الذرة الهادئة ليست في كل بيت: خيارات غير متوقعة لمصادر طاقة النويدات المشعة

كانت النظائر المشعة في منتصف القرن العشرين تبدو وكأنها مصدر لا نهاية له تقريباً للكهرباء الرخيصة - فالمفاعلات كانت على وشك الوصول إلى الطائرات والسيارات وحتى المنازل ، كما ظنوا آنذاك. ولكن هذا حدث فقط في عالم تداعيات. لماذا الطاقة النووية في طريق مسدود وهل سنمسك بغروبها؟ في هذا المقال ، نتحدث عن محاولات فاشلة لجعل ذرة سلمية أقرب إلى الناس - نواصل سلسلة من المنشورات حول مصادر الطاقة.

يمكن أن تلعب الذرة السلمية دورًا مهمًا للغاية في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون دون تقليل الإنتاج العالمي للطاقة. لكن لم يلعب.

بعد كارثة تشيرنوبيل ، خمد الحماس لمحطات الطاقة النووية - لم يكن أحد يحبذ احتمال حدوث تلوث إشعاعي محتمل لكن ممكن للمناطق بأكملها. كارثة فوكوشيما تسارع فقط في التخلي عن الطاقة النووية في أوروبا. في الاتحاد الأوروبي ، حيث ، من الحدود إلى الحدود ، تقريبًا ، "في متناول اليد" ، فإن أي تسرب للوقود النووي سيغطي عدة دول في وقت واحد.

في إيطاليا ، وقفت آخر محطة للطاقة النووية في عام 1990. منذ عام 2000 ، بدأت ألمانيا تتخلى بشكل منهجي عن الطاقة النووية ، وبعد حادث فوكوشيما ، تم إغلاق ثمانية مفاعلات من أصل 17 في البلاد في وقت واحد. ستغلق بلجيكا جميع المفاعلات السبعة بحلول عام 2025. سوف تغلق سويسرا المفاعلات بحلول عام 2034. إن بلدان أمريكا والشرق الأوسط وآسيا ليست في عجلة من أمرها لوقف محطات الطاقة النووية الخاصة بها وحتى بناء محطات جديدة ، لكنها تعمل معها بنشاط على تطوير الطاقة الخضراء. وفي ألمانيا في عام 2019 ، فاقت كمية الكهرباء التي حصلت عليها من الشمس والرياح والمياه والكتلة الحيوية من تلك الموجودة في محطات الطاقة في الوقود الأحفوري ، بما في ذلك الوقود النووي.


حصة الطاقة النووية في البلدان. بعد 10 سنوات ، ستختفي البقع الخضراء في أوروبا. وحتى الصين استثمرت 380 مليار دولار في بناء محطات طاقة الرياح والطاقة الشمسية. المصدر: PRIS - إحصائيات الدولة / ويكيميديا

تمثل مصادر الطاقة النووية حوالي 10 ٪ من الكهرباء في العالم ، وحصتها تتناقص ببطء. وبالنسبة للمصادر المتجددة - 20 ٪ ، مع أكبر نمو تظهره طاقة الرياح (4.5 مرات في 10 سنوات) والمحطات الشمسية (25 مرة في 10 سنوات). بالطبع ، من المبكر جدًا دفن محطة الطاقة النووية ، لكن من يدري ما ينتظرنا في العشرين عامًا القادمة. في أواخر التسعينيات ، لم يكن أحد يعتقد أن طواحين الهواء والألواح الشمسية ستحتل جزءًا مهمًا على الأقل في صناعة الطاقة العالمية.

خلال العصر الذهبي للذرة ، حاول العلماء جعل هذه التقنيات أكثر أمانًا وإمكانية الوصول إليها وفهمها للناس ، ولكن عددًا من المشكلات التي لم يتم حلها والتي لم يتم حلها دفنت أفكارًا واعدة أو ضاقت نطاق تطبيقها إلى الحد الأدنى. إليك بعض هذه الأفكار.

مفاعل طيران لم يخلع

في الخمسينيات من القرن الماضي ، عندما لم يتم تبديد الذوق الرومانسي للمستقبل النووي ، حاول المفاعلات الذرية التجربة كلما أمكن ذلك. ليس سراً أن العميل والمستثمر الرئيسي للعلماء في الولايات المتحدة هو وزارة الدفاع ، ومن ثم كانت مستعدة لتمويل أكثر المشاريع جنونا.

