Table of Contents
وتمثل مفاعلات التكاثر السريع فئة من المفاعلات النووية التي تنتج مواد انشطارية أكثر مما تستهلكه - وهي ممتلكات كثيرا ما تسمى التوالد، وفي حين أن برامج الازدحام البري الأرضية لها تاريخ طويل من التطور، فإن خصائصها الفريدة تجعلها مُقنعة بوجه خاص بتطبيقات الطاقة النووية الفضائية، حيث يجب استخدام كل كيلوغرام من الوقود بأقصى قدر من الكفاءة والعمر التشغيلي يمكن أن تمتد لعقود.
Understanding Fast Breeder Reactor Technology
مواد النيوترونات وأساسيات الوقود
In a thermal nuclear reactor, neutrons are slowed down (moderated) to increase the probability of fission in uranium-235. A fast breeder reactor, by contrast, uses fast neutrons (energies above 0.1 MeV) and dispenses with a moderator.
أما الوقود النموذجي للمركبات الهيدروفلورية الأرضية فهو الأكسيدات المختلطة أو السكك الحديدية لليورانيوم والبلوتونيوم، وبالنسبة للتطبيقات الفضائية، فإن الوقود المتقدم مثل نيتريد اليورانيوم أو سبائك الزركونيوم تعتبر نتيجة لارتفاعها الحراري وتحسين أدائها في درجات الحرارة المرتفعة، وتتيح عملية التوالد بدء عملية تحويل اليورانيوم إلى مفاعلات صغيرة نسبيا(38).
التبريد ونقل الحرارة
FBRs operate at high temperatures to achieve efficient heat transfer and conversion to electricity. because the coolant must not slow neutrons significantly, liquid metals are preferred. Terrestrial FBRs commonly use liquid sodium
السياق التاريخي: برامج الطاقة النووية الفضائية
The use of nuclear power in space is not new. The United States launched the SNAP-10A] reactor in 1965, which produced 43 kilowatts (thermal) using a thermal-neutron design with uranium-zirconium hydride and liquid NaK coolant. The Soviet Union deployed over 30
برنامج (فورت: 0) S-100 [FLT: 1]) (الثمانينات - التسعينات) كان مشروعا طموحا من الولايات المتحدة لتطوير مفاعل فضائي مئوي - 100) مصمم كمفاعل سريع الأطياف مع مبردات الليثيوم و محولات حراريات الحرارة، على الرغم من أنه ليس مولدا كاملا، فإن تصميمه السريع للنيترون يمكن تكييفه مع دورة توالد
مزايا المفاعلات السريعة للبرايدر للتطبيقات الفضائية
كثافة الطاقة العالية والتقاليد
وتعطي القيود المفروضة على الإطلاق الفضائي قسطاً على الكتلة والحجم، إذ تحقق أجهزة السحب المفلورة كثافة عالية في الطاقة لأن الانشطار السريع ينشر المزيد من النيوترونات لكل انشطة، مما يتيح لب صغير لمستوى معين من الطاقة الكهربائية، ويزيد عدم وجود جهاز موصل من تخفيض حجم المفاعلات، ويقترن ذلك بالقدرة على استخدام اليورانيوم المستنفد (الأرنيوم-238) كمواد شاملة، يمكن أن تنتج الطاقة الكهربائية طاقة توليد الطاقة الكهربائية لسنوات عديدة دون الحاجة إلى تجديد المواد الأولية.
استدامة الوقود وتمديد مدة حياة البعثة
وبالنسبة لبعثات طويلة الأمد إلى الكواكب الخارجية أو لقاعدة دائمة أو قاعدة مارتيان، فإن لوجستيات الوقود تصبح حاسمة، ويمكن لمفاعل سريع للتوليد يعمل لمدة عقد أن يولد فائضا كافيا من البلوتونيوم لبدء مفاعل ثانٍ بدون مواد انشطارية إضافية من مصادر الأرض، ويمكن في دورة الوقود المغلقة إعادة معالجة الوقود المستهلك في الموقع (وإن كان ذلك يشكل تحديات هندسية كبيرة في مجال الجاذبية الصغرية والفراغ).
