و ضایعات آن بسیار کم است و می‌توانند الکتریسیته ، آب گرم ، بخار آب تولید کنند و در آینده دور می‌توان از آن به هیدروکربورها یا به توسط واکنشهای داخلی هیدروژن تولید کرد و بخشی از مسئله نفت را حل کرد.

راکتورهای همجوشی هسته‌ای

همجوشی هسته‌ای یک منبع انرژی پتانسیل است که آلودگی آن نسبتا کم ، تقریبا پایان ناپذیر ، ارزان قیمت و می‌تواند در دسترس همگان قرار گیرد.

توکاماک یکی از انواع راکتورهای همجوشی هسته‌ای

این نوع راکتور عمل محصورسازی را به خوبی انجام می‌دهد. طرح توکاماک در دهه پنجاه میلادی توسط روسها پیشنهاد شد. کلمه توکاماک از کلمات "toroidalnaya" ، "kamera" ، and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره‌ای" گرفته شده است. یکی از دلایل و توجیهاتی که برای چنبره‌ای بودن محفظه‌های محصور سازی می‌شود بیان کرد این است که: توپ پر مویی را تصور کنید که شما قصد دارید موهای این توپ را شانه بزنید. شما هر طور و از هر طرف که بخواهید این کار را بکنید همیشه دو طرف از موهای توپ شانه نشده و نامنظم باقی می‌ماند.

حال به جای توپ فرض کنید که یک کره مغناطیسی داریم. می‌خواهیم که بردارهای میدان در سراسر اطراف این کره یکنواخت و منظم باشند (در واقع همه در یک جهت باشند). بنا به مثال این کار غیر ممکن بوده و نامنظمی در دو طرف کره باعث عدم پایداری محصور ساز می‌شود. ولی در یک محصور ساز چنبره‌ای چنین مشکلی وجود ندارد و یکنواختی میدان سراسر محصور ساز (توکاماک) باعث پایداری آن می‌شود. مهمترین و حیاتی‌ترین وظیفه یک ابزار همجوشی پایدار نگه داشتن پلاسما است.

اسفرومک نوع دیگری از راکتورهای همجوشی هسته‌ای

اسفرومک نوع دیگری از رآکتورهای همجوشی است که بر خلاف توکاماک که چنبره‌ای می‌باشد شکلی کروی دارد. البته تفاوت اسفرومک با توکاماک در این است که در مرکز اسفرومک هیچ جسم مادی وجود ندارد. اسفرومک متأسفانه با بی مهری مواجه شد و به اندازه توکاماک مورد توجه واقع نشد. در حالی که اسفرومک مدت زیادی بعد از توکاماک اختراع شد. در دهه گذشته اغلب تحقیقات در بخش انرژی همجوشی مغناطیسی روی توکاماک چنبره‌ای شکل برای رسیدن به واکنشهای همجوشی در سطح بالا متمرکز شده است.

کارکرد توکاماک

کار توکامک در ایالات متحده و خارج آن ادامه دارد، ولی سازمان دانشمندان انرژی همجوشی در حال بازدید از اسفرومک هستند. قسمت زیادی از علاقه تجدید شده به پروژه اسفرومک روی تحقیقات فعالی در لاورنس لیورمور در گروهی به نام (SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment متمرکز شده است. SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمی با حضور نماینده‌ای از DOE و با همکاری دانشمندانی از Sandia و آزمایشگاه ملی لس آلاموس آغاز به کار کرد. SSPX یک سری از از آزمایشات است که برای این طراحی شده که توانایی اسفرومک را در این مورد که اسفرومک چقدر این کیفیت را داراست که پلاسماهای داغ سوخت همجوشی را درون خود داشته باشد مشخص کند.

به عقیده رهبر پروژه SSPX توکاماک با دمای بالایی که در آن قابل دسترسی است (بیشتر از 100میلیون درجه سلسیوس که بارها بیشتر از دمای مرکز خورشید است) فعلا برنده جریان رهبری پروژه‌های همجوشی به حساب می آید. با این حال میدانهای مغناطیسی توکاماک بوسیله کویل سیم پیچهای بیرونی بسیار بزرگ که چنبره رآکتور را کاملا احاطه می‌کنند تولید می‌شوند. این کویلهای بسیار بزرگ هزینه بسیار زیاد و بی‌نظمی و اختلالاتی در کار رآکتور خواهند داشت.

در حالی که اسفرومکها پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویلهای کوچک پایدار کننده استفاده می‌کند بوجود می‌آورد. میدانهای مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می‌شود تولید می‌شوند.

انرژی ده کردن

درنوعی از رآکتورهای شکافت هسته‌ای بوجود آوردن زنجیره واکنشها بوسیله برخورد دادن یک نوترون پر انرژی با هسته یک اتم ²³⁵U انجام می شود.به این صورت که وقتی که این نوترون وارد هسته اتم ²³⁸U می‌شود آن را به یک هسته ²³⁹U تبدیل می‌کند. از آنجا که این هسته ناپایدار است به سرعت واپاشی می‌کرده و اتمهای سبکتری به همراه سه نوترون پر انرژی دیگر را تولید می‌کند.
توضیح کاملتر اینکه در هسته‌های سنگین پایدار مثل اورانیوم بین نیروهای الکترو استاتیکی که مایل هستند ذرات تشکیل دهنده اتم را از هم دور کنند و نیروی هسته‌ای که آنها را کنار هم نگه می‌دارد تعادل بسیار حساسی وجود دارد، که این تعادل را می‌توان براحتی و به روشی که گفته شد به هم زده و واکنش شکافت هسته‌ای را شروع کنیم. واکنش حاصل از یک اتم با تولید کردن سه نوترون پر انرژی دیگر باعث می‌شود سه اتم اورانیوم دیگر وارد واپاشی بشوند. به همین ترتیب واکنش اصطلاحا زنجیره‌ای می‌شود.

