۳۲-۳۳ درصد است.
از آنجا که آب مایع غیر قابل تراکمی است ، لذا تغییر جزئی در حجم خنک کننده منجر به تغییر فاحشی در فشار می شود که ممکن است اثر تخریبی زیادی روی دستگاه ها داشته باشد مثلا اگر به دلائلی حجم خنک کننده کاهش یابد موجب کاهش فشار شده درنتیجه قسمتی از آب در راکتور تبخیر می شود که این پدیده به نوبه خود باعث ذوب شدن بعضی از میله های سوخت می شود . برای جلوگیری از وقوع چنین حادثه ای در راکتور آب تحت فشار از دستگاه تنظیم کننده ی فشار^۱ استفاده می شود. دستگاه تنظیم کننده ی فشار مطابق شکل( ۱-۴ ) از یک محفظه تشکیل شده که حاوی بخار در قسمت فوقانی و آب در قسمت تحتانی است. در بالای محفظه یک دریچه پخش فشار و در پائین آن یک گرم کن قرار دارد که هر دو در نتیجه تغییر فشار به کار می افتد و یا از کار می ایستند و دستگاه به طریق زیر عمل می کند. مثلا فرض کنیم در نتیجه کاهش بار نیروگاه قدرت خروجی توربین کاهش می یابد. این امر باعث ازدیاد موقت درجه حرارت متوسط خنک کننده راکتور شده در نتیجه باعث جوشش آب در قلب و سپس افزایش حجم بخار خنک کننده می شود. این عمل باعث افزایش فشار بخار می شود در نتیجه مقداری بخار از دریچه بخار خارج می شود تا فشار مجددا به حالت قبلی برگردد. آب سرد از یکی از شاخه های خنک کننده به قسمت فوقانی دستگاه فشار پاشیده شده موجب تبدیل مقداری بخار به مایع می‏گردد. این عمل ، فشار را کاهش داده و از ازدیاد فشار جلوگیری به عمل می آورد. اگر بار الکتریکی افزایش یابد ، حجم خنک کننده کم شده و سطح آب در دستگاه فشار پائین می افتد. در این لحظه کاهش فشار باعث جاری شدن مقداری آب به داخل دستگاه فشار شده و از تغییر فشار جلوگیری میکند. در این موقع کاهش فشار، گرم کن ها را به کار انداخته کاهش فشار را نیز جبران می کند.[۴]

شکل ۱-۴) دستگاه فشارنده راکتور تحت فشار[۵]
قسمت های اصلی یک دستگاه تغذیه بخار یک راکتور تحت فشار در شکل(۱-۵) نشان داده شده است. دستگاه خنک کننده دارای چهار تلمبه برای چهار مدار بسته است لکن فقط از یک دستگاه فشار برای کل آنها استفاده می شود.
سوخت راکتورهای تحت فشار اکسید اورانیوم UO₂ کمی غنی شده است (۲ تا ۴ درصد وزنی) که ماده سرامیکی سیاه رنگی است. اکسید اورانیوم به صورت قرص های استوانه ای محدب شکل کوچکی به قطر نیم اینچ و طول نیم اینچ قرار دارد. قرص ها در داخل استوانه غیر قابل نفوذ فولادی زنگ نزن یا زیر کالوی^[۱۰] به طول ۱۲ فوت قرار دارند.
در درجه حرارت کار قرص های سوخت انبساط پیدا می کنند و فضای خالی بین آن ها پر می شود.
در نتیجه یک میله سوخت یا یک سوزن سوخت یکپارچه فشرده حاصل می شود. در بعضی از موارد

شکل ۱-۵) نمایش قسمت های اصلی یک دستگاه تغذیه بخار یک راکتور تحت فشار[۵]
مشاهده شده است که بعضی از قرص های سوخت در نتیجه ازدیاد درجه حرارت برای رسیدن به درجه حرارت کار انبساط پیدا می کنند، سپس به علت افزایش وزن مخصوص اکسید اورانیوم منقبض می شود که در نتیجه حجم ویژه آن (cm³/ g) کاهش می یابد.
این چگال شدن سوخت پدیده‏ای که به همین نام خوانده می شود ، در نتیجه مهاجرت حفره‏های ریز خلاء و ترکیب آنها در سرامیک می باشد . کاهش حجم قرص های سوخت باعث ایجاد خلاء در داخل لوله های سوخت می شود و به علت تحت فشار بودن کند کننده – خنک کننده فشار زیادی به سرتاسر لوله سوخت وارد می شود که ممکن است باعث شکسته شدن لوله سوخت شود . برای حل این مشکل ، لوله های سوخت را با گاز هلیوم تا فشار psia 500 پر می کنند . با افزایش پاره های شکافت گازی در طول عمر قلب راکتور، فشار داخل لوله به تدریج افزایش می یابد و در اواخر عمر قلب راکتور به حدود psia 100 می‏رسد.