استخدام الموارد بكفاءة
ويتكون اليورانيوم الطبيعي من 99.3 في المائة من اليورانيوم-238 و0.7 في المائة من اليورانيوم-235، وتستهلك المفاعلات الحرارية أساسا اليورانيوم-235 النادرة، ويمكن لمولدات الكهرباء السريعة تحويل اليورانيوم-238 إلى وقود قابل للاستخدام، مما يزيد الطاقة المستخرجة من اليورانيوم الملغوم بعامل يتراوح بين 50 و100. وبالنسبة للبعثات الفضائية، ولا سيما تلك التي تعتمد على استخدام الموارد في الموقع، تترجم هذه الكفاءة إلى انخفاض في تكاليف الإطلاق وتكاليف البعثة الدنيا.
إمكانية إقامة نظم مغلقة
ويمكن أن يقترن مفاعل سريع للتوليد بوحدة إعادة المعالجة لتشكيل دورة وقود مغلقة، وفي حين أن إعادة التدوير الأرضية معقدة ومكلفة، فإن فوائد خفض النفايات وتجديد الوقود قد تفوق الرؤوس العامة، حيث تتقلص أحجام النفايات المشعة، وتتحول قواعد الكائنات الحية الطويلة الأجل إلى وقود بدلا من الخصوم.
التحديات التقنية واستراتيجيات التخفيف
مراقبة النشاط والسلامة من أجل الإطلاق
(أ) [أعظم التحديات التي تواجه أي مفاعل نووي فضائي هو ضمان بقاءه دون حرج أثناء حادث إطلاق، مع تحقيق سرعة البدء مرة واحدة في المدار أو على السطح.
تدهور المواد تحت الإشعاع والتمهيد
وتتسبب النيوترونات السريعة في أضرار أكبر للمواد الهيكلية من النيوترونات الحرارية، كما أن الرش والتورم والزباب أكثر وضوحا، لا سيما في درجات الحرارة العالية التشغيل اللازمة لتوليد الكهرباء بكفاءة، وتحتاج مركبات الفلور ذات المدار الثابت في الفضاء إلى سبائك متقدمة (مثل الصلب المسبب للاضطرابات في الأوكسيدي، أو السبيكة المحتوية على الفلور، أو المعادن الفلورية المحتوية على النيوم)
رفض الحرارة في فاكوم
وفي الفضاء، لا يمكن رفض الحرارة إلا عن طريق الإشعاع، إذ يجب أن يرفض المفاعل كمية حرارية كبيرة (تعادل 2-4 مرات في الطاقة الكهربائية) عن طريق أجهزة الإشعال، وتتيح درجات الحرارة العالية أجهزة الإشعاع الأصغر (بما أن مستويات الإشعاع الحراري تبلغ مقياساً T4).
إدارة المبردات المعدنية السائلة
وفي الجاذبية الصغرية، يصبح تدفق المعادن السائلة والفصل غير قابلين للتلف، إذ يجب إزالة فقاعات الغاز (من الانشطار أو التحلل الإشعاعي)؛ ومع ذلك فإن المضخات الكهرومغنطيسية التي لا توجد بها أجزاء متحركة، ويجب تجنب تجميد التبريد أثناء فترات السواحل أو بعد إغلاقها، مما يتطلب تسويات منخفضة السعر (مثلا، ناك، وساد الأرض الحادة).
انطباق على بعثات فضائية محددة
محطة أرضية للقاعدة القمرية والمريخية
الطاقة الشمسية متقطعة على القمر (14 ليلة) وضعف على المريخ أثناء العواصف الغبارية، يمكن لمفاعل متعدد الكيلوتات السريع أن يوفر طاقة مستمرة للموائل، ودعم الحياة، ومصانع الإيسو، والأدوات العلمية، وقدرة التوليد تعني أن مفاعلاً واحداً يمكن أن يبذر مفاعلات أصغر حجماً مبنية من المواد المحلية إذا لزم الأمر.