في بداية الخمسينيات من القرن الماضي ، كان هناك بالفعل حديث في الهواء حول الحرب التي لا مفر منها مع الاتحاد السوفيتي ، علاوة على ذلك ، حرب نووية. مع وصول الأسلحة النووية في ذلك الوقت ، كانت هناك مشكلة: كان علم الصواريخ في بدايته ، ولم يكن لدى القاذفات الأولى بعد الحرب الوقت الكافي للوصول إلى أراضي عدو محتمل في حالة نشوب صراع. كان من الضروري أن تكون الطائرات العسكرية في الهواء في أقرب وقت ممكن من أماكن القصف المزعوم. لذلك ، نحن بحاجة إلى محرك طائرات يمكنه العمل أيامًا وأسابيع دون إعادة التزود بالوقود.

بدأ برنامج تثبيت مفاعل نووي في طائرة في الولايات المتحدة في وقت مبكر من عام 1946. قدم أكبر مطوري محركات الطائرات ، جنرال إلكتريك وبرات أند ويتني ، خياراتهما لمحرك نفاث. كان مبدأ التشغيل بسيطًا للغاية: بعد الإقلاع على الوقود التقليدي ، دخل الهواء الذي يدخل مآخذ الهواء إلى المفاعل ، مر عبر آلاف القنوات التي تم تسخينها فوق 1000 درجة مئوية ، وخلق قوة دفع تفاعلية عند مخرج الهواء.


محرك نووي مباشر التدفق General Electric HTRE-3. المصدر: الحكومة الفيدرالية للولايات المتحدة / ويكيميديا

كانت الفكرة رائعة: حتى من خلال التقديرات المتحفظة ، يمكن لطائرة بها مثل هذا المحرك أن تبقى في الهواء لأسابيع - طالما كان هناك ما يكفي من الطعام والماء من الطاقم. في الممارسة العملية ، كانت هناك مشاكل ربما خمنتها بالفعل. أولاً ، أنشأ المفاعل حلقة من الإشعاعات المؤينة ، وبالتالي أفسد المنطقة التي طار عليها. كان من الممكن التخلص من العادم بمساعدة نظام الدائرة المزدوجة ، كما هو الحال في محطات الطاقة النووية ، ولكن بعد ذلك انخفضت كفاءة المحرك بشكل حاد - الطائرة بالكاد يمكن أن تحمل نفسها دون حمولة. ثانياً ، لم تكن الحماية البيولوجية للطاقم مثالية ، والطيار العسكري الماهر ، خاصة الطيار الاستراتيجي ، هو مورد ذهبي. ثالثًا ، إن سقوط مثل هذه الطائرة في أي منطقة (باستثناء العدو) سيؤدي إلى كارثة دولية وفضيحة بيئية. بشكل عام ، وضعوا المفاعل على متن الطائرة ، ولكن على واحد فقط - أصبح NB-36H هو اللوحة التجريبية الوحيدة (في الصورة الأولى للغاية في هذه المادة) ، ولم يتم توصيل المحركات على المفاعل.

كان الطاقم محميًا بهيكل من الرصاص والمطاط ، مما أضاف 11 طنًا إلى كتلة الطائرة ، لكنه لم يتمكن من حماية الأشخاص تمامًا من الإشعاع. وعلى متن الطائرة ، كان المهاجم يحمل مفاعلًا تبريده بالمياه بقدرة 1 ميجاوات يزن 16 طنًا. طارت الطائرة لمدة 215 ساعة ، منها 89 ساعة مع مفاعل عامل ، وأجريت اختبارات على وجه الحصر في المناطق الصحراوية في تكساس ونيو مكسيكو.

تم التخلي عن فكرة القنبلة الذرية عام 1961 بموجب مرسوم من الرئيس كينيدي وسط "ذوبان الجليد" في العلاقات بين القوتين العظميين. ولكن هذا لا يعني أن الولايات المتحدة دفنت بالكامل برنامج المحرك النووي للطائرات.