شکل ۱-۶) یک مجموعه سوخت راکتور تحت راکتور تحت فشار[۴]
میله های سوخت که تحت فشار که به صورت شبکه مربعی شکل در مجاورت یکدیگر مرتب می شوند مجموعه سوختی نامیده می شوند که یکی از آن ها در شکل (۶-۱) نشان داده شده است. سپس مجموعه های سوختی در مجاورت یکدیگر به شکل استوانه در داخل قلب راکتور قرار می گیرند. میله های سوخت در مجموعه های سوختی به وسیله زائده هائی از یکدیگر جدا قرار می گیرند.
این نکته خیلی مهم است زیرا اگر میله های سوخت کاملا تماس حاصل کنند درجه حرارت در محل تماس بالا رفته موجب ذوب پوشش میله سوخت شده و پاره های شکافت آزاد می شوند. کنترل کار راکتورهای از نوع آب تحت فشار به کمک دو روش ، میله های کنترل که معمولا از بالا وارد قلب راکتور می شوند. (رجوع به شکل۱-۲) و روش شیمیائی^[۱۱] انجام می گیرد. [۴]
در روش اخیر مقدار ضریب تکثیر با تغییر دادن غلظت جاذب نوترون (معولا” اسید بوریک) به صورت محلول در آب خنک کننده تغییر داده می شود.
از آنجا که ابعاد راکتور در مواردی نظیر زیر دریائی ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است ، لذا از اورانیوم خیلی غنی شده استفاده می کنند. این گونه سوخت که تا بیش از نود درصد وزنی از اورنیوم ۲۳۵ غنی شده است اغلب کاملا” غنی نامیده می شود و موجب کاهش کلی ابعاد قلب راکتور و محفظه فولادی می‏گردد. قیمت اورانیوم خیلی غنی زیاد است و استفاده از آن در نیروگاه های قدرت ساکن اقتصادی نیست.

راکتورهای آب جوشان^[۱۲]

