التاريخ الطويل لمفاعلات النيوترون السريعة ووعد دورة الوقود المغلقة

استتبع اكتشاف الانشطار النووي في ثلاثينيات القرن الماضي التهديد الأول للتدمير النووي من خلال الأسلحة النووية في الأربعينيات ، تلاه الوعد بتوفير طاقة نظيفة وفيرة في الخمسينيات بفضل ظهور محطات الطاقة النووية. كان عليهم استبدال محطات توليد الطاقة الحرارية الأخرى بمحطة لا تنتج غازات العادم ، ولا تنبعث منها الرماد ، ولا تتطلب سوى التزود بالوقود بشكل دوري مع اليورانيوم والوقود النووي الآخر ، والذي يمكن العثور عليه في كل مكان تقريبًا.


المعدات التي أثبتت لأول مرة إمكانية الانشطار الذري التجريبي في عام 1938

ظهرت مفاعلات نووية جديدة بسرعة متزايدة في الخمسينيات والستينيات ، مما أثار مخاوف بشأن نقص محتمل في وقود اليورانيوم ، مما أدى إلى زيادة في عدد الدراسات في مجال ما يسمى "مفاعلات النيوترونات السريعة" ، والتي في تعديلها للمفاعلات المولدة يمكن أن تستخدم وقود اليورانيوم بكفاءة أكبر. يستخدمون النيوترونات لتحويل ("مضاعفة") اليورانيوم 238 إلى بلوتونيوم 239 ، والذي يمكن بعد ذلك خلطه بوقود اليورانيوم وإنشاء وقود موكس لمفاعلات النيوترون البطيئة ، ونتيجة لذلك فمن الممكن في دورة واحدة عدم استخدام 1٪ ، ولكن ما يصل إلى 60 ٪ من طاقة اليورانيوم.

أوقفت الطفرة في اكتشاف اليورانيوم في السبعينيات الأبحاث في هذا المجال ، ومع ذلك ، على سبيل المثال ، عملت فرنسا باستمرار في مشاريعها Rapsodie و Phénix و SuperPhénix ، ولم تتخل عن العرض التوضيحي ASTRID للجيل الرابع إلا بعد تجربتها لسنوات عديدة إحضاره إلى النهاية.

ومع ذلك ، هذه ليست نهاية المفاعلات السريعة. في هذه المقالة ، سوف نلقي نظرة على المعجزات الهندسية ، وأنواع مختلفة من المفاعلات السريعة التي تستخدمها أو تطورها بلدان مثل روسيا والصين والهند.

ما هو "سريع" في المفاعلات السريعة

يتم تصنيع المفاعلات السريعة بواسطة سرعة النيوترونات في عملية الانشطار النووي. إذا تم استخدام الماء العادي في مفاعلات الماء الخفيف لإبطاء النيوترونات ، فهذا ليس كذلك في المفاعلات سريعة التكاثر (BRR). تتحرك النيوترونات المنبعثة من اليورانيوم 235 والنظائر الأخرى خلال سلسلة من التفاعلات بسرعة كبيرة. ومن المثير للاهتمام أن سرعة النيوترون تحدد احتمال تفاعلها مع نواة معينة.


إنتاج الأكتينيدات عبر اليورانيوم في مفاعلات النيوترون الحرارية

لتصنيف النيوكليدات ، يتم استخدام خاصية مثل المقطع العرضي النيوتروني . عندما تمتص النواة النيوترون ، وتقيها أو تتحلل ، فإنها تقول إنها سقطت في المقطع العرضي للنيوترون. تحتوي النويدات الانشطارية على مقطع عرضي للنيوترونات الانشطارية. النيوكليدات الأخرى تبعثر ببساطة النيوترونات - لديها مقطع عرضي من النيوترونات المنتشرة. تسمى النيوكليدات ذات المقاطع العرضية الكبيرة للنيوترونات بسم التسمم النيوتروني ، لأنها ببساطة تمتص النيوترونات دون أن تتحلل ، وفي الواقع تحرم التفاعل النووي للنيوترونات.

إن النويد من نوع اليورانيوم 238 مثير للاهتمام في نسبة النسبة غير الصفرية لكل فئة من هذه الفئات من المقطع العرضي للنيوترون ، وهو ما يفسر جزئيًا سبب عدم ملاءمته كوقود لمفاعلات الماء الخفيف. هذا مختلف تمامًا في حالة اليورانيوم 235 - به مقطع عرضي كبير من الانشطار النيوتروني ، ولكن فقط بسرعات نيوترونية أقل بكثير من تلك التي تمتلكها النيوترونات التي تم إطلاقها أثناء التفاعل النووي. هذا يعني أنه يجب إبطاء النيوترونات في مفاعلات الماء الخفيف (إلى سرعات "درجة الحرارة") للحفاظ على عملية التحلل.

