بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
فرآیند طراحی و ساخت بتنهاي ویژه حفاظ تابشهاي هسته اي (نوترون و گاما)
چکیده
امروزه درجهان و از جمله در کشور ما استفاده از تکنولوژي هسته اي در زمینههاي گوناگون نیروگاهی، صنعتی، کشاورزي و پزشکی، هر روز گسترش بیشتري مییابد. یکی ازمهمترین مسائل درکاربرد فن آوري هستهاي، حفاظت در برابر تابشهاي هستهاي میباشد تا از اثرات زیانآور زیست محیطی آنها جلوگیري شود. جهت حفاظت در برابر تابشهاي هستهاي ممکن است از مواد گوناگونی نظیر سرب، آهن، گرافیت، آب، پلی اتیلن و یا بتن استفاده شود. در بین این مواد، بتن یکی از مناسب ترین و پرکاربردترین مصالح براي ساخت حفاظ تابشهاي هستهاي نوترون و گاما می باشد، زیرا علاوه بر دارا بودن خواص سازهاي مناسب، انتخابهاي متنوعی در استفاده از مواد براي ساخت آن وجود دارد که منجر به ساخت بتن هائی با چگالیهاي مختلف و با ترکیبات متفاوت میشود. سهولت در ساخت، هزینه کم جهت ساخت و تعمیر و نگهداري، از دیگر مزایاي بتن است. در تاسیسات ثابت و بزرگ هستهاي از قبیل نیروگاهها، مراکز پزشکی هسته اي و شتاب دهنده هاي ذرات از بتن براي حفاظت در برابر تابشهاي هستهاي استفاده میشود. لذا آگاهی از مراحل طراحی و ساخت حفاظ بتنی براي تاسیسات هستهاي حائز اهمیت میباشد.
براي طراحی حفاظ بتنی در مرحله اول داشتن اطلاعاتی در خصوص مشخصات چشمه (شامل نوع، طیف انرژي، توزیع مکانی، توزیع زاویه اي و شدت پرتوها) وحد دز پشت حفاظ، ضروري است. در مرحله بعد، انتخاب ماده، تعیین ضخامت حفاظ، تحلیل نتایج از نظر هستهاي، سازهاي و انتقال حرارت، و سپس در صورت وجود گرادیان دمائی در حفاظ، آنالیز تنشهاي ناشی از گرادیان دمائی، انجام میشود و نیاز به خنک شدن توسط هوا، آب یا سایر سیالات، مورد بررسی قرار میگیرد. در حفاظ بتنی خواص فیزیکی و مکانیکی بتن از جمله ضریب تضعیف پرتوها، چگالی، مقاومت فشاري، مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، جمع شدگی، خزش، هدایت حرارتی ، همچنین خواص شیمیائی شامل نوع و ترکیبات سنگدانه و سیمان و مقدار آب شیمیائی غیر قابل تبخیر در بتن با اهمیت هستند. همچنین تغییر خواص بتن در اثر شارش پرتوها، خصوصاج در مورد نوترونهاي سریع، یکی از فاکتورهاي تعیین عمر بتن حفاظ می باشد و بایستی مورد توجه قرار گیرد. براي شبیه سازي ترابرد پرتوها در مواد بکار رفته در حفاظ می توان از کدهاي کامپیوتري ترابرد پرتوها استفاده کرد.
باتوجه به موارد فوق، در این مقاله ضمن پرداختن به مقدماتی در خصوص انواع پرتوهاي هسته اي و فرآیند برخورد آنها با ماده و چگونگی جذب و تضعیف آنها، به بررسی خواص مورد نیاز براي مواد مورد استفاده در حفاظ و مشخصات مورد نیاز براي مصالح بتن حفاظ شامل سیمان و سنگدانههاي ویژه و مراحل طراحی و ساخت بتن ویژه حفاظ پرداخته شده و مشخصات فیزیکی، مکانیکی و هستهاي چند نوع بتن ویژه ارائه گردیده و با بتن معمولی مقایسه شده است.
کلید واژه ها: بتن ویژه، حفاظ، سنگدانه، طراحی، تابشهاي هسته،اي، نوترون گاما.