يتم الآن إيقاف محركات 35 HTW من جنرال إلكتريك HTRE-2 و HTRE-3 بشكل علني في ساحة انتظار السيارات بمختبر Idaho National حيث تم اختبارها. المصدر: Wtshymanski / ويكيميديا

مشاريع مماثلة ، كما قد تتصور ، موجودة في الاتحاد السوفيتي - على كلا جانبي الكوكب ، كانت اتجاهات الشؤون العسكرية متشابهة. في عام 1955 ، بدأ العمل في إنشاء محطة طاقة نووية للطيران ، وسيتم تطوير الطائرات من أجلها بواسطة مكتب التصميم في توبوليف و مياسيشيف. للاختبار ، تم التقاط قاذفة استراتيجية من طراز Tu-95M واعدة (بالمناسبة ، ما زالت في الخدمة). بحلول عام 1958 ، كانت الطائرة توبوليف 95LAL مع مفاعل في مقصورة الشحن جاهزة. خلال صيف عام 1961 ، قامت طائرة مختبر 34 رحلة. كما هو الحال في المشروع الأمريكي ، كان من المفترض أن تستخدم محركات NK-12M التقليدية التوربينية للإقلاع ، وكان المفاعل متصلاً بالفعل على ارتفاع.

على عكس الأمريكيين ، قام المهندسون السوفييت بحماية الطاقم بأقسام مصنوعة من البولي إيثيلين والسيريزين مع إضافة كربيد البورون ، والتي كانت أكثر فعالية وأخف وزناً بكثير من المطاط بالرصاص.

تم تسمية المشروع Tu-119 ، وكان المهاجم نفسه قابلاً للتطبيق بشكل عام. ولكن بعد الولايات المتحدة ، توقف تطوير المروحية الذرية السوفيتية في أوائل الستينيات. من الممكن أن لنفس الأسباب: "ذوبان الجليد" ، وتطوير علم الصواريخ وخطر الانهيار. وبطبيعة الحال ، فإن السعر: جعل إنتاج طراز Tu-119 في الإنتاج التسلسلي يكلف مليار روبل سوفييتي.


يظهر المخطط الذي تم رفع السرية عنه عن طراز Tu-119 بوضوح موقع المفاعل. المصدر: مكتب تصميم توبوليف

شهدت الستينيات تحولًا في الأولويات العسكرية من القاذفات إلى الصواريخ العابرة للقارات. وهنا ، ستكون مجرد تحليق المفاعلات في مكانها - لا يوجد أشخاص في الصاروخ يحتاجون إلى الحماية من الإشعاع والغذاء والماء ، ويمكن للصاروخ أن يطير لشهور ، وفي الوقت المناسب للمناورة ويوجه تحيات نووية من الجانب الآخر من المحيط.

يهدف مشروع بلوتو ، الذي تم إطلاقه عام 1957 في الولايات المتحدة الأمريكية ، إلى إنتاج صاروخ برأس حربي نووي ومفاعل ذري كمحرك ، على غرار ما حاولوا دون قصد إرفاقه بالقاذفات.

كان من المفترض أن يطير المنتج الذي يطلق عليه SLAM (صاروخ فوق الصوتي منخفض الارتفاع ، وهو صاروخ منخفض الارتفاع فوق الصوتي) على ارتفاع يصل إلى 300 متر بسرعة 4200 كم / ساعة. لكن هذا المشروع لم يتم تنفيذه: فقد أصبح الصاروخ ، حتى من الناحية النظرية ، باهظ التكلفة و "قذر" (تم شرح المزيد حول هذا المشروع هنا ).

بالإضافة إلى ذلك ، عندما كان المشروع جاهزًا رسميًا ، تخلصت الصواريخ التقليدية العابرة للقارات بالفعل من أمراض الطفولة. اتضح أرخص بكثير وأكثر أمانا وأسهل للاستخدام. ويبدو أن الوقت الجديد قد جلب لنا بترل الروسي ، ولكن مراجعته خارج نطاق هذا المنصب.

نضيف أنه إذا لم يتم تحقيق الصواريخ ذات المحرك النووي في القرن العشرين ، فإن الأقمار الصناعية ستكون كذلك. في عام 1965 ، أطلق الأمريكيون لقطة مع SNAP-10A في مدار أرضي منخفض. كان من المفترض أن "ترهل" هناك لمدة عام ، وتوليد الطاقة الكهربائية من حوالي 500 واط. ولكن في اليوم الـ 43 من الرحلة ، فشل منظم الجهد على متن الطائرة ، وقفزت الطاقة إلى 590 واط ، وتم إيقاف تشغيل المفاعل. كان من المفترض أن يكون SNAP-10A في المدار كحطام فضائي لمدة 4000 عام ، لكن بحلول عام 2008 ، انهار الجهاز إلى أجزاء كثيرة يقل قطرها عن 10 سم. على الأرجح ، اصطدم بحطام فضائي آخر.