وهنا ، بين قضبان الوقود ، هناك ماء ، وتطير النيوترونات في كل مكان هنا وهناك بعد بدء عملية الاضمحلال بمساعدة مصدر نيوتروني مبتدئ. تصطدم هذه النيوترونات السريعة بسهولة مع ذرات الهيدروجين في جزيء الماء ، وتفقد الطاقة الحركية وتبطئ. نتيجة لذلك ، يطيرون إلى قضيب وقود آخر (أو ما شابه) وقسموا بنجاح نوكليد آخر من اليورانيوم 235.

أيضا ، هذه الخاصية المثبطة للمياه تعمل كتدبير أمان. مع زيادة درجة الحرارة في القلب ، يغلي الماء ويتحول إلى غاز ، بسببه سيكون هناك عدد أقل من جزيئات الماء في حجم الوحدة ، وسوف يتوقف التباطؤ النيوتروني ، وستنخفض سرعة تفاعل السلسلة النووية. معامل تفاعل البخار السلبي هذا موجود في كل مكان في المفاعلات الحديثة ، باستثناء نموذج RBMK سيئ السمعة ومفاعلات الماء الثقيل الكندية CANDU .

نحن نزرع البلوتونيوم للترفيه والأرباح

حلقة البلوتونيوم النقية عمليا

كما ذكرنا سابقًا ، لليورانيوم 238 خصائص غريبة نوعًا ما في مقاطع عرضية نيوترونية إنه يمتص وينثر النيوترونات ، وينتج في بعض الأحيان انشطار النواة ، ويحدث الإجراء الأول في كثير من الأحيان. بعد اكتشاف النيوترون ، يتم تحويل nuclide اليورانيوم 238 (يحيل) إلى plutonium-239 (ويتم تحويل بعض nuclides plutonium-239 إلى plutonium-240). تحدث هذه العملية أيضًا في مفاعل يعمل بالماء الخفيف ، ولكن هناك عملية متعمدة ، حيث يتم تصنيع البلوتونيوم بهذه الطريقة في BRR.

لا يوجد وسيط نيوتروني في BRR ، لأنه يحتاج إلى نيوترونات سريعة تقوم بتحويل أكبر قدر ممكن من اليورانيوم 238 إلى بلوتونيوم 239. في BDS ، تتم تغطية الغلاف المخصب لليورانيوم -235 بواسطة غلاف يتكون أساسًا من اليورانيوم 238 ، والذي يتحول ببطء إلى بلوتونيوم 239 وبلوتونيوم 240 ، اللذين يتم استخدامهما كوقود موكس. اتضح أن مخطط التشغيل BRR بسيط نسبيًا ، ويستخدم إما دائرة تبريد أو حمام سباحة. كمبردات ، عادةً ما يتم استخدام المبردات أو المعادن السائلة أو المبردات القائمة على الصوديوم ، لأنها تحبس النيترونات بشكل ضعيف ، ولكنها تنقل الحرارة تمامًا.

تم استخدام BRR الفرنسية لتوليد الكهرباء بطريقة محطات الطاقة الحرارية التقليدية ، ولإنتاج البلوتونيوم ، وهو أمر ضروري لإنشاء وقود موكس ، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك في مفاعلات الماء الخفيف. السبب الرئيسي لتنظيم هذه العملية هو الرغبة في استقلال الطاقة ، لأن فرنسا لا تملك احتياطيات كبيرة من اليورانيوم. ومثل هذه العملية ستجعل من الممكن الحصول على طاقة أكثر من 60 مرة من اليورانيوم المستورد ، مما يعني أن كل كيلوغرام سوف يستمر 60 مرة أطول.


المفاعل التجريبي الثاني (EBR II)

تشمل المحاولات الأخرى لإنشاء مفاعلات نيوترونية سريعة المفاعل المتكامل السريع في الولايات المتحدة ومونجو اليابانية (تليها مفاعل Zyo النيوتروني السريع المبرد بالصوديوم). يتمثل أحد الآثار الجانبية اللطيفة لاستنساخ وقود اليورانيوم في توفير كمية الوقود المستهلك في نهاية دورة الوقود المفتوحة ، حيث يتم حرق اليورانيوم 238 الموجود أصلاً إلى البلوتونيوم 239 في مفاعل الماء الخفيف. يمكن مرة أخرى تمرير الوقود المستهلك عبر المفاعل النيوتروني السريع ، حيث سيتم حرق "نفايات" النظائر التي لا يمكن استخدامها من قبل مفاعل الماء الخفيف ، وسيتم إنشاء وقود إضافي لمفاعل الماء الخفيف.

