สแครม

สแครม หรือ (อังกฤษ: SCRAM) เป็นการปิดระบบอย่างฉุกเฉินของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ คำนี้ยังถูกนำไปใช้ให้ครอบคลุมถึงการปิดระบบการทำงานที่ซับซ้อนอื่น ๆ เช่นฟาร์มเซิร์ฟเวอร์และแม้กระทั่งรถไฟจำลองขนาดใหญ่ ในการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์เชิงพาณิชย์ การปิดระบบฉุกเฉินนี้มักจะถูกเรียกว่าเป็น "สแครม" สำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเดือด (BWR) และจะถูกเรียกว่าเป็น "เครื่องปฏิกรณ์ทริป" สำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำแรงดันสูง (PWR) ในหลายกรณี สแครมก็เป็นส่วนหนึ่งของขั้นตอนการปิดระบบตามปกติเช่นกัน

ปุ่ม SCRAM ที่เครื่องปฏิกรณ์หมายเลขหนึ่งเพื่อการทดลองแบบแพร่พันธุ์ (อังกฤษ: Experimental Breeder Reactor I)

คำว่า SCRAM นี้มักจะถูกอ้างว่าเป็นตัวย่อของ "safety control rod axe man" ซึ่งคาดว่าจะถูกกำหนดโดยนายเอนรีโก แฟร์มี เมื่อเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกของโลกได้ถูกสร้างขึ้น ภายใต้อัฒจันทร์ผู้นั่งชมที่มหาวิทยาลัยชิคาโกที่เมืองสแต๊กซ์ฟิลด์ แต่นักประวัติศาสตร์ของ NRC นายทอม Wellock เรียกเรื่องของ axe man ว่าเป็น "พูดเล่นไร้สาระ" มันน่าจะเป็นคำย่อสำหรับ Safety Control Rods Actuator Mechanism หรือ กลไกเพื่อขับเคลื่อนแท่งควบคุมเพื่อความปลอดภัย คำว่า 'Scram' ยังเป็นคำสั่งด้วยวาจาเพื่อบอกบุคคลหรือสิ่งของบางอย่างให้ออกจากพื้นที่อย่างรวดเร็วและเร่งด่วนอีกด้วย

กลไก

ในเครื่องปฏิกรณ์ใด ๆ สแครมจะสามารถทำสำเร็จได้โดยการสอดใส่มวลปฏิกิริยานิวเคลียร์เชิงลบ (อังกฤษ: negative nuclear reactivity mass) เข้าไปในระหว่างวัสดุฟิสไซล์ ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำมวลเบา สแครมจะสามารถทำได้โดยการสอดใส่แท่งควบคุมที่ดูดซับนิวตรอนได้เข้าไปในแกนกลาง แม้ว่ากลไกที่ใช้สอดใส่แท่งควบคุมจะขึ้นอยู่กับชนิดของเครื่องปฏิกรณ์ก็ตาม ใน PWRs แท่งควบคุมจะถูกยึดไว้เหนือแกนกลางของเครื่องปฏิกรณ์ โดยมอเตอร์ไฟฟ้าที่ออกแรงต้านกับทั้งน้ำหนักของตัวมันเองและสปริงกำลังสูง การตัดกระแสไฟฟ้าใด ๆ จะปลดปล่อยแท่งควบคุมให้สอดแทรกลงไป การออกแบบอื่นจะใช้แม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อยึดแท่งควบคุมให้ลอยไว้ ถ้ากระแสไฟฟ้าดับ แท่งควบคุมจะสอดแทรกทันทีและอัตโนมัติ กลไกของสแครมถูกออกแบบมาเพื่อปล่อยแท่งควบคุมให้หลุดจากมอเตอร์เหล่านั้น และยอมให้น้ำหนักของพวกมันและสปริงขับเคลื่อนแท่งควบคุม ให้สอดแทรกเข้าไปในแกนกลางเครื่องปฏิกรณ์ภายในสี่วินาทีหรือน้อยกว่า เพื่อหยุดปฏิกิริยานิวเคลียร์อย่างรวดเร็วโดยการดูดซับนิวตรอนที่ถูกปลดปล่อยออกมา ใน BWRs แท่งควบคุมจะถูกสอดแทรกขึ้นมาจากด้านใต้ของอ่างเครื่องปฏิกรณ์ ในกรณีนี้หน่วยควบคุมแบบไฮโดรลิกที่มีถังเก็บแรงดันสูง จะออกแรงให้ทำการสอดใส่แท่งควบคุมอย่างรวดเร็วเมื่อมีการหยุดชะงักของกระแสไฟฟ้าใด ๆ ภายในสี่วินาทีเช่นกัน BWR ขนาดใหญ่ทั่วไปจะมีแท่งควบคุม 185 แท่ง ทั้งใน PWR และ BWR จะมีระบบสำรองที่สอง (และบางทีก็มีระบบที่สามด้วยซ้ำ) เพื่อสอดใส่แท่งควบคุมในกรณีที่ระบบสอดใส่หลักอย่างรวดเร็วไม่มีความพร้อมและทำงานได้อย่างเต็มที่

