احتمال حدوث مفاعلات نيترون سريعة للحد من مخزونات النفايات النووية

التحدي المتنامي للنفايات النووية

إن تراكم الوقود النووي المستهلك منذ عقود من توليد الطاقة التجارية يمثل أحد أكثر التحديات البيئية والأمنية المستمرة في العصر الذري، إذ أن معظم الدول تخزن حاليا هذه النفايات العالية المستوى في المرافق الهندسية، وتخطط للتخلص النهائي من النفايات الجيولوجية العميقة - وهو حل يتطلب احتواء مئات الآلاف من السنوات، بينما تنمو النظائر المشعة التي تدوم طويلا، ولا سيما العناصر العابرة للأنواع مثل البلوتونيوم، والزبد، والسيليوم.

ما هي المفاعلات النيترونية السريعة؟

وتشكل مفاعلات النيوترونات السريعة طبقة متميزة من مفاعلات الانشطار النووي المصممة للحفاظ على تفاعل متسلسل باستخدام النيوترونات عالية الطاقة، مقابل النيوترونات الحرارية المستخدمة في مفاعلات المياه الخفيفة وغيرها من التصميمات التقليدية، والخصائص المحددة لجهاز التحكم في الطاقة النووية هي عدم وجود مادة موصلية حرارية - مادة مثل الماء أو التباطؤ.

إن الفيزياء الكامنة وراء المفاعلات السريعة هي أمر حاسم بالنسبة لإمكانياتها في مجال خفض النفايات، وفي الطيف السريع، فإن احتمال حدوث انشطار لبعض النظائر الثقيلة، ولا سيما البلوتونيوم - 239 والخامس، هو أكثر ارتفاعاً بكثير مقارنة بتلقي ردود الفعل التي تخلق نظائراً ذات كتلة أعلى، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للنيوترونات السريعة أن تحول المواد الخصبة بصورة فعالة مثل اليورانيوم - 238 (التي تُعدد اليورانيوم - 99٪)

وقد بدأ تطوير المفاعلات السريعة في الأربعينات والخمسينات، حيث حقق أول مفاعل سريع تجريبي، هو كلمينتين، أهمية حيوية في الولايات المتحدة في عام 1946، وقد قاد الاتحاد السوفياتي في وقت لاحق العالم في مفاعلات سريعة عاملة، حيث تركز مفاعل الطاقة الكهربائية BN-350 (1973) و BN-600 (1980)، بينما كانت هذه المفاعلات الأخيرة تعمل اليوم.

التصميم الأساسي واختيارات التبريد

ونظراً لأن النيوترونات السريعة تتطلب نواة كثيفة ذات مخزون انشطاري مرتفع ودرجة حرارة عالية، فإن المفاعلات السريعة تعتمد على المبردات التي لها خصائص ممتازة لنقل الحرارة ومتوسط منخفض للنيوترونات، وقد تم تطوير ثلاث تكنولوجيات رئيسية للتبريد وثبتها على نطاق واسع، وهي: الصوديوم السائل، والرصاص (أو الرحمي) وغاز الهيليوم، وكلها يعرض مبادلات مميزة.

(ب) إن أكثر المبردات سرعة استخداماً، مع عقود من الخبرة التشغيلية في روسيا (BN-600/BN-800)، وفرنسا (Phénix, Superphénix)، واليابان (Joyo, Monju)، والهند (FBTR)، وتتوفر لدى الصوديوم نقطة مرتفعة من التصرّف المُعتدل (83°C)، وهي تمثل ثغرة معتدلة في مجال المياه العذبة.
Lead or Lead-Bismuth Eutectic:] Lead-based coolants offer safety advantages over sodium because they are chemically inert in air and water, eliminating the risk of energetic reactions. LBE has been used in Russian submarine reactors (Alta-class) and is generation for several gad
(ب) استخدام المفاعلات السريعة المحتوية على الغازات في الضغط العالي كمبرد، مما يتيح تشغيل الدراجات المباشرة في درجات الحرارة فوق 850 درجة مئوية، مما يتيح كفاءة عالية في الديناميكا الحرارية والتطبيقات الحرارية المحتملة، وتكنولوجيا الترددات العالمية أقل نضجاً من التربة أو الرصاص، ولا تعتبر خيارات متقدمة في مجال الوقود.