500 واط SNAP-10A مفاعل الفضاء الشخص الذي يطير الآن حول الأرض في شكل حطام. المصدر: وزارة الطاقة الأمريكية / ويكيميديا

في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تم استخدام محطات الطاقة النووية منخفضة الطاقة بنجاح على متن مركبة فضائية منذ عام 1970. على وجه الخصوص ، قاموا بتغذية أقمار الاستطلاع لنظام ليجيندا بما مجموعه نحو ثلاثة عشر. ولكن حتى هنا وضعت سلسلة من الحوادث حداً لاستخدام المفاعلات النووية - على الأقل في مدار أرضي منخفض. وكل ذلك لأنه حتى لو حدث خطأ ما في الفضاء ، فلا يزال الحطام المشع يطير إلى الأرض. في عام 1978 ، وقعت حادثة غير سارة مع القمر الصناعي السوفيتي Cosmos-954 المجهز بتركيب بوك النووي: بعد شهر من العمل في المدار ، عادت المركبة الفضائية تلقائيًا إلى الأرض ، وانهارت في طبقات جوية كثيفة وانتشرت بسخاء على 124 ألف متر مربع. كم من القطب الشمالي الكندي 30 كيلوغراما من اليورانيوم 235. لحسن الحظ ، ساعدت المناطق الشمالية الغربية ذات الكثافة السكانية المنخفضة في كندا على تجنب العواقب المأساوية. جمعت بعثات البحث 65 كيلوغراما من الحطام المتنوع ، بعضها fonil أقل من 200 من الأشعة السينية / ساعة.

في عام 1983 ، غوص Cosmos-1402 في المياه الدافئة للمحيط الهندي. على الرغم من أن المفاعل أحرق في الغلاف الجوي ، إلا أن بقايا اليورانيوم -235 المشتتة بدقة منه تم تسجيلها لفترة طويلة في الرواسب.

وعندما تحطمت الطائرة Cosmos-1900 في عام 1988 ، تم إرسالها تلقائيًا إلى مدار الدفن. ولكن بحلول ذلك الوقت ، كان المجتمع الدولي قد شكل تحيزًا قويًا جدًا ضد استخدام المفاعلات في المركبات الفضائية.

يعد المولد الكهروضوئي للنظائر المشعة كبديل لمفاعل الطيران المضغوط ، وهو الذي وجد تطبيقًا أوسع في الممارسة العملية. ولكن ليس كذلك على الإطلاق ما كان يأمله عشاق الطاقة الذرية.

المولدات الحرارية للنظائر المشعة (RTG)

في عام 1912 ، أنشأ الفيزيائي البريطاني هنري موسيلي أول مصدر للطاقة للنظائر المشعة: في وسط قارورة زجاجية بجدران مطلية بالفضة ، تم تثبيت مصدر إشعاع الراديوم على الإلكترود ، وجسيمات بيتا المنبعثة تنبعث فرقًا محتملًا بين الفضة والإشعاع ، مما يؤدي إلى ظهور الجهد على أقطاب المصباح الكهربائي.


هنري موسيلي مع واحدة من قواريره المستخدمة لدراسة الأشعة السينية. لسوء الحظ ، انقطعت حياة عالم ومخترع واعد برصاص قناص في معركة جاليبولي خلال الحرب العالمية الأولى. المصدر: مكتبة نيويورك العامة

أثناء التحلل الإشعاعي ، ترتفع درجة حرارة المادة إلى أعلى درجات الحرارة في بعض الأحيان. يتم تحويل RTGs الحرارة المتولدة إلى كهرباء باستخدام المولدات الحرارية.

المولد الحراري هو شيء بسيط ولكنه مسل للغاية. قبل قرنين من الزمان ، في عام 1821 ، اكتشف الألماني توماس سيبيك أنه مع وجود اختلاف في درجة الحرارة بين موصلين ، يتم توليد الكهرباء بسبب تكوين فرق محتمل أثناء تدفق الحرارة من موصل إلى آخر. بالمناسبة ، فإن التأثير العكسي لهذه الظاهرة ، الذي اكتشفه جان تشارلز بلتيير في عام 1834 ، شكل أساس مبردات المعالجات على عناصر بلتيير ، والتي لم يتم إنتاجها لفترة طويلة في أوائل عام 2000: إذا تركت التيار بين الموصلات المتباينة ، أحدهما مع ارتفاع درجات الحرارة ، والآخر ، على العكس ، سوف يبرد.


