وتمثل مفاعلات توليد الطاقة السريعة خطوة تحولية في تكنولوجيا الطاقة النووية، وخلافا لمفاعلات المياه الخفيفة التقليدية التي لا تستهلك سوى النظائر النادر لليورانيوم - 235، يمكن أن تستخدم أجهزة إعادة تدوير الوقود ذات الحجم الطويل - 238 الوافر، وتتحول إلى مادة البلوتونيوم - 239، وعندما تتيح هذه القدرة على التوليد إنتاج وقود أكثر مما تستهلكه، مما يمتد بشكل كبير إلى الحياة المشتركة من حيث تستهلك موارد اليورانيوم.

ما هي المفاعلات السريعة؟

ويستخدم مفاعل سريع للتوليد النيوترونات السريعة التي لم تبطئ (متنقلة) بفعل مادة مثل الماء أو الجاريج، وفي مادة نموذجية من طراز LWR، تستخدم المياه كمبردة وموصلة للتحكم، وتبطيء النيوترونات إلى الطاقات الحرارية، وفي FBR، يُختار المبرد لتقليل الوسم المائي الجديد إلى أدنى حد؛ وتشمل الخيارات المشتركة الصوديوم السائل.

1-1 تعتمد عملية " التبريد " على نواة تحتوي على كل من المواد الانشطارية (التي غالباً ما تكون البلوتونيوم - 239 أو اليورانيوم - 2335) والمواد الخصبة (اليورانيوم - 238). وعندما تكون هناك كوارث جديدة من المواد الخاملة ذاتية النيترونية التي تُنتج من اليورانيوم - 238، يمكن استيعابها لتشكل اليورانيوم - 239، الذي يُبطل من خلال نسبة النبتونيوم - 239 إلى التكاثر في البلوتونيوم - 239.

تم بناء وتشغيل عدة مصممات من طراز FBR على الصعيد العالمي. Phénix و Superphénix مفاعلات ذات قيمة في فرنسا، تبين إمكانية مولدات الصوديوم - المناولة السريعة على نطاق تجاري.

دور مفاعلات الصدر السريعة في إعادة تدوير الوقود النووي

ومن أكثر المزايا إلحاحاً للمركبات غير المفلورة قدرتها على العمل في دورة الوقود النووي المغلقة، وفي دورة مغلقة، يستهلك الوقود من مخلفات الحرب - التي لا تزال تحتوي على نحو 95 في المائة من اليورانيوم، و1 في المائة من البلوتونيوم، و4 في المائة من منتجات التوسيم، وسادس ثانوية، ويعاد تجهيزها لاستعادة اليورانيوم والبلوتونيوم، ثم تُختلق هذه العناصر المستعادة في مفاعل جديد من الوقود المختلط (MOB) أو أكثر.

وتخفض إعادة التدوير عن طريق عمليات الحرق بصورة كبيرة حجم النفايات النووية وسمية استخدامها في المدى الطويل، بينما تتدهور منتجات الإلحاق إلى مستويات آمنة بعد بضع مئات من السنين، في حين أن البلوتونيوم والنشوء الطفيف (مثل الزمر والكلوريوم) يظلان خطرين على عشرات الآلاف من السنوات، وبإغراق هذه العناصر العابرة للوراني في طيف سريع، فإن مركبات الوقود الفلورية تحرق أكثر المشاكل

وهناك عدة تقنيات لإعادة المعالجة، حيث أن أكثرها شيوعا هو PUREX] (الاسترجاع من البلوتونيوم والأورانيوم عن طريق استخراجه) وهي تعمل في درجات حرارة عالية وتقاوم مفاعل كوريا أكثر من ذلك.

مزايا إعادة تدوير الوقود مع مفاعلات الصدر السريع

  • Reduced nuclear waste volume and toxicity:] Recycling via FBRs can reduce the volume of high-level waste destined for deep geological disposal by a factor of 10 or more, and the residual waste needs isolation for only a few century rather than millennia.
  • Extended uranium resource lifespan:] Natural uranium contains only 0.7% uranium-235; the rest is uranium-238. FBRs can theoretically extract 60-70 times more energy from each tonne of uranium than conventional LWRs, extendinging fuel resources for thousands of years.
  • Decreased reliance on uranium mining:] With effective recycling, the need for new uranium mines diminishes, reducing the environmental and social impacts associated with extraction.
  • Improved energy security:] Countries that reprocess and breed fuel can become less dependent on uranium imports, controlling a larger share of their energy supply chain.
  • Potential economic benefits:] Although re processing and fast reactors have high upfront costs, over the long term they can lower fuel costs by using recycled materials and avoid expensive waste disposal fees. As carbon pricing increases, the economic case for FBRs may strengthen.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من الوعود الكبيرة التي قطعها المفاعلات السريعة التوليد تواجه عددا من التحديات الهائلة التي أبطأت اعتمادها على نطاق واسع.