ک- مقدمه
تابشهاي آلفا، بتا، گاما و نوترون از مهمترین تابشهائی هستند که ممکن است در واکنشهاي هستهاي ساطع شوند. ذرهي آلفا چون ذره نسبتا بزرگی است، به آسانی در ماده متوقف میشود. مثلا یک تکه کاغذ معمولی میتواند ذرات آلفا را متوقف سازد. ذره بتا الکترون پر انرژي است که از هسته گسیل میشود. چون ذره بتا خیلی سبکتر از آلفا است، قابلیت نفوذ آن در ماده بیشتر است. براي متوقف کردن یک ذره بتا با انرژي متوسط، ورقهاي از آلومینیوم به ضخامت چند میلیمتر کافی است. پرتوي گاما، فوتون پر انرژي است. چون فوتون گاما بدون بار الکتریکی و جرم است، قابلیت نفوذ آن در ماده از ذرات بتا به مراتب بیشتر است و می تواند از چندین سانتیمتر سرب، نیز علی رغم تضعیف شدن، عبور نماید.[1]
نوترون ذرهاي بنیادي، بدون بار الکتریکی با جرم سکون 1/67435*10-27کیلوگرم است. نوترونها داراي طیف وسیعی از انرژي هاي مختلف هستند و معمولا به صورت زیر دسته بندي می شوند.
نوترونهاي سریع، با انرژي جنبشی بیش از 0/1MeV و نوترونهاي با انرژي متوسط، با انرژي بیشتر از نوترونهاي حرارتی و کمتر از انرژي نوترونهاي سریع می باشند. نوترونهاي حرارتی با انرژي بسیار کم که در دماي 20oC در تعادل با اتمها یا مولکولهاي محیطی هستند که در آن قرار دارند. نوترونهاي حرارتی سرعت متوسط 2200m/s و متناظر با انرژي 0/025 eV دارند.[2] نوترونها چون بدون بار الکتریکی هستند، قابلیت نفوذشان در ماده زیاد است. با توجه به ماهیت اندرکنش نوترون ها، مواد بسیار چگال هم که حفاظ هاي خوبی براي تابش گاما هستند، نوترونها را متوقف نمیکنند.[3]
پرتوهاي گاما و نوترون، طی فرآیند هاي مختلف با ماده برخورد کرده و تضعیف، پراکنده و یا جذب میشوند که در ادامه به اختصار بیان می شوند.
برخورد پرتوهاي گاما و نوترون با ماده: برخورد اولیه یک فوتون با ماده، با الکترونهاي مداري آن صورت میگیرد. اثر فوتوالکتریک، پراکندگی کامپتون، پراکندگی تامسون و تولید جفت، عمده ترین روشهاي برخورد فوتون با ماده میباشند. احتمال برخورد (سطح مقطع اندرکنش) یک فوتون با ماده مساوي است با مجموع سطح مقطع فرآیندها (ضریب تضعیف خطی یا کل.(N
میزان تضعیف پرتوها در ماده به صورت نمائی است و از فرمول زیر تبعیت می کند.
:No تعداد فوتونهاي اولیه. :N تعداد فوتونهاي باقیمانده. : μ ضریب تضعیف. :t ضخامت ماده جاذب.
با افزایش عدد اتمیو چگالی ماده، ضریب تضعیف آن در برابر پرتوهـاي گامـا افـزایش مـییابـد بـه همین دلیل با استفاده از مواد چگالتر می توان ضخامت حفاظ مورد نیاز را کاهش داد.
نوترون جرمیتقریبا برابر با جرم پروتون دارد، اما فاقد بار الکتریکی است. همچنین نوترون جزء امواج الکترو مغناطیسی نیست، لذا برخوردي با الکترونهاي ماده جاذب نخواهد داشت. نوترون پس از نفوذ به داخل ماده، مسیر خود را تا هنگامی که با هسته یک اتم برخورد کند، ادامه می دهد. بطور کلی این برخورد از نوع پراکندگی کشسان، ناکشسان و یا جذب میباشد. احتمال برخورد نوترون نه تنها به نوع ماده، بلکه به انرژي نوترون نیز شدیدا" بستگی دارد. تضعیف نوترون در ماده نیز تقریبا" به صورت نمائی است و از فرمول زیر تبعیت می کند:
:σ سطح مقطع میکروسکوپیک .(cm) :N تعداد اتم هاي ماده جاذب. I=Ioe-σNX
:Io تعداد نوترونهاي اولیه. :I تعداد نوترونهاي باقیمانده. :X ضخامت ماده جاذب
حاصل ضرب σN را با Σ نشان میدهند و سطح مقطع ماکروسکوپیک نامیده می شود.