مدت ها تصور می شد که اگر بگذاریم در داخل قلب راکتور آب به جوش آید ، ناپایداری های خطرناکی که ناشی از تشکیل و حرکت نامنظم حباب های بخار است به وجود می آید. تجربیاتی که در اوائل دهه ۱۹۵۰ انجام شد (تجربیاتی معروف بوراکس) نشان داد که اگر آب در فشار کم به جوش آید واقعا یک خطر واقعی بوجود می آورد و وقتی فشار را بالا بردند عمل جوشیدن آب پایدار و راکتور قابل کنترل است.
پس از انجام این آزمایش اولین نمایش امکان کار پایدار یک راکتور آب جوشان به سرعت توسعه یافته به حد کمال رسید. راکتورهای آب جوشان دو نوع هستند که برای دستیابی به بازار فروش در مقایسه با راکتورهای آب سبک شانه به شانه با هم رقابت می کنند. راکتورهای آب جوشان دارای امتیازات واضحی نسبت به راکتورهای تحت فشار هستند. یکی از امتیازات این است که بخار در داخل قلب راکتور تولید می شود و مستقیما به توربین می رود. مولدهای بخار در مدارهای انتقال حرارت جداگانه قرار دارند و به اندازه ای که در راکتورهای تحت فشار الزامی هستند در راکتورهای آب جوشان الزامی نمی باشند.
به این دلیل راکتورهای آب جوشان در یک چرخه بسته کار می کنند. به علاوه می دانیم مقدار حرارتی که به صورت گرمای نهان ، جذب مقداری آب می شود خیلی بیش از مقدار حرارت لازم برای تبخیر مایع به صورت حرارت ظاهری است که فقط درجه حرارت مایع را تغییر می دهد نظیر آنچه که در راکتور تحت فشار رخ می دهد. بنابراین برای یک قدرت معین مقدار کمتری آب در واحد زمان از داخل یک راکتور آب جوشان عبور می کند تا یک راکتور آب تحت فشار. با وجود این آب ضمن عبور از داخل قلب راکتور رادیواکتیو می شود. از آنجا که این آب برای تولید برق در نیروگاه به کار می رود لذا تمام قسمت هایی که بخار از آن ها عبور می کند نظیر توربین ها ، چگالنده ، گرم کن ، تلمبه ها ، لوله ها و دیگر قسمت های دیگر یک راکتور آب جوشان باید در داخل حفاظ اشعه قرار گیرد. در یک راکتور آب جوشان فشار تقریبا psia 1000 است که در حدود نصف فشار یک راکتور تحت فشار می باشد. لذا ضخامت دیواره محفظه فولادی یک راکتور BWR لازم نیست به اندازه یک راکتور PWR باشد. در این صورت چگالی قدرت ( وات بر سانتیمتر مکعب ) در یک راکتور BWR کمتر از یک راکتور PWR است. برای یک قدرت معین ابعاد کلی محفظه فولادی یک راکتور آب جوشان بایستی بزرگتر از محفظه یک راکتور تحت فشار باشد. تا آنجا که مربوط به هزینه محفظه فولادی می شود این دو عمل کم و بیش یکدیگر را خنثی می کنند. آرایش داخلی یک راکتور آب جوشان در شکل (۱-۷) نشان داده شده است و مسیر حرکت خنک کننده با جهت پیکان ها مشخص شده است. آب از اطاقک های زیرین به نام پلنوم^[۱۳] به طرف بالا از داخل قلب راکتور عبور می نماید و در ضمن عبور هم حرارت ظاهری جذب می کند و هم حرارت نهان تبخیر در مدت زمانی که آب به طرف بالا حرکت می کند و از دستگاه جداسازی بخار عبور می کند بیشتر رطوبت آن جدا می شود. بعد بخار آب از داخل دستگاه خنک کن عبور می کند و بقیه آب از بخار گرفته می شود و از طریق لوله های بخار به توربین ها می رود. آب اضافی دستگاه های جدا ساز بخار و دستگاه خشک کن با آب برگشتی از چگالنده مخلوط شده از طریق لوله های حلقوی خارج قلب راکتور که بین محفظه فولادی و لایه های خارجی قرار دارد و معروف به جریان پائین رونده است ، به اطاقک زیرین بر می گردد. نیروی محرکه لازم برای به جریان انداختن آب خنک کننده از داخل قلب راکتور بوسیله دستگاه گردش آب می باشد. این تلمبه ها آب را از قسمت پائین جریان پائین رونده مکیده و با فشار بیشترازطریق دسته لوله های جت دار( تعداد لوله ها بستگی به نوع راکتور بین ۱۸ تا ۲۴ عدد می باشد ) که مطابق شکل (۱-۷) می باشند و در بین لوله های پائین رونده قرار دارند به حرکت درمی آورند.

شکل ۱-۷) سطح مقطع یک راکتور آب جوشان؛جریان آب با پیکان‏ها مشخص شده است[۵]
نمودار ظاهری یک تلمبه جت دار در شکل (۱-۸) نشان داده شده است. دیده می شود که این وسایل قسمت های متحرک ندارد. آب در حال گردش که از نوک جت ها با سرعت زیاد خارج می شود ، قسمتی از آب جریان های پائین رونده را مکیده و همراه خود می برد. این موضوع در شکل ( ۱-۸) نشان داده شده است. آب خروجی از نوک جت ها و آب مکیده شده به طرف پائین تلمبه های جت دار رفته داخل اطاقک زیرین (پنبوم) می شود. این نوع راکتور آب جوشان ، بخار اشباع با درجه حرارت ℉ ۵۵۰ و فشار psi 1000 تولید می کند . بهره یک نیروگاه از نوع BWR حدود ۳۳ تا ۳۴ درصد است.
سوخت راکتور آب جوشان اساسا شبیه سوخت راکتور تحت فشار است یعنی به صورت قرص های UO₂ کمی غنی شده است که در داخل لوله های آب بندی شده قرار دارند و آرایش داخلی قلب راکتور این دو نوع راکتور کم و بیش شبیه به یکدیگر است. میله های کنترل در یک راکتور BWR برخلاف راکتور PWR که در بالای قلب راکتور قرار دارد ، در پائین آن واقع است. دلیل این کار این است که در یک راکتور BWR معمولا قسمت فوقانی آن پر از بخار و حفره است و حرکت میله های کنترل در این ناحیه به اندازه قسمت تحتانی که پر از آب است روی kاثر ندارد. لذا میله های کنترل در نزدیکی قسمتی از قلب راکتور قرار داده می شود که حداکثر اثر را داشته باشد.