التعقيد والتكلفة التقنيان

فالإمداد بالفلور أكثر تعقيداً من عمليات التطهير من مخلفات الحرب، ومبرد الصوديوم السائل هو تفاعل كيميائي مع الهواء والماء، مما يتطلب نظماً مصممة خصيصاً للسلامة لمنع الحرائق والتفجيرات، ويجب تصميم نظام المفاعل بأكمله، بما في ذلك المضخات، ومبادلات الحرارة، والثوابت الثانوية، على مستويات عالية من التسرب والقابلية للتأثر، مما يؤدي إلى زيادة تكاليف البناء إلى حد كبير عن تكاليف المكافئ من أجل التراكم.

السلامة والخبرة التشغيلية

وتستلزم المفاعلات السريعة العاملة خبرة واسعة في مجال المبردات المعدنية السائلة، وتلفيق الوقود، والتفتيش أثناء الخدمة، ويتمتع تصميم مركب الصوديوم بمزايا أمان متأصلة: فالصود له نقطة تغلي عالية (883 درجة مئوية)، وبالتالي يعمل المفاعل في ظل ضغط جوي قريب، مما يقلل من خطر تمزق مركب الضغط.

مخاطر الانتشار

وتشمل دورة الوقود النووي للمركبات المفلورة معالجة البلوتونيوم والمواد الانشطارية الأخرى، ويمكن اعتبار إعادة تجهيز الوقود المستهلك لاستخراج البلوتونيوم شاغلاً من عوامل الانتشار، لا سيما في البلدان التي لا توجد فيها ضمانات صارمة، وتطبق الوكالة الدولية للطاقة الذرية رقابة صارمة على إعادة تجهيز المرافق ودورات الوقود السريعة للمفاعلات، وقد تساعد تكنولوجيات إعادة المعالجة المتقدمة التي تتجنب فصل البلوتونيوم النقي، مثل تجهيز الوقود مع تخفيف مخاطر الانتشار بالكهرباء.

فتيل ومواد

ويجب أن يصمد وقود المفاعلات السريعة في مستويات عالية من الإشعال النيوترونات وارتفاع درجات الحرارة، كما أن الوقود التقليدي المختلط المستخدم في مركبات FBRs يحتوي على تركيز عال من البلوتونيوم (نحو 20 إلى 30 في المائة)، وهو ما يمثل تحديات كبيرة في مجال الصنع، بالإضافة إلى أن المواد المشابهة مثل الفولاذ الأسمدة - المرتعشة أو الفولاذ المسبب للارتحال (ال الفوقية)

Global Programs and Current Developments

وتقوم بلدان عديدة بنشاط بتعزيز تكنولوجيا القوات المسلحة الرواندية كجزء من استراتيجياتها النووية الطويلة الأجل.

روسيا

() إن روسيا هي قائد عالمي في عملية المفاعل السريع، وقد كانت BN-600 (3-loop, 600 MWe) على الإنترنت منذ عام 1980، وقد حققت توافراً كبيراً، وقد بدأت عملية التجهيز التجاري في عام 2016 وهي تستخدم لاختبار تركيبات وقود اليورانيوم - البلوتونيوم (Dlutonium MX) كما أنها بصدد تطوير تركيبة BREST-300 .

فرنسا

وبعد إغلاق سوبرفينيكس في عام 1998، انتقلت فرنسا إلى التركيز على البحوث المتقدمة بشأن المفاعلات السريعة التي تعمل بالفول السوداني في إطار برنامج Astrid ، وبينما تم تعليق النموذج الأولي لمؤسسة Astrid في عام 2019، تواصل فرنسا الاستثمار في اختبار العناصر السريعة للمفاعلات، وتطوير الوقود، وبحوث السلامة في اللجنة الدولية المعنية بالنظم الإيكولوجية البديلة للتدفقات الذرية.

الهند

وتستخدم الهند Fast Breeder Test Reactor (FBTR) منذ عام 1985، التي تستخدم وقوداً فريداً من نوعه من أنواع الوقود المختلط، وتقوم الدولة ببناء مفاعل سريع للتنفس يبلغ 500 ميغاواط في كالباككام، ويتوقع أن يحقق هذا البرنامج النمطي في وقت قريب.