:: إنتاج الكهرباء النووية
قوة عالية من القوة الوطنية هي مفتاح تخفيض أوقات السفر إلى المريخ وما بعده، واثنين من المحركات الكهربائية التي تعمل بالكهرباء (مثلاً، تأثيرات القاعة أو محركات الأيوني المزودة بالشبكة) يمكن أن تقطع رحلة ذهاباً وإياباً إلى المريخ من 900 يوم (كيماوي) إلى أقل من 500 يوم، وتكفل ممتلكات المولدات أن يعمل المفاعل على مستويات عالية من القوة الخاصة بالبعثة بأكملها دون إعادة الوقود.
بعثات أعماق البحار والقنابل الخارجية
وبالنسبة للمشتريات، والزحل، وما بعده، فإن الإشعال الشمسي ضعيف جداً بالنسبة للصفائف الشمسية، إذ أن المولدات الكهربائية الحرارية للنظائر المشعة تقتصر على بضع مئات من الخردل، ويمكن لمفاعل سريع للتوليد أن يوصل عشرات إلى مئات الكيلوات، مما يتيح الاتصالات ذات النطاق الترددي العالي، أو رسم خرائط رادارية قوية، أو حتى عمليات رباعية سطحية على نحو 100 من عمليات التر.
إنتاج الوقود في الفضاء الخارجي ونظم بيمودال
ويمكن لمولد سريع على متن محطة فضائية أو مستودع للوقود أن ينتج البلوتونيوم من اليورانيوم 238 مشحنا من الأرض أو ملغومة من إعادة استخدام القمر (التي تحتوي على آثار اليورانيوم) ويمكن لهذا البلوتونيوم أن يولد طاقة خام أصغر أو مسخنات نظائر نظائر نظائر نظائر إذاعية، كما أن نظما ثنائي الموصل الحراري النووي مع توليد الطاقة الكهربائية يمكن أن تكون قابلة للحرق:
الاتجاهات الحالية للبحث والمستقبل
"الـ "كيلو" و "الكيلو" المتطورة
(النظام الكهربائي (الكهرباء) (النظام (الكهرباء) (الكهرباء) (النظام الكهربي (الكهرباء) ((النظام المغناطيسي ((النظام (النظام (الفلوري))) (((الإندروجين))))) (((((((((الإنجاب))))))
الجهود الدولية
روسيا لديها مفاعل سريع و
NASA Space Nuclear Propulsion]
المواد المصنّعة والمتطورة
3Dطباعة الجيولوجيا الأساسية المعقدة، والدبابيس التي تحتوي على الوقود مع التخصيب المصنف، والأنابيب الحرارية يمكن أن تقلل من تعقيدات الكتلة والتجمّع في مجال FBR. وتوضع المعادن المرتجلة التي تطبع في مبادلات الحرارة والدروع الإشعاعية في عدة جامعات، ويمكن لهذه التكنولوجيات أن تتيح إنشاء نظام سريع للتوليد في غضون العقدين المقبلين.
خاتمة
وتوفِّر مفاعلات التكاثر السريع مزيجاً جذاباً فريداً من كثافة الطاقة العالية، والالاكتفاء الذاتي بالوقود، والحياة التشغيلية الطويلة لتطبيقات الطاقة النووية الفضائية، وفي حين أن تطوير الفلوروكربون البري قد ركّز على وحدات تجارية كبيرة، فإن التصميمات الفضائية الخاصة يمكن أن تكون مدمجة، ومقلدة، وأن تُحسَّن إلى أقصى حد السلامة والموثوقية في بيئة الفضاء القاسية، فإن القدرة على تحويل اليورانيوم - 238 إلى وقود أن تؤدي إلى كميات كبيرة إلى مواد إشعاعية يجب أن تقلل إلى كميات كبيرة من المواد المشعة
ولا تزال هناك تحديات في علوم المواد، والتعامل المبرد في الجاذبية الصغرية، وسلامة الإطلاق، وتجهيز الوقود النووي في الفضاء، غير أن النهوض ببرامج البحوث في ناسا، ووكالات الفضاء الدولية، والمختبرات الوطنية، يتصدى بصورة مطردة لهذه العقبات، فمع أن البشرية تتجه إلى الفضاء، فإن المفاعل الوليد السريع - وهو تكنولوجيا كانت مصممة أصلا لاستدامة الطاقة الأرضية - قد يصبح مصدرا لا غنى عنه للطاقة من أجل المستوطنات والدفع والاكتشاف العلمي.