کادمیوم و نقش آن در فناوری هسته ای

کادمیم یک عنصر شیمیایی با نماد Cd و عدد اتمی 48 است. کادمیم فلزی دو ظرفیتی است نرم ، چکش خوار ، انعطاف پذیر و به رنگ سفید مایل به آبی که با چاقو به راحتی بریده می شود. این عنصر از بسیاری جهات شبیه روی است. در گروه 12 جدول تناوبی بین روی و جیوه قرار دارد در به حالت اکسید +2 در طبیعت یافت شده و همانند جیوه درجه ذوب پایینی دارد، این عنصر در سال 1817 توسط دو دانشمند آلمانی به نامهای استرومیر(Stromeyer) و هرمان (Herman) در ناخالصی کربنات روی یافت شد. بر خلاف دیگر فلزات، کادمیم در برابر زنگزدگی مقاوم بوده و در نتیجه به عنوان یک لایه محافظ زنگزدگی بر روی دیگر فلزات استفاده می شود، قابل حل در آب نبوده و قابل اشتعال نیست.

کادمیم کاربردهای زیادی در صنعت دارد که یکی از مهمترین آنها در صنعت باتری سازی است. در سال 2009، 86% استفاده کادمیم در تولید باتریهای شارژی نیکل- کادمیم بوده. دیگر موارد کاربرد این فلز می توان به موارد زیر اشاره کرد:

* آبکاری الکتریکی کادمیم که در صنایع هوایی برای جلوگیری از زنگزدگی به کار گرفته می شود.

* در بعضی از نیمه رساناها همانند سولفید کادمیم، سلنید کادمیم و تلورید کادمیم بعنوان حسگر نوری یا سلول های خورشیدی استفاده می شود.

* در تولیدPVC  بعنوان یک تثبیت کننده عمل می کند.

* در انواع لحیم  کاری مورد استفاده قرار می گیرد.

* در تولید رنگدانه ها: سولفید کادمیم در رنگدانه زرد ،سلنید کادمیم در رنگدانه قرمز استفاده می شود. این رنگدانه ها سمی بوده و در هنگام استفاده باید مراقب دست و پوست بوده تا جذب بدن نشود.

* در بیولوژی بعنوان کانالهای وابسته به ولتاژ کلسیم از شار یونی کلسیم استفاده می شود.

 

ایزوتوپهای ساخته شده کادمیم می توان به 109 cd اشاره کرد که نیمه عمر 462.6 روز دارد و در «میله های کنترلی» موجود در تاسیسات راکتورها بعنوان مانعی برای کنترل نوترون ها در شکافت هسته ای مورد استفاده قرار می گیرد

 

در حالت طبیعی کادمیم دارای هشت ایزوتوپ می باشد. برای دوتا از آنها رادیواکتیویته به طور طبیعی مشاهده شده و سه تا از آنها احتمالاً دارای رادیواکتیو بوده اما واپاشی آنها هرگز مشاهده نشده، دو ایزوتوپ رادیو اکتیو دار طبیعی 113Cd(واپاشی بتا و نیمه عمر 7.7 أ— 1015 سال (  و116Cd (واپاشی بتا و نیمه عمر 2.9 أ— 1019 سال) ، سه ایزوتوپ رادیواکتیو دیگر که واپاشی در آنها مشاهده نشده ، 106Cd ، 108Cd ، 114Cd هستند و سه ایزوتوپ غیر رادیواکتیو و پایدار 110cd، cd 111 وcd 112  می باشند. ایزوتوپهای ساخته شده کادمیم می توان به 109 cd اشاره کرد که نیمه عمر 462.6 روز دارد و در «میله های کنترلی» موجود در تاسیسات راکتورها بعنوان مانعی برای کنترل نوترون ها در شکافت هسته ای مورد استفاده قرار می گیرد.

 

 این میله ها از عناصری ساخته می شوند که قابلیت جذب نوترون های زیادی را داشته در عین حال خودشان شکافت هسته ای نداشته باشند. میله های کنترلی در راکتورهای هسته ای برای سنجش میزان شکافت اورانیوم و پلوتونیوم مورد استفاده قرار می گیرند. میله های کنترلی اغلب به صورت عمودی در داخل هسته راکتورها جای می گیرند.

 

عناصر شیمیایی اصلی که برای این منظور مورد استفاده قرار می گیرد نقره، اینیدیم و کادمیم بوده و عناصر دیگری نیز به طور جزیی مورد استفاده قرار میگیرد. انتخاب ماده مورد نظر تاثیر بسزایی در انرژی نوترونها در راکتور ها و مقاومت در برابر افزیش نوترونها و خاصیت های مکانیکی و طول عمر آنها دارد.

 

میله های کادمیم- ایندیم- نقره به طور معمول 80% نقره،15% ایندیم و 5% کادمیم هستند که در راکتورهای( PWR (Pressurized water reactorsمورد استفاده قرار می گیرند. عناصر دیگری شامل بورون و هافنیم جذب نوترون خوبی دارند نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

 

در طراحی اکثر راکتورها یکی از نکات ایمنی مربوط به میله های  کنترلی است. میله های کنترلی توسط میدان الکترومغناطیس به ماشین آلات بالابرنده چسبانده شده تا یک به هم پیوستگی مستقیم نیز داشته باشند، دلیل این نوع طراحی این است که اگر در حادثه ای برق نیروگاه قطع شود یا اگر ماشین آلات بالا برنده دچار نقص شوند میلهای کنترلی به سمت زمین سقوط کرده و در داخل ستون رفته و مانع واکنش می شوند. البته یک استثنا قابل ذکر برای اینگونه ایمنی ها، در راکتورهای BWR  است که آنها مستلزم داشتن یک سیستم هیدرولیکی و همچنین استفاده از آب در یک مخزن که با فشار بالای نیتروژن  کار می کند در زمان ضروری خاموشی برای میله های کنترلی می باشند.

 

مدیریت نامناسب یا شکست میله های کنترلی باعث بوجود آمدن پیامدهای ناگواری در راکتورها خواهد شد. همانند انفجار SL-1  و حادثه چرنوبیل. قابل ذکر است که SL-1 یکی از آزمایشهای اتمی ارتش آمریکا در سال 1961 بوده که سه نفر جان خود را در آن از دست دادند. دلیل اصلی این حادثه معیوب بودن میله های کنترلی برای جذب نوترون های داخل هسته راکتور بود و حادثه چرنوبیل هم در سال 1986 در اوکراین اتفاق اقتاد که بزرگترین فاجعه انفجار راکتورهای اتمی دنیا است.