لسوء الحظ ، فإن RBDs أغلى من تلك الموجودة في الماء الخفيف ، وقد أدت مشاكل تبريد الصوديوم (وخاصة الحاجة إلى منع التلامس مع الماء) إلى حقيقة أنه منذ انخفاض أسعار اليورانيوم في سبعينيات القرن العشرين ، عادة ما يكون توليد وقود جديد من خام اليورانيوم أكثر اقتصادا. تخزين أو التخلص من الوقود المستخدم بعد دورة وقود مفتوحة واحدة في مفاعل الماء الخفيف.

على الرغم من حقيقة أن مفاعل الماء الخفيف يتكاثر أيضًا قليلاً ، مما يحول اليورانيوم 238 إلى بلوتونيوم ، إلا أن الوقود المستهلك لا يزال يحتوي على حوالي 96٪ من اليورانيوم الأولي ، وحوالي 3٪ من نظائر "النفايات" ، وحوالي 1٪ من نظائر البلوتونيوم.

حرق ، حبيبي ، حرق

على الرغم من أن معظم مفاعلات النيوترونات السريعة تستخدم في مضاعفة الوقود لمفاعلات الماء الخفيف ، هناك نوع آخر مصمم للاستخدام المحلي لجميع أنواع الوقود. يُطلق على هذا المفاعل اسم المفاعل النيوتروني السريع (RBN) ، ويختلف تكوين النواة الخاصة به عن تكوين BRR ، ولكن لا يوجد لديه اختلافات جوهرية. من الناحية النظرية ، يمكن استخدام أي RBN لإنتاج وحرق الوقود.


رسم تخطيطي لمفاعل نيوتروني سريع تبريد الصوديوم

لتغيير المخطط من RBD إلى RBN ، تحتاج إلى إزالة طلاء اليورانيوم 238 وتثبيت عاكسات نيوترونية مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ (أو شيء مشابه). في المفاعل الناتج ، تبقى النيوترونات المنبعثة داخل النواة ، ويمكن أن تتفاعل مع النويدات ، وتواصل عملية الانشطار.

ونتيجة لذلك ، يمكن أن تتحلل RBNs وتحول النويدات في الوقود حتى لا تترك كمية كبيرة من الأكتينيدات فيها (بما في ذلك اليورانيوم والبلوتونيوم). يمكن دمج هذه العملية مع تجديد وقود المعادن الحرارية ، والذي يسمح بإعادة معالجة الوقود المستهلك في مفاعل يعمل بالماء الخفيف لاستخدامه في RBF ، والذي يغلق دورة الوقود النووي بشكل أساسي.

المقاومة الفرنسية

ليس فقط الاقتصاد لعب دورًا في إيقاف تطوير RBN في الغرب. جذب بنك الاحتياطي النيوزيلندي اهتمام كل من الإرهابيين والسياسيين. مثال على عمل السابق هو الهجوم الصاروخي على محطة الطاقة النووية Superphoenix ، التي نفذت في 18 يناير 1982 من قبل الإرهابي البيئي Chaim Nissim. أطلق النار على محطات الطاقة النووية من قاذفة القنابل اليدوية المضادة للدبابات السوفيتية RPG-7 ، معتقدين أن RBN "يمكن أن ينفجر بكل نيوتروناته السريعة". كانت محطة الطاقة النووية مشروعًا مشتركًا بين فرنسا وإيطاليا وألمانيا ، وكان من المخطط أصلاً بناء محطات الطاقة النووية لهذا المشروع في فرنسا وألمانيا.


بناء مفاعل الخارق

منذ البداية ، واجهت Superfenix مقاومة سياسية قوية من الجماعات المضادة للنواة ، وتم إغلاق النموذج الأولي للمفاعل في عام 1998 ، عندما كان يقود الحكومة الفرنسية وزراء أخضر. السبب الوحيد المعلن للإغلاق هو أن المشروع تبين أنه غير مستدام بسبب "تكلفته المفرطة" ، حيث تم إنفاق 9.1 مليار يورو عليه منذ عام 1976 ، أي حوالي 430 مليون يورو سنويًا. وهذا على الرغم من حقيقة أنه في عام 1996 تم حل مشاكل حلقة الصوديوم ، وحقق المفاعل حقًا المال من خلال توفير الكهرباء لمعظم وجوده.

التطورات الحالية

يختلف الوضع في الولايات المتحدة الأمريكية وفرنسا ودول غربية أخرى عما كان يحدث في الاتحاد السوفييتي والصين والهند. منذ عام 1973 ، توفر BN-350 ، التي تقع على شواطئ بحر قزوين (والآن هذه هي إقليم كازاخستان) ، مدينة أكتو القريبة مع 135 ميغاواط من الكهرباء والمياه المحلاة. تم إغلاقه فقط في عام 1994 ، حيث نفدت أموال الشركة لشراء الوقود. في عام 1999 ، بعد 26 عامًا من التشغيل ، تم إغلاقه تمامًا.