پرتوهاي هسته اي، به خصوص نوترون و گاما که قابلیت نفوذشان در ماده بسیار زیاد است، در صورتیکه با حفاظ مناسبی تضعیف نشوند، میتوانند به انسان ها، موجودات زنده، دستگاهها و محیط زیست آسیبهاي جدي وارد سازند. لذا ساخت حفاظ براي پرتوهاي هستهاي به خصوص نوترون و گاما اهمیت ویژه اي دارد4] و.[3
ذ- حفاظ گذاري
یکی از مهمترین روشهاي حفاظت در برابرتابشهاي هسته اي، استفاده از ماده ي حفاظتی مناسب بین چشمهي تابش و انسان و یا محیط مورد حفاظت میباشد. در نیروگاههاي هستهاي و شتاب دهندههاي ذرات و... که انواع تابشهاي هسته اي وجود دارند، حفاظت کارکنان و تجهیزات حساس در برابر پرتوها، اهمیت فوق العاده اي دارد و باید با به کارگیري تدابیري مطابق با استاندارد هاي موجود از اثرات زیانبار این پرتو ها کاست.[5]
موادي که براي حفاظ سازي (براي پرتوهاي گاما و نوترون) مورد استفاده قرار میگیرند باید خاصیت کند کنندگی نوترونها را داشته باشند و بتوانند پرتوهاي گاما را تضعیف نمایند. براي کند کردن نوترونها معمولا" از لایههاي گرافیت، برلیوم، آب و پلی اتیلن و بتن استفاده میشود. سرب، فولاد، بیسموت و بتن معمولی و سنگین از جمله موادي هستند که براي تضعیف پرتو هاي گاما مورد استفاده قرار میگیرند. علاوه بر این، بتن در کند کردن نوترون هاي سریع و جذب نوترون هاي حرارتی نقش بسزائی دارد. از این رو بتن، با توجه به قابلیت دسترسی بالا، ارزان بودن و خواص تضعیف کنندگی آن، در حفاظ سازي، خصوصا"در لایه خارجی حفاظ، مورد استفاده فراوان دارد6]،.[5
براي طراحی حفاظ بتنی در مرحله اول داشتن اطلاعاتی در خصوص مشخصات چشمه (شامل نوع، طیف انرژي، توزیع مکانی، توزیع زاویهاي و شدت پرتوها) و حد دز پشت حفاظ، ضروري است. درمرحله بعد، انتخاب ماده، تعیین ضخامت حفاظ، تحلیل نتایج از نظر هستهاي، سازهاي و انتقال حرارت، و سپس در صورت وجود گرادیان دمائی در حفاظ، آنالیز تنش هاي ناشی از گرادیان دمائی، انجام میشود و نیاز به خنک شدن توسط هوا، آب یا سایر سیالات، مورد بررسی قرار میگیرد. [6] در این مقاله مشخصات مورد نیاز براي مصالح حفاظهاي بتنی و خواص این بتن ها از نظر مکانیکی و هسته اي مد نظر می باشد. لذا در ادامه به بررسی موارد مذکور پرداخته شده است.
ل- مشخصات مصالح مورد استفاده در حفاظ تابش هاي هستهاي
مصالح مورد استفاده در حفاظ تابش هاي هستهاي باید بتوانند به نحو مناسب، پرتوها را تضعیف و جذب نمایند و خواص فیزیکی و مکانیکی لازم را نیز دارا باشند.
بطور خلاصه خواص مورد نیاز براي مصالح حفاظ ها به شرح ذیل می باشند:
-1 بیشینه ي چگالی ممکن براي تضعیف پرتو هاي گاما و کند کردن نوترون هاي سریع و حداقل انرژي ممکن براي تابش هاي گاماي ثانویه ي تولید شده ناشی از کند شدن و جذب نوترون ها.
-2 وجود هیدروژن کافی (با توجیه اقتصادي).
-3 مقاومت رضایت بخش در برابر تابش ها و تولید پسماند رادیواکتیو به میزان کم.
-4 چگالی ثابت و همگنی مناسب، مقاومت مکانیکی مناسب، پایداري ابعادي، پایداري شیمیایی، مقاومت در برابر آتش و پایداري حرارتی، عدم ایجاد خوردگی، عدم سمیت و ایجاد بو.
-5 مدول الاستیسیتهنسبتاً پایین، ماکزیمم هدایت حرارتی ممکن، حداقل انبساط حرارتی، حداقل حرارت هیدراتاسیون براي بتن.
-6 ساخت آسان و همچنین تعمیر و جایگزینی آسان و هزینه کم.