 

ปุ่มสแครมในห้องควบคุมของ NS Savannah

ตัวดูดซับนิวตรอนแบบของเหลวยังถูกใช้ในการปิดระบบอย่างรวดเร็วสำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำมวลเบา หลังจากสแครม ถ้าเครื่องปฏิกรณ์ (หรือส่วนใด ๆ ของมัน) ไม่ได้อยู่ต่ำกว่าอัตรากำไรจากการปิดระบบ (อังกฤษ: shutdown margin) (นั่นคือพวกมันอาจจะกลับไปอยู่ที่สภาวะวิกฤต เนื่องจากการสอดใส่ของสารปฏิกิริยาเชิงบวกจากการระบายความร้อน การสลาย poison หรือเงื่อนไขที่ไม่สามารถควบคุมได้อื่น ๆ) ผู้ควบคุมเครื่องสามารถฉีดสารละลายที่ประกอบด้วยนิวตรอนพอยซันโดยตรงเข้าสู่น้ำหล่อเย็นเตาปฏิกรณ์ นิวตรอนพอยซันเป็นสารละลายที่มีส่วนผสมของน้ำที่ประกอบด้วยสารเคมีที่ดูดซับนิวตรอน เช่น บอแรกซ์ที่ใช้ในครัวเรือนทั่วไป หรือโซเดียม polyborate หรือกรดบอริกหรือแกโดลิเนียมไนเตรต ทำให้การขยายตัวอย่างทวีคูณของนิวตรอนลดลง ดังนั้นจึงเป็นการปิดเครื่องปฏิกรณ์โดยไม่ต้องใช้แท่งควบคุม ใน PWR สารละลายดูดซับนิวตรอนเหล่านี้ถูกเก็บไว้ในถังแรงดัน (เรียกว่าถังสะสม) ที่ต่ออยู่กับระบบน้ำหล่อเย็นหลักผ่านทางวาล์ว ระดับที่แตกต่างกันของตัวดูดซับนิวตรอนจะถูกเก็บไว้ในน้ำหล่อเย็นหลักตลอดเวลา และจะเพิ่มขึ้นโดยใช้ถังสะสมในกรณีที่มีความล้มเหลวของแท่งควบคุมทั้งหมดในการสอดใส่ ซึ่งจะนำเครื่องปฏิกรณ์ให้ต่ำกว่า shutdown margin ในทันที ใน BWR ตัวดูดซับนิวตรอนที่ละลายน้ำได้สามารถพบอยู่ภายในระบบการควบคุมของเหลวสแตนด์บาย (SLCS) ซึ่งใช้ปั๊มหัวฉีดทำงานด้วยแบตเตอรี่แบบซ้ำซ้อน หรือในรุ่นล่าสุด ก๊าซไนโตรเจนแรงดันสูงเพื่อฉีดสารละลายดูดซับนิวตรอนเข้าไปในอ่างปฏิกรณ์ต้านกับความดันภายในใด ๆ เพราะพวกมันอาจถ่วงเวลาการรีสตาร์ทเครื่องปฏิกรณ์ ระบบเหล่านี้จะถูกใช้เฉพาะในการปิดเครื่องปฏิกรณ์เท่านั้นถ้าแท่งควบคุมทำการสอดใส่ไม่สำเร็จ ความกังวลนี้มีนัยสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งใน BWR ซึ่งการฉีดของเหลวโบรอนจะทำให้เกิดการตกตะกอนของสารประกอบโบรอนแข็งบนปลอกหุ้มเชื้อเพลิง ซึ่งอาจป้องกันไม่ให้เครื่องปฏิกรณ์สตาร์ตระบบใหม่จนกว่าตะกอนโบรอนจะถูกกำจัดออก

ในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ ขั้นตอนการปิดระบบเป็นประจำยังคงใช้สแครมเพื่อสอดใส่แท่งควบคุม เนื่องจากมันเป็นวิธีที่น่าเชื่อถือที่สุดของการสอดใส่แท่งควบคุมจนสมบูรณ์ และป้องกันความเป็นไปได้ของการดึงพวกมันขึ้นอย่างไม่ตั้งใจในระหว่างหรือหลังจากการชัตดาวน์

การตอบสนองของเครื่องปฏิกรณ์

นิวตรอนส่วนใหญ่ในเครื่องปฏิกรณ์เป็น prompt neutrons ซึ่งเป็นนิวตรอนที่ถูกผลิตขึ้นโดยตรงจากปฏิกิริยาฟิชชัน นิวตรอนเหล่านี้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง ดังนั้นพวกมันจึงมีแนวโน้มที่จะหลุดลอดเข้าไปในตัวหน่วงก่อนที่จะถูกจับไว้ได้ โดยเฉลี่ยจะใช้เวลาประมาณ 13 ไมโครวินาทีสำหรับนิวตรอนที่จะชะลอตัวลงโดยตัวหน่วงเพียงพอที่จะช่วยให้ปฏิกิริยาเป็นไปอย่างยั่งยืน ซึ่งจะยอมให้การสอดใส่ของตัวดูดซับนิวตรอนไปมีผลต่อเครื่องปฏิกรณ์ได้อย่างรวดเร็ว ผลก็คือเมื่อเครื่องปฏิกรณ์ถูกสแครม พลังงานจากเครื่องปฏิกรณ์จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญเกือบจะทันทีทันใด อย่างไรก็ตามปริมาณเล็กน้อย (ประมาณ 0.65%) ของนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ที่ให้พลังงานทั่วไปจะมาจากการสลายกัมมันตรังสีของผลผลิตจากฟิชชัน นิวตรอนล่าช้าเหล่านี้ซึ่งจะถูกปล่อยออกมาที่ความเร็วต่ำกว่า จะจำกัดอัตราความเร็วในการปิดเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ความร้อนจากสลายกัมมันตรังสี

ข้อมูลเพิ่มเติม: ความร้อนสลาย (อังกฤษ: Decay heat)

สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ที่ถูกสแครมหลังจากที่รองรับระดับพลังงานหนึ่งอย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลานาน (มากกว่า 100 ชั่วโมง) ประมาณ 7% ของพลังงานที่ steady-state จะยังคงมีอยู่หลังจากการปิดในระยะเริ่มต้นเนื่องการสลายตัวของผลผลิตจากฟิชชัน สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ที่ยังไม่มีประวัติของพลังงานที่คงที่ ร้อยละที่แน่นอนของพลังงานจะถูกกำหนดโดยความเข้มข้น และครึ่งชีวิตของผลผลิตจากฟิชชั่นของแต่ละตัวในแกนกลางในช่วงเวลาของการสแครม พลังงานที่ผลิตโดยความร้อนจากการสลายกัมมันตรังสีจะลดลงในขณะที่ผลผลิตจากฟิชชันสลายตัว

อ้างอิง

1. "Reactor Protection & Engineered Safety Feature Systems". The Virtual Nuclear Tourist. สืบค้นเมื่อ 2007-02-25.
2. Wellock, Tom (May 17, 2011). "Putting the Axe to the 'Scram' Myth". United States Nuclear Regulatory Commission. สืบค้นเมื่อ 26 May 2015.
3. "SCRAM Definition, bacronym". acronymfinder.com. สืบค้นเมื่อ 24 August 2015.
4. "SCRAM Definition, bacronym". abbreviations.com. สืบค้นเมื่อ 24 August 2015.
5. Shultis, J. Kenneth; Richard E. Faw (2002). Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. Marcel Dekker. ISBN 0-8247-0834-2.
6. Duderstadt, James J.; Louis J. Hamilton (1976). Nuclear Reactor Analysis. Wiley-Interscience. p. 245. ISBN 0-471-22363-8.

แหล่งข้อมูลอื่น

 

วิกิพจนานุกรม มีความหมายของคำว่า:
SCRAM

•   วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อเกี่ยวกับ SCRAM
• อภิธานศัพท์ NRC: Scram
• "Scram Switch", catb.org