إن بنية المولد الكهروضوئي بسيطة للغاية ومفهومة ، لذلك فإن إنشاء RTGs لا يعتمد على القيود التكنولوجية ، ولكن في ظل عدم وجود نظائر بالكميات المطلوبة. المصدر: ويكيميديا ​​/ كين برايزر

إذا كان من الممكن الحصول على الكهرباء بسهولة من الحرارة ، والتي هي وفيرة على كوكبنا (الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية المائية والطاقة الحرارية) ، فلماذا لا توجد محطات توليد كهرباء على المولدات الحرارية؟ لأن كفاءة هذا المولد ، بعبارة ملطفة ، ليست غاية - حوالي 6-10 ٪ من الطاقة الحرارية. للحصول على طاقة لائقة أو أقل من جهاز RTG المحمول ، يتعين على المرء أن يبحث عن نظائر مشعة ذات توليد حرارة مرتفع وعمر افتراضي طويل.

من ناحية أخرى ، حتى مع هذه الكفاءة المنخفضة ، يمكنك العيش والعمل: مصدر النظائر المشعة يكفي لتشغيل إضاءة LED ، ومجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار وأنظمة التحكم ، وتنظيم طاقة احتياطية معها. ما ليس خيارًا لتوفير الطاقة الفردية للمنازل التي لن تبقى بدون كهرباء حتى في حالة حدوث كارثة طبيعية؟

تمت دراسة خصائص العديد من النظائر ، ولكن كان هناك عدد قليل جدًا من العناصر المناسبة للأدوات RTG: كانت متطلبات مصادر الطاقة صارمة للغاية. على سبيل المثال ، البلوتونيوم 238 ، وهو آمن تقريبًا بسبب انخفاض إشعاع بيتا وغاما المستخدم في المركبات الفضائية وأجهزة تنظيم ضربات القلب ، ينبعث منها حوالي 0.54 واط من الحرارة لكل غرام من المادة ، وعمر النصف هو 88 عامًا. على مدار العام ، ستفقد RTG على البلوتونيوم - 238 نسبة 0.78 ٪ من قدرة البدء. سوف يدوم مصدر البلوتونيوم لفترة طويلة ، ولكن للحصول على بضع مئات من المرات ، يتعين عليك تحميل بضعة كيلوغرامات من المادة.

لكن انظر فقط إلى polonium-210 ، إنه "موقد" حقيقي - بقدر 140 واط من الحرارة لكل جرام ، 2000 مرة أكثر من البلوتونيوم! نعم ، ها هي المشكلة ، فإن عمر النصف للبولونيوم يبلغ 138 يومًا فقط. لا يمكنك الطيران بعيدًا باستخدام RTG.


التصميم النموذجي لمجموعة RTG الحديثة: لب النظائر ، والعديد من أزواج الموصلات المولدة للكهرباء الحرارية ورادياتير إلزامي على الجسم يزيل الحرارة الزائدة. المصدر: ناسا / ويكيميديا

لقد مر نصف قرن بين اكتشاف هنري موسيلي وظهور RTGs - لقد أعطيت المفاعلات النووية بداية حياتها ، حيث كان من الممكن إنتاج نظائر بكميات كبيرة. بدأ العمل على RTGs في 1960s ، عندما تم إنشاء SNAP-1 (أنظمة للطاقة النووية المساعدة) في الولايات المتحدة الأمريكية. كان SNAP-1 بدلاً من ذلك "محرك بخار" في السيريوم 144 ، حيث تم استخدام الزئبق بدلاً من الماء.

بعد SNAP-1 ، تم تطوير SNAP-3 مع مولد حراري للبلوتونيوم 238. يزن الجهاز حوالي 2 كجم وينتج 2.5 واط من الطاقة. يعمل بروتوكول SNAP-3 على تشغيل أقمار الملاحة الخاصة بشركة Transit American ، وهي أسلاف نظام GPS.

تميزت التجربة الناجحة لـ SNAP-3 ببداية عصر إمدادات الطاقة للنظائر المشعة في المركبات الفضائية ، والتي تتطلب "بطاريات" مدمجة وطويلة التشغيل وخالية من الصيانة. ونعم ، في سلسلة SNAP ، لم يكن هناك فقط مولدات كهربائية حرارية ، ولكن أيضًا مفاعلات نووية كاملة ، والتي ذكرناها أعلاه.

إن استخدام RTGs في صناعة الفضاء هو الحل الوحيد لمشكلة الطاقة في تحقيقات الكواكب الصغيرة. كفاءة الألواح الشمسية تنخفض مع المسافة من الشمس. وقد أوضحت ناسا هذه المشكلة بوضوح في الرسم التوضيحي.