تمت متابعة سلسلة BN-600 بواسطة مفاعل BN-600 الذي تم بناؤه في Beloyarsk NPP في منطقة سفيردلوفسك بالقرب من مدينة Zarechny في روسيا. إنها تستخدم بركة مبردة بالصوديوم وتعمل منذ عام 1980 ، حيث تزود الشبكة المحلية بـ 600 ميجاوات. على الرغم من العديد من المشكلات الطفيفة ، المتعلقة بشكل رئيسي بتسرب الصوديوم ، إلا أن تاريخ عمله كان خاليًا من المتاعب ، على الرغم من حقيقة أنه كان النموذج الأولي الثاني في هذه السلسلة [من اللحظة التي تم فيها إغلاق مفاعل فينيكس في فرنسا في عام 2009 حتى منتصف عام 2014 (الإطلاق BN-800) كان BN-600 مفاعل الطاقة النيوتروني السريع الوحيد النشط في العالم / تقريبًا. العابرة.].


BN-800 في بيلويارسك

مفاعل BN-800 ، الذي تم بناؤه في نفس المكان في Beloyarsk ، هو النموذج النهائي لسلسلة BN ويوفر وفورات في الخدمة بنسبة 85 ٪ مقارنة مع مفاعل الماء الخفيف VVER-1200 . سوف يكون BN-1200 المصمم أول RN الإنتاج الضخم. تعتمد المفاعلات التجريبية الصينية CEFR FNR و CFR-600 على تقنية مفاعل BN ​​الروسي. تعمل روسيا أيضًا على BRN مع التبريد الرصاص BREST .

اكتشفت الهند وفرة من الثوريوم 232 ، الأمر الذي أدى إلى إنشاء برنامج طموح لتطوير مواز على أساس الثوريوم لمفاعلات اليورانيوم. يتكون برنامج الثوريوم من ثلاث مراحل. أولاً ينتجون البلوتونيوم من اليورانيوم باستخدام مفاعلات الماء الخفيف. ثم يقوم RBN بصنع اليورانيوم 233 من الثوريوم -232 الذي يحرق البلوتونيوم. أخيرًا ، سيتعين على مفاعلات الماء الثقيل المتقدمة استخدام الثوريوم الناتج كوقود ، واليورانيوم - 233 والبلوتونيوم كوقود إضافي.

كما يتم تطوير RBNs من الجيل الرابع - على سبيل المثال ، مفاعل سريع تبريد الغاز (HBR) مع الهليوم.

إغلاق دورة الوقود

كما ذكرنا سابقًا ، فإن RBNs قادرة على استخدام الوقود المستهلك اليوم (والذي يُطلق عليه غالبًا "النفايات النووية"). جنبا إلى جنب مع تجديد وقود المعادن الحرارية ، فإن هذا سيتيح لمفاعلات الانشطار النووي العمل مع نفايات صفرية تقريبًا ، باستخدام كل وقود اليورانيوم والأكتينيدات الثانوية وما إلى ذلك. هذه العملية هي الهدف الرئيسي للبرنامج النووي الروسي ، وتؤخذ أيضًا في الاعتبار في البرامج النووية للصين واليابان وكوريا الجنوبية.

بالتوازي مع مشاريع في الولايات المتحدة الأمريكية (بشكل رئيسي في مختبر أرجون الوطني ومشروعه لمفاعل سريع متكامل مع تجديد وقود المعادن الحرارية) ، يعمل المعهد الكوري لبحوث الطاقة الذرية في كوريا الجنوبية بنشاط على إغلاق دورة الوقود. الهدف من ذلك هو فصل الوقود المستهلك عن كل ما لا يزال مناسبًا كوقود - أي ما يبقى مشعًا. لسوء الحظ ، لأسباب سياسية ، من الناحية العملية ، لا تعمل روسيا معًا في هذه المشاريع مع بلدان أخرى ، باستثناء الصين ، وكوريا الجنوبية لا تتعاون مع أي شخص آخر غير اليابان والصين.

ولكن على الرغم من ذلك ، تستمر المحاولات في إنشاء الجيل الرابع من RBNs وجعله المفاعل المفضل لمحطات الطاقة النووية الجديدة - وهذا لن يسمح فقط بالاستخدام الكامل للوقود النووي المعاد معالجته ويغلق دورة الوقود ، ولكن أيضًا يزيد من كمية الطاقة التي يمكننا استخراجها من اليورانيوم (و ، ربما الثوريوم) عدة مرات. سيتيح لنا ذلك زيادة التقديرات الأكثر تشاؤماً حول الشروط التي يمكن أن نتمسك بها من اليورانيوم الموجود من مئات السنين إلى بضعة آلاف مريحة ، وعدم ترك النفايات في شكل وقود اليورانيوم.