شکل ۱- ۸) عملکرد راکتور حرارتی گازی[۶]

راکتور حرارتی گازی^[۱۴]

راکتورهای دارای سوخت اورانیوم طبیعی و کند کننده گرافیت در زمان جنگ دوم جهانی در ایالات متحده آمریکا به منظور تبدیل U ^۲۳۸به Pu ^۲۳۹برای مقاصد نظامی توسعه یافت . پس از جنگ این راکتور بنیان برنامه های تسلیحات هسته ای ایالات متحده امریکا و چند کشور دیگر را پایه گذاری کرد ، بنابراین جای تعجب نیست که راکتورهای با سوخت اورانیوم طبیعی آغازی برای توسعه صنعت نیروی هسته ای به ویژه در کشورهائی نظیر بریتانیا و فرانسه که در آن زمان فاقد امکانات تولید اورانیوم غنی شده مورد نیاز راکتورهای آب سبک بودند ، قرار گرفت. هر دو این ممالک در حال حاضر تاسیساات غنی کردن اورانیوم از نوع پخش گازی ساخته اند و هر دو کشور برای راکتورهای خود از سوخت غنی شده استفاده می کنند. راکتورهای اولیه مولد پلوتونیوم در ایالات متحده دارای دستگاه های خنک کننده با چرخه باز بودند که آب فقط یک بار از داخل قلب عبور می کرد . در حالی که راکتور مولد پلوتونیوم در بریتانیا دارای مدار خنک کننده هوا مدار باز بود که فقط یک بار هوا از داخل قلب عبور می کرد. بعدها در بریتانیا و فرانسه از مدار خنک کننده بسته هوا در راکتورهای قدرت استفاده کردند. این کار باعث شد که محفظه نگهدارنده به وجود آید که هم هسته های رادیواکتیو در آن محفوظ بماند و هم کنترلی روی مقدار آن باشد. در این راکتورها خنک کننده گاز CO₂ است. این گاز ، جاذب نوترون حرارتی نیست در نتیجه خیلی رادیواکتیو نمی شود . در عین حال گاز CO₂در درجه حرارت کمتر از ℉۱۰۰۰ از نظر شیمیائی پایدار است و با کند کننده یا سوخت هیچ گونه واکنشی انجام نمی دهد. شکل ظاهری راکتور هینکلی پوینت^[۱۵] که در غرب انگلستان قرار دارد و راکتور آن از نوع راکتورهای گازی پیشرفته است که در شکل (۱-۹) نشان داده شده است. قلب راکتور یک حجم مکعبی ۱۶ وجهی است که به یکدیگر متصل هستند و دارای کانال های عمودی سوخت می باشند که به صورت یک شبکه مربعی است. سوخت شامل قرص های اکسید اورانیوم (UO₂) کمی غنی شده (۴/۱ تا ۶/۲ درصد در نواحی مختلف) می باشد. که در داخل لوله های فولادی زنگ نزن قرار دارند . این لوله های سوخت نیز در داخل یک استوانه توخالی گرافیتی قرار می‏گیرند که تشکیل یک میله سوخت را می دهند.[۶]
میله های سوخت در داخل کانال ها به نحوی قرار گرفته اند که گاز CO₂ به راحتی از بین سوخت و کند کننده عبور می کند.

1. 1. قلب راکتور

1. 1. شبکه نگهدارنده قلب

1. 1. برگرداننده گاز

1. 1. خروجی دایره‏ای شکل گاز

1. 1. مولد بخار

1. 1. عایق حرارتی

1. 1. محل نفوذ بخار

1. 1. محل نفوذ بخار

1. 1. ورودی آب تغذیه به مولد بخار

1. 1. مجرای دستیابی به کابل‏های نگهدارنده محفظه بتونی

1. 1. مولد گاز

شکل ۱-۹) راکتور گازی پیشرفته[۲]