وجدت RTGs مكانها في المركبة الفضائية Voyager (160 واط) التي تجاوزت بالفعل النظام الشمسي ، ومحطات الكواكب Cassini ، و New Horizons و Galileo (300 W) ، و Curiosity rover (110 W) ، وحتى في مركبة الفضاء Apollo القمري (73 W) ). علاوة على ذلك ، فإن هذه المصادر لا تقتصر على توفير الطاقة فحسب ، بل تسخن الإلكترونيات أيضًا - 90٪ من الطاقة الحرارية تذهب إلى المشعات.


أسطوانة رمادية مع ثمانية "أجنحة" في وسط الصورة - RTAP SNAP-27 ، إصدار 75 واط في 30 V DC ، تم استخدامه على سطح القمر خلال مهمة Apollo 14. المصدر: ناسا ، آلان شيبرد / ويكيميديا

ومع ذلك ، حتى في الفضاء ، نادراً ما يتم استخدام RTGs. إن احتمال وقوع حادث يتعلق بمصدر للإشعاع المشع الذي وقع في الفضاء الخارجي لا يهتم عمومًا بسكان كوكبنا ، ولكن من الأسوأ بكثير أن يحدث إزعاج على الأرض ، على سبيل المثال ، من تصرفات الأيدي المضطربة لشخص ما. نعم ، ولم يلغ أحد إطلاق الصواريخ. لذلك ، في عام 1964 ، انهار القمر الصناعي American Transit-5B مع RTG SNAP-9A عند الإطلاق ، مما أدى إلى تناثر ما يقرب من كيلوغرام من البلوتونيوم 238 في الغلاف الجوي. في عام 1968 ، مرة أخرى ، لم يصب ساتل الطقس الأمريكي Nimbus B-1 مع SNAP-19B2 المحيط الذي سقط فيه ، فقط بفضل تصميم كبسولة محسن مع 1 كجم من البلوتونيوم -238. أخيرًا ، ترك جهاز الأبحاث الروسي الكبير مارس 96 في عام 1996 المدار ودفن 270 جرامًا من البلوتونيوم 238 في قاع المحيط الهادي.


كبسولة فولاذية مع نظير البلوتونيوم 238 لبالون الطقس Nimbus B-1 ، كما توجد في قاع المحيط. المصدر: ناسا

والآن الأخبار المزعجة: يتم استخدام RTGs ليس فقط في الفضاء ، ولكن أيضًا على الأرض. في القرن العشرين ، كانت تستخدم لتشغيل عوامات البحر ومنارات غير مأهولة في المناطق النائية من الكوكب ، على سبيل المثال ، في القطب الشمالي. يتم الآن جمع العوامات البالية والمنارات والتخلص منها لمنع تسرب الوقود النووي. في بعض الأحيان تتعرض حالات RTG للتلف أثناء الصيانة أو النقل أو ببساطة أثناء التشغيل - حدثت 23 حادثة في رابطة الدول المستقلة على مدار الـ 36 عامًا الماضية.علاوة على ذلك ، في بعض منها تم تدمير حاوية الإمداد بالطاقة بواسطة جامعي المعادن غير الحديدية. يعتبر نشر RTG بإشعاع ألفا الصلب أكثر خطورة من تفكيك قذيفة شديدة الانفجار باستخدام مطرقة ثقيلة - على الأقل قد لا ينفجر المقذوف ، ولكن لا توجد طريقة للاختباء من إشعاع اليورانيوم أو البلوتونيوم. خاصة إذا كان المخرب يتنفس غبار اليورانيوم.

ولكن ماذا لو أصبحت RTGs متاحة على نطاق واسع؟ لذلك إلى "القنبلة القذرة" ليست بعيدة. يتم تنظيم دوران النظائر المشعة مثل أي شيء آخر ، لذلك يجب ألا تنتظر ضعف السيطرة وظهور RTGs في مكان آخر غير الفضاء و "صناعة الدفاع". المنطقة الوحيدة التي أصبحت فيها إمدادات الطاقة للنظائر المشعة "أقرب إلى الناس" هي بطاريات أجهزة تنظيم ضربات القلب. نعم ، وهناك منذ فترة طويلة تم استبدالهم ببطاريات الليثيوم أيون.