قدر مسلم یک رآکتور همجوشی ایده آل رآکتوریست که در آن واکنشهای زنجیره ای داریم. در واقع هدف اساسی در راه ساخت رآکتور همجوشی هسته‌ای زنجیره‌ای کردن آن است. اگر قرار باشد که ما در این راه انرژی صرف کنیم تا یک مقدار کمتر از آنرا بدست بیاوریم مطمئنا این واکنش نه زنجیره‌ایست و نه مفید. دانشمندان این رشته مفهومی به نام گیرانش را تعریف کرده‌اند که به معنی این است که مقداری انرژی صرف شروع واکنش کنیم و انرژی بیشتر از سلسله واکنشها بگیریم، در واقع در شرایط گیرانش واکنش زنجیره‌ای می‌شود. یعنی نه تنها انرژی تولیدی یک واکنش برای انجام واکنش بعد کافیست، بلکه مقدار زیادی از آن هم اضافه است و می‌تواند در اختیار ما برای تولید برق قرار بگیرد.

اگر بخواهیم توکاماک یا هر وسیله دیگر که همجوشی در آن انجام می‌شود توان مفید داشته باشد، یعنی به ما انرژی بدهد باید شرایط خاصی داشته باشد. برای آنکه احتمال برخورد ذرات (یونهای) نامزد همجوشی بالا برود، اولا باید دمای خیلی بالایی درون آن تولید بشود و رآکتور هم بتواند بخوبی دمای بالا را تحمل کند. (این دما در محدوده ده به توان هفت درجه کلوین می‌باشد!) دوما رآکتور باید این توانایی را داشته باشد که درونش چگالی زیاد از یونها را وارد کرد و سوم اینکه زمان محصور سازی در آن طولانی باشد.

دمای بالا برای آن است که بتوانیم تقریبا مطمئن باشیم که می‌توانیم از سد محکم پتانسیل کولنی هسته‌ها بگذریم. چگالی زیاد هم برای این است که هر چه بیشتر احتمال برخوردهای کارا بالا برود. در این مسیر قانونی وجود دارد که نام آن معیار لاوسون است. به کمک این معیار می‌شود محاسبه کرد که آیا شرایط طوری هست که واکنش به گیرانش برسد یا نه. معیار لاوسن باید: مقدار چگالی در مدت زمان محصور سازی ، ده به توان 20 ذره در متر مکعب باشد تا این واکنش به گیرانش برسد (البته بستگی مستقیم با دمای پلاسما دارد).

رسیدن به شرایط مطلوب

برای رسیدن به شرایط مطلوب در واکنشهای گرما هسته‌ای که در آنها از سوخت دوتریم - تریتیم استفاده می‌شود دمای پلاسما (T) باید در محدوده یک الی سه ضرب در ده به توان هشت درجه کلوین و زمان محصورسازی T_E باید در حدود یک الی سه ثانیه و چگالی (n) باید حوالی یک الی سه ضرب در ده به توان بیست ذره بر متر مکعب باشد. برای آغاز بکار رآکتور یعنی برای رسیدن به کمینه دمای حدود 10⁸ کلوین باید از وسیله گرما ساز کمکی استفاده کرد.

بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما باذرات آلفایی که در اثر احتراق اولیه بوجود آمده‌اند گرم شده و می‌توانیم دستگاه کمکی را از مدار خارج کنیم. از آن به بعد سرعت فعالیتهای همجوشی با افزایش دادن چگالی پلاسما افزایش پیدا می‌کند. با این وجود افزایش چگالی به بالای مرزهای تعیین شده و مطمئنا به معنی به هم خوردن پایداری پلاسما و یا اینکه خاموش شدن رآکتور را در پی خواهد داشت یا فاجعه. به عبارت دیگر (در صورت افزایش چگالی پلاسما) برای پایدار کردن پلاسما زمان محصور سازی و دمای احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پایداری پلاسما با افزایش چگالی بالاتر رفته و شرایط را برای کار سختتر می‌کند. به حالت تعادل در آوردن این مستلزمات با شکل بندی رآکتور در کوچکترین اسپکت ریتو که به شکل بندی مغناطیسی آن بستگی دارد مقدور می‌شود.

نسبت R به a را اسپکت ریتو می‌گویند.

خروج پسماندها

طبق شکل زیر که تصویری از سطح مقطع رآکتور می باشد نحوه کنترل و خارج کردن پسماندهای واکنش که همان هلیوم باشند را مشاهده می کنید.

واقعیت

ITER اسم مجموعه ایست که اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکاماک خواهد بود، در فرانسه خواهند ساخت. این مجموعه متشکل است از کشورهای: روسیه ، اروپا ، ژاپن ، کانادا ، چین ، ایالات متحده و جمهوری کره. آنها در این راه از فوق هادیها برای قسمتهای مغناطیسی رآکتور استفاده می کنند. توان خروجی این توکامک 410 مگا وات خواهد بود.