وفي جميع تصميمات القوات النووية الرواندية، يجب أن تتحمل جمعيات الوقود ارتفاع معدلات التدفق ودرجات الحرارة في النيوترونات، وتشمل خيارات الوقود الأوكسيدات المختلطة (المعقود، وكمية من اليورانيوم وأكسيد البلوتونيوم)، والسك الحديدية المعدنية (التصميم التجاري لليورانيوم - البلوتونيوم - الزيركونيوم)، وقود الكاربيد أو النتريد، وقد أظهرت وقود الفولطوم العالي

How Fast Neutron Reactors Reduce Nuclear Waste

أما القدرة على خفض النفايات في المفاعلات السريعة فهي ناتجة عن قدرتها على نقل العناصر التي تتخلل فترة طويلة من الزمن والتي تهيمن على السمية المشعة للوقود النووي المستهلك، وعندما يعاد معالجة الوقود المستهلك من المفاعل الحراري، فإن ما يقرب من 96 في المائة من الكتلة هي اليورانيوم (عادة ما يكون اليورانيوم - 238)، و 1 في المائة هي منتجات البلوتونيوم - 2.3 في المائة هي منتجات غير سمية (مثل الأيزومرك-137).

في طيف النيوترونات السريع، يمكن أن تُشَوَّل هذه الحركات بكفاءة، وتحولها إلى مزيج من منتجات الأنشطار القصيرة الأجل، على سبيل المثال، إنّ تَفْشُّرُ ذرة واحدة من البلوتونيوم-239 يُطلق نحو 200 مي في من الطاقة، وتُنتج نواة أصغر حجماً، عموماً، تكون نصف عمر من عقود أو أقل.

إغلاق دورة الوقود النووي

A closed fuel cycle, in which spent fuel is reprocessed to recover plutonium and other transuranics for reuse in fast reactors, is the key to both waste reduction and resource efficiency.
]

ويمكن لتكنولوجيات إعادة المعالجة، مثل عملية إعادة البناء، فصل البلوتونيوم واليورانيوم عن منتجات الانشطار، غير أنه لتحقيق تخفيض كبير في النفايات، يلزم اتباع أساليب انفصال متقدمة )مثل GANEX، SANEX( لاستخراج جميع المواد عبرورانيات معا دون عزل البلوتونيوم وحده - وهذا يحول دون وجود شواغل تتعلق بانتشار الأسلحة ويغذي خطة متعددة للتفكيك.

الأثر الكمي على كميات النفايات

وعلى الرغم من أن الدراسات التي أجراها الوكالة الدولية للطاقة الذرية والمختبرات الوطنية، فإن أسطولاً من المفاعلات السريعة العاملة في دورة مغلقة يمكن أن يقلل من كمية النفايات العالية المستوى التي تتطلب التخلص الدائم من خلال أكثر من 90 في المائة مقارنة بدورة ذات مستوى عال من النفايات، وأن حجم النفايات العالية الودائع من دورة الوقود المغلقة التي تستخدم فيها القوات الوطنية الرواندية سيكون أكبر من إنتاج مستنفد.

ألف - مزايا المفاعلات الجديدة السريعة لإدارة النفايات

فالمزايا الرئيسية التي تتمتع بها القوات النووية الرواندية تتجاوز الحد من النفايات وحدها، إذ إن قدرتها على استخراج جميع الطاقة تقريبا من موارد اليورانيوم والثوريوم تجعلها حجر الزاوية للطاقة النووية المستدامة، كما أن ما يلي هو مستحقات رئيسية.