بطارية لجهاز تنظيم ضربات القلب يستخرج منها البلوتونيوم 238. المصدر: جامعات أوك ريدج

مفاعل منزل مفاعل صغير

من الواضح ، من مصادر النظائر المشعة هذه ، لن يكون من الممكن تشغيل المنزل بكل الرغبة. ثم ماذا عن المفاعل الخاص بك ، والذي يمكن وضعه خلف المنزل؟ بالطبع ، عجائب السيد المدمجة الانصهار من فيلم "العودة إلى المستقبل 2" العلماء لم يستعدوا لنا. لكن بعض التطورات في مجال محطات الطاقة النووية منخفضة الطاقة (AFMMs) ملحوظة ، ولكن حتى أكثر المشاريع الواعدة لا تزال في وضع غير مؤكد.

يبدو أن إنشاء محطة طاقة نووية صغيرة على مفاعل مدمج يمثل حلاً ممتازًا لتزويد المدن الصغيرة النائية بالطاقة حيث لا توجد فرصة للطاقة الخضراء ، ونقل الوقود الأحفوري طويل ومكلف. نحن نأخذ نوعًا من التسوية القطبية ، حيث لا يمكن تنظيم حتى بركة تبريد ، ووضع محطة طاقة نووية صغيرة بقدرة 100 ميجاوات هناك - بسرعة وسهولة وملائمة حتى! مع هذه الأفكار ، تم تطوير العديد من مشاريع ACMM. لكن ما بدا بسيطًا وبسيطًا على الورق تبين أنه مكلف ومعقد.

أصبح أحد تطورات Toshiba في مجال الطاقة مفاعلات منخفضة الطاقة. كان المشروع ، المسمى Toshiba 4S ، مفاعلًا معياريًا خالٍ من الصيانة بسعة تتراوح من 10 إلى 50 ميجاوات. 4S هي اختصار لـ Super-Safe ، والصغيرة والبسيطة ، أي "موثوق بها للغاية وصغيرة وبسيطة." الجهاز عبارة عن حاوية مغلقة محكمة الإغلاق يبلغ طولها 30 متراً ، يوجد داخلها قلب مفاعل بدون قضبان تحكم. بدلاً من القضبان حول محيط النواة ، يتم تثبيت لوحات عاكسة نيوترونية تدعم التفاعل ، وفي حالة الطوارئ ، توقف تفاعل السلسلة.


مبدأ تشغيل العاكسات. المصدر: توشيبا

إن عدم وجود قضبان مألوفة ليس هو الفرق الوحيد بين هذه المفاعلات والمفاعلات ذات الحجم الكامل. بدلا من الماء ، يتم استخدام الصوديوم السائل للتبريد. لا يغلي المعدن ولا يزيد الضغط داخل المفاعل ، لكن في نفس الوقت يحتفظ بخصائصه في درجات حرارة أعلى من الماء بمقدار 200 درجة - وهذا لا يزال +1 للسلامة. يتم ضخ الصوديوم عن طريق المضخات الكهرومغناطيسية. لا تحتاج 4S إلى مضخات تبريد ؛ ففي حالة التوقف ، تقوم بتفريغ الحرارة من خلال السكن في التربة الباردة المحيطة. ومرة أخرى ، +1 إلى بر الأمان - فشل المضخات بسبب انقطاع التيار الكهربائي في تفاقم حادث فوكوشيما ، مما أدى إلى ارتفاع درجة حرارة المفاعلات ، وذوبان الأساسية وتسرب الوقود النووي.


تخطيطي توشيبا 4S. المصدر: توشيبا

لكن أهم ميزة في توشيبا 4S هي الصيانة المجانية. يتم تحميل الوقود في المصنع ، وبعد ذلك يعمل المفاعل في نفس محطة الوقود لمدة 30 عامًا تقريبًا. بمرور الوقت ، تتناقص قوتها حتماً ، لتصل إلى مرة ونصف في نهاية دورة حياة التزود بالوقود الأول. ثم يتم تفكيك المفاعل وتثبيت مفاعل جديد في مكانه. في الواقع ، هذه ليست مضيعة ، ولكن وفورات كبيرة. يتقلب سعر مجموعة وقود واحدة لمفاعل VVER-1000 ، بناءً على بلد الإنتاج والعقد ، عند مستوى 0.6-1 مليون دولار ، وهناك 163 قطعة منها في VVER ، ويستغرق كل منها أكثر من 4.5-5 سنوات. للمقارنة ، يجب نظريًا أن يكون سعر محطة الطاقة النووية Toshiba 4S بالكامل من 25 إلى 30 مليون دولار ، وتبلغ تكلفة بناء محطة طاقة نووية عالية السعة حوالي 8 مليارات دولار ، وتتفاوت هذه التكلفة اعتمادًا كبيرًا على البلد وعدد وحدات الطاقة.