در طبیعت موادي وجود ندارند که همه این الزامات را به طور رضایت بخش داشته باشند. بنابراین بایستی مصالح مصنوعی نظیر بتن استفاده شوند و یا در این موارد یک حفاظ مرکب از لایههاي مختلفی از مواد ساخته شود. بسیاري از الزامات فوق متضاد هستند (مانند حداکثر چگالی و حداقل هزینه، مقدار هیدروژن زیاد و حداکثر مقدار عناصر سنگین و...). بنابراین در استفاده از یک مخلوط، حاوي ترکیبات سنگین و هیدروژن(مانند بتن) باید یک توافق به دست آید. در انتخاب مصالح براي ساخت حفاظ، باید همه مزایا و معایب مهندسی و اقتصادي مصالح مختلف با دقت سنجیده شود و شرایط بهره برداري ویژه تاسیسات هستهاي بایستی لحاظ شود. اولویت باید به مصالحی داده شود که خواص مناسبی دارند7]،.[6
ص- انواع مصالح مورد استفاده در ساخت بتن حفاظ تابشهاي هسته اي
مراجع مختلف از جمله مراجع7، 8، 9 و 10 بیان میکنند که بتن به عنوان یک ماده بسیار عالی با تنوع زیاد، به عنوان ماده ي حفاظ مورد توجه میباشد و به طور وسیع براي ساخت حفاظ نیروگاه هاي اتمی، شتاب دهندههاي ذرات، راکتورهاي تحقیقاتی و... استفاده میشود. بتن مادهاينسبتاً ارزان است که امکان ساخت آسان و قالب گیري با شکل هاي پیچیده در آن وجود دارد و داراي خواص مکانیکی مناسب میباشد. بتن مخلوطی از بسیاري از عناصر سبک و سنگین است که داراي خاصیت هستهاي خوب براي تضعیف کردن و کاهش فوتون ها و نوترونها میباشد. با تغییر در ترکیبات و چگالی آن، مشخصات حفاظتی بتن در طیف وسیعی قابل استفاده است.
بتن شامل سنگدانه، سیمان، آب و در برخی موارد داراي مواد افزودنی نیز می باشد. براي ساخت بتنهاي ویژه حفاظ، بسته به نیاز، از سیمان و سنگدانههاي مختلفی استفاده می شود که در ادامه به اختصار بیان می گردند.
کزک- انواع سیمان مورد استفاده در حفاظهاي بتنی
انواع مختلفی از سیمان ممکن است در ساخت بتن هاي حفاظ تابشهاي هستهاي استفاده شوند. آنچه در این سیمانها مهم تر است حفظ مقدار آب غیر قابل تبخیر در سیمان سخت شده می باشد. هیدروژن موجود در این آب براي کند کردن نوترون ها مفید است.
سیمان پرتلند: بتن حفاظ تابشهاي هستهايمعمولاً با استفاده از سیمان پرتلند ساخته میشود. در دماي معمولی میزان آب سیمان پرتلند سخت شده (0/3 gr/cm3) تخمین زده میشود.
سیمان پر آلومین: سیمان پرآلومین داراي مقادیر آلومین بیشتر و اکسید کلسیم کمتر نسبت به سیمان معمولی است. میزان آب در سیمان هیدراته شده ممکن است تا 0/7 gr/cm3 باشد که این مقدار براي خصوصیات حفاظتی بتن ساخته شده با این سیمان مفید است.
سیمان آلومین- سنگ گچ: این سیمان به وسیله خرد کردن %70 سربار کوره پرآلومین و %30
سنگ گچ ساخته میشود و سیمان هیدراته شده میزان آب بین0/6 gr/cm3تا 0/7 gr/cm3 دارد. این سیمان خیلی زودگیر و منبسط شونده است.
سیمان اکسی کلراید منیزیم: این سیمان به وسیله واکنش بین اکسید منیزیم و یک محلول کلرید منیزیم ساخته میشود و پس از هیدراتاسیون میزان آب آن0/8 gr/cm3 تا 0/9 gr/cm3 است که
2 تا 3 برابر آب سیمان پرتلند معمولی است. این سیمان باعث خوردگی در آهن میشود و از نقطه نظر اثرات آب و هوا نیز مورد سو ظن است.
بسیاري سیمان هاي ویژه دیگر نیز موجود هستند مثل سیمانهاي منیزي، سیمان فسفاتی و سیمان اکسی اسیدي که همه آنها مقدار هیدروژن بالایی دارند ولی ممکن است باعث مشکلاتی شوند.
