สแครม

สแครม หรือ (อังกฤษ: SCRAM) เป็นการปิดระบบอย่างฉุกเฉินของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ คำนี้ยังถูกนำไปใช้ให้ครอบคลุมถึงการปิดระบบการทำงานที่ซับซ้อนอื่น ๆ เช่นฟาร์มเซิร์ฟเวอร์และแม้กระทั่งรถไฟจำลองขนาดใหญ่ ในการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์เชิงพาณิชย์ การปิดระบบฉุกเฉินนี้มักจะถูกเรียกว่าเป็น "สแครม" สำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเดือด (BWR) และจะถูกเรียกว่าเป็น "เครื่องปฏิกรณ์ทริป" สำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำแรงดันสูง (PWR) ในหลายกรณี สแครมก็เป็นส่วนหนึ่งของขั้นตอนการปิดระบบตามปกติเช่นกัน
คำว่า SCRAM นี้มักจะถูกอ้างว่าเป็นตัวย่อของ "safety control rod axe man" ซึ่งคาดว่าจะถูกกำหนดโดยนายเอนรีโก แฟร์ เมื่อเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกของโลกได้ถูกสร้างขึ้นภายใต้ผู้นั่งชมที่มหาวิทยาลัยชิคาโกที่เมืองสแต๊กซ์ฟิลด์ 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 แท่งควบคุมจะถูกยึดไว้เหนือแกนกลางของเครื่องปฏิกรณ์โดยมอเตอร์ไฟฟ้าที่ออกแรงต้านกับทั้งน้ำหนักของตัวมันเองและสปริงกำลังสูง การตัดกระแสไฟฟ้าใด ๆ จะปลดปล่อยแท่งควบคุมให้สอดแทรกลงไป การออกแบบอื่นจะใช้แม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อยึดแท่งควบคุมให้ลอยไว้ ถ้ากระแสไฟฟ้าดับ แท่งควบคุมจะสอดแทรกทันทีและอัตโนมัติ กลไกของสแครมถูกออกแบบมาเพื่อปล่อยแท่งควบคุมให้หลุดจากมอเตอร์เหล่านั้นและยอมให้น้ำหนักของพวกมันและสปริงขับเคลื่อนแท่งควบคุมให้สอดแทรกเข้าไปในแกนกลางเครื่องปฏิกรณ์ภายในสี่วินาทีหรือน้อยกว่า เพื่อหยุดปฏิกิริยานิวเคลียร์อย่างรวดเร็วโดยการดูดซับนิวตรอนที่ถูกปลดปล่อยออกมา ใน BWRs แท่งควบคุมจะถูกสอดแทรกขึ้นมาจากด้านใต้ของอ่างเครื่องปฏิกรณ์ ในกรณีนี้หน่วยควบคุมแบบไฮโดรลิกที่มีถังเก็บแรงดันสูงจะออกแรงให้ทำการสอดใส่แท่งควบคุมอย่างรวดเร็วเมื่อมีการหยุดชะงักของกระแสไฟฟ้าใด ๆ ภายในสี่วินาทีเช่นกัน BWR ขนาดใหญ่ทั่วไปจะมีแท่งควบคุม 185 แท่ง ทั้งใน PWR และ BWR จะมีระบบสำรองที่สอง (และบางทีก็มีระบบที่สามด้วยซ้ำ) เพื่อสอดใส่แท่งควบคุมในกรณีที่ระบบสอดใส่หลักอย่างรวดเร็วไม่มีความพร้อมและทำงานได้อย่างเต็มที่
ตัวดูดซับนิวตรอนแบบของเหลวยังถูกใช้ในการปิดระบบอย่างรวดเร็วสำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำมวลเบา หลังจากสแครม ถ้าเครื่องปฏิกรณ์ (หรือส่วนใดๆของมัน) ไม่ได้อยู่ต่ำกว่าอัตรากำไรจากการปิดระบบ (อังกฤษ: shutdown margin) (นั่นคือพวกมันอาจจะกลับไปอยู่ที่สภาวะวิกฤตเนื่องจากการสอดใส่ของสารปฏิกิริยาเชิงบวกจากการระบายความร้อน การสลาย poison หรือเงื่อนไขที่ไม่สามารถควบคุมได้อื่น ๆ) ผู้ควบคุมเครื่องสามารถฉีดสารละลายที่ประกอบด้วยนิวตรอนพอยซันโดยตรงเข้าสู่น้ำหล่อเย็นเตาปฏิกรณ์ นิวตรอนพอยซันเป็นสารละลายที่มีส่วนผสมของน้ำที่ประกอบด้วยสารเคมีที่ดูดซับนิวตรอนเช่นบอแรกซ์ที่ใช้ในครัวเรือนทั่วไป 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 ขั้นตอนการปิดระบบเป็นประจำยังคงใช้สแคีมเพื่อสอดใส่แท่งควบคุม เนื่องจากมันเป็นวิธีที่น่าเชื่อถือที่สุดของการสอดใส่แท่งควบคุมจนสมบูรณ์ และป้องกันความเป็นไปได้ของการดึงพวกมันเขาอย่างไม่ตั้งใจในระหว่างหรือหลังจากการชัตดาวน์

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 ร้อยละที่แน่นอนของพลังงานจะถูกกำหนดโดยความเข้มข้นและครึ่งชีวิตของผลผลิตจากฟิชชั่นของแต่ละตัวในแกนกลางในช่วงเวลาของการสแครม พลังงานที่ผลิตโดยความร้อนจากการสลายกัมมันตรังสีจะลดลงในขณะที่ผลผลิตจากฟิชชันสลายตัว