ولكن هنا ، مع التطبيقات العملية ، فإن الوضع أسوأ مما هو عليه في حالة RTGs. كان من المفترض تثبيت مفاعل توشيبا 4S في ألاسكا بالقرب من مدينة جالينا ، ولكن في عام 2010 تم تجميد المشروع. توقف التقدم في ظل الهجمة القاسية للحلبة البيروقراطية الأمريكية. تعد محطات الطاقة النووية أمرًا خطيرًا ، وإذا لم يتم التعامل معها بسهولة ، فهي خطيرة للغاية ؛ فلا يتعين عليك الذهاب بعيدًا للحصول على أمثلة. لذلك ، يجب أن يخضع أي مشروع متعلق بالطاقة النووية في الولايات المتحدة لإجراءات التصديق الأكثر تعقيدًا مع لجنة التنظيم النووي (NRC). إن القول بأن هذه عملية طويلة للغاية ومكلفة بشكل هائل ، فهي تقلل من تعقيدها وتكلفتها.

تتطلب شهادة المفاعل في NRC توفير مجموعة من وثائق العمل ، والتي يجب أن تكون مكتوبة لمشروع غير محقق بمساعدة متخصصين مؤهلين. يمكن أن يتجاوز حجمها بسهولة 10 آلاف صفحة ، وكل منها سيكلف الكثير من المال. بعد تقديم الطلب ، ستنظر اللجنة فيه لمدة أربع سنوات. نتذكر أن الطاقة النووية خطيرة. يمكن أن تكلف محاولة الحصول على شهادة NRC ، والتي ستمنح النجاح ، 200 مليون دولار - وهذا مبلغ مثير للإعجاب للغاية لا يمكن طرحه إلا إذا كنت متأكدًا تمامًا من النجاح التجاري لمشروعك.

وهذا ليس بسلاسة. أحد الأسباب الوخيمة لعذاب المفاعلات "الرخيصة" هو التقليل من تكاليف صيانة هذه المفاعلات. من الناحية النظرية ، يبدو كل شيء جميلًا ، لأن المفاعلات الصغيرة تتطلب إشراف عدد قليل من الأشخاص. لكنك تحتاج أيضًا إلى أفراد للعناصر الإلزامية المتبقية لمحطة طاقة نووية ، وما هي الأموال التي تحتاجها للاستثمار في أمان! لن تسمح السلطات الإشرافية ببساطة بترك مثل هذا الشيء الجذاب للإرهابيين كمحطة للطاقة النووية دون حماية قوية. شخصًا تلو الآخر ، يتزايد عدد موظفي محطة الطاقة النووية الرخيصة ، إلى جانب تكلفة الكهرباء المولَّدة في تزايد ، وفي مرحلة ما ، تفقد ذرة سلمية محرك الديزل العادي. هذا هو ما حدث في ألاسكا عندما تبين ، بعد إجراء حسابات مفصلة ، أنه بسبب التكاليف الأولية المرتفعة ، يكون سعر كيلووات ساعة أعلى من سعر محطة توليد الديزل.كان من الضروري إما خفض تكلفة الإنتاج بشكل كبير ، أو زيادة الطاقة الإنتاجية بشكل كبير.

لسوء الحظ ، لم تحصل توشيبا 4S على الشهادة الخاطئة. تطبيق أولي على NRC يصف المفاعل بقي على شبكة الإنترنت . ولكن لم يتم نسيان المفاعل ، فقد أصبح بيل جيتس ، أحد المستثمرين الرئيسيين في TerraPower ، المنخرط في تطوير مفاعلات الموجة المتحركة ، مهتمًا به. تم اتخاذ تصميم 4S كأساس للتطور المستقبلي ، وسرعان ما سيشاهد العالم نتيجة التعاون.

وسيكون جميلا ...

انطلاقًا من وتيرة تطوير الطاقة "الخضراء" ، فإن الطاقة النووية لن تصبح أبدًا نفس الظاهرة اليومية مثل طاحونة الهواء أو الألواح الشمسية الموجودة على سطح المنزل. لا ترانا مفاعلات بدلاً من مولد ديزل في المنزل ، ولا تملك هواتف ذكية بها بطاريات لا نهاية لها تقريبًا. ربما هذا هو الأفضل. لقد أظهرت تجربة الأجيال أن البشرية ليست قادرة دائمًا على التعامل مع الذرة السلمية.