اليابان والصين

مفاعل مونجو الياباني (280 ميغاواط) أُغلق في عام 2010 بعد حوادث السلامة، لكن اليابان تواصل الاستثمار في المفاعل السريع RD من خلال [اليابان] للطاقة الذرية و ]Joyo المفاعل التجريبي السريع.

الولايات المتحدة وغيرها

ولم تُنشأ في عام 1992 مفاعلات سريعة، بما في ذلك مفاعل الطاقة المتطورة (مفاعل الطاقة الكهربائية) في المملكة المتحدة، ومفاعلات الطاقة المتطورة (FLT:1) (مفاعل الطاقة المتطورة) (مفاعل الطاقة المتطورة)

التوقعات والابتكارات في المستقبل

ومستقبل مفاعلات التوليد السريعة يرتبط ارتباطا وثيقا بالتقدم المحرز في تكنولوجيا دورة الوقود، وعلم المواد، والأطر التنظيمية، وقد تؤدي عدة اتجاهات ناشئة إلى التعجيل بنشر القوات التجارية المولدة للمركبات على مدى العقدين المقبلين.

المبردات المتقدمة

وفيما عدا الصوديوم، فإن مبردات الرصاص والمبيدات التي تعمل في الفضاء الأمامي تعرض عدم التعرض للإصابة الكيميائية (لا رد فعل عنيف بالهواء أو الماء) ونقاط الغليان الأعلى، مما قد يؤدي إلى تحسين السلامة، ويجري تطوير المفاعلات السريعة المُشَرَّعة في روسيا، وأوروبا (MYRRHA، ALFRED)، والولايات المتحدة، إلا أنها تطرح تحديات مثل ترسيب المواد الهيكلية بواسطة الرصاص السائل، والحاجة إلى مفاعلات ذات القدرة على إحداث الاحترار.

الوقود المميت وتجهيز الفيرو

ويعرض الوقود المميت (مثلاً، الزئبق في اليورانيوم أو في سبائك اليورانيوم - البلوتونيوم - الزيركونيوم) قدرة على معالجة حرارية أعلى، وتحسين التوافق مع الصوديوم، وطرق اختلاق بسيطة، وقد أظهر مفهوم المفاعل المدمج لليورانيوم المختلط قدرة الوقود المعدني على الاستمرار في التجهيز في الموقع للبيروتون، مما أدى إلى جعل عملية التجهيز المتعاون للغازلة الكهرولية في كوريا.

التجزئة والتحويل (PT)

(ب) تركز مرافق التحويل المخصصة باستخدام المفاعلات السريعة على حرق مواد صغيرة (النفتونيوم، الزمريوم، الفضول) من الوقود المستهلك الحالي والمستقبلي، ويمكن أن تكون هذه المرافق منفصلة عن مفاعلات توليد الطاقة وتعمل فقط لخفض النفايات.

التكامل مع الطاقة المتجددة

ونظراً لارتفاع تكلفة رأس المال، يتعين على المفاعلات السريعة أن تحقق عوامل عالية القدرة لتكون اقتصادية، وقد يساعد هذا النهج الهجيني على تحقيق إيرادات من كل من أسواق التحميلات الأساسية والتعبئة، مع إبطال المرونة في استخدام الطاقة النووية.

التعاون الدولي والترخيص

مبادرة الجيل الرابع (GIF) تواصل تنسيق البحوث المتعلقة بستة أنواع من المفاعلات، بما في ذلك المفاعلات السريعة المُعَزَّلة بالصوديوم والمفاعلات السريعة المُعَزَّلة بالرصاص (LFR) وتدعم الوكالة تبادل المعارف من خلال [(FLT:0]) مبادرة الحفاظ على المعارف المتعلقة بالمفاعلات و[FLT]

خاتمة

إن مفاعلات التوليد السريعة، مقترنة بإعادة تدوير الوقود النووي، توفر وسيلة فعالة من الناحية التقنية لتحقيق مستقبل مستدام منخفض الكربون، ومن خلال تحويل اليورانيوم - 238 إلى وقود وحرق نفايات عبرورانيات طويلة الأمد، يمكن أن تؤدي عمليات التكاثر الحاد إلى الحد بشدة من البصمات البيئية للطاقة النووية وتوسيع موارد الوقود لطنان، غير أن العقبات الهامة لا تزال قائمة في مجالات التكلفة، والعرض الآمن، وضمانات الانتشار، والمفاعلات العامة.