Transuranic Burn-Up:] Under optimized fast neutron irradiation, a single FNR can burn more than 30 kg of transuranic elements per to to tonne of spent fuel processed. In a 1,000 MWe FNR, that translates to roughly 50-100 kg per year of minor actinides fuel destroyed, depending on core design and
Reduced Mining and Milling:] by reusing recycled fuel and converting U-238 into new emission material, fast reactors reduce the need for new uranium mining by a factor of 50-100 compared to once-through reactors. This minimizes the environmental impact of ore extraction, processing, and tailings management at mine sites.
Reduced Long-Term Storage requirements:] With waste radiotoxicity drop to the level of natural uranium ore within 200-500 years instead of 200,000-000000000 years, the burden on a geological repository is vastly diminished. This means fewer repositories are needed, and they can be designed with simpler, more passive safety features.
Flexibility in Fuel Composition:] يمكن البدء في مفاعلات سريعة على اليورانيوم المخصب، أو موكس، أو حتى الوقود البلوتونيومي النقي، ويمكن الانتقال تدريجيا إلى الوقود الذي يحتوي على كميات متزايدة من المواد الصنعية الثانوية، ويتيح هذا المرونة إدخالا تدريجيا مع تطوير الهياكل الأساسية لإعادة المعالجة.
Potential for Disposing of Weapons-Grade Plutonium:] Fast reactors can serve as a secure and productive means to consume surplus weapons plutonium, converting it into energy while making it inaccessible for weapons use. The US and Russia have both explored this option under non-proliferation agreements, though political challenges remain.

التحديات والحواجز أمام نشر النيوترونات السريع

وعلى الرغم من هذه المزايا الجبارة، لم ينشر أي بلد بعد مفاعلا تجاريا سريع التشغيل أساسا لترجمة النفايات، ولا تزال هناك عقبات تقنية واقتصادية ومؤسسية عديدة.

التحديات التقنية

Materials Degradation:] The high-energy neutron flux in fast reactors is roughly 10 times more damaging to structural materials than in thermal reactors. Stainless steels and nickel-based alloys experience swelling, embrittlement, and shake at elevated temperatures.
Sodium Handling and Safety:] While sodium coolant offers superior heat removal, its chemical reactivity requires complex engineering solutions: middle sodium cycles to isolate the turbine, inert cover gases, and systems to detect and suppress sodium fires. The Japanese Monju reactor was closed for over a decade after a sodium leak in 1995,
(ب) إن الوقود المصنع الذي يحتوي على الزنزانة والكريمة يشكل تحديات فريدة، وهذه المواد مشعة للغاية وتتطلب مناولة عن بعد في خلايا ساخنة محمية، ولا سيما أم-241، وهي تبث أشعة غاما قوية، مما يجعل إدماجها في شرائح الوقود أمرا صعبا.
Core Control and Safety:] Fast reactors have a smaller prompt neutron fraction and a positive sodium void coefficient in some designs, meaning that loss of coolant can increase reactivity. Modern designs incorporate passive safety features such as gas expansion modules, control rod drive lines with gravity drop, and inherent feedback mechanisms to ensure reactor shutdown without action scenario

الحواجز الاقتصادية والتنظيمية

والمفاعلات السريعة هي في جوهرها أكثر تكلفة لبناء مفاعلات المياه الخفيفة بسبب الحاجة إلى جدران سميكة، ومخزونات كبيرة من المبردات، ونظم نقل حراري وسيطة، ومرافق صيانة عن بعد، وتقدر تكلفة رأسمال مفاعل سريع مُعمد الصوديوم بنسبة 30-50% أعلى من مكافئ مكافئ للملوثات العضوية الثابتة، حتى بعد أن كانت آثار التعلم، وقد أعاقت فترات البناء الطويلة وعدم اليقين التنظيمي الاستثمار الخاص، حيث تعتمد معظم المشاريع على التمويل الحكومي.

وقد وضعت أطر تنظيمية في معظم البلدان للمفاعلات الحرارية، وقد لا تعالج على نحو ملائم السمات الفريدة من نوعها في سيناريوهات التبريد الصوديوم، ولا سيما سيناريوهات الحوادث المبردة واستخدام الوقود المعاد تدويره المحتوي على مواد صغيرة، ويمكن أن يستغرق إصدار التراخيص لمفاعل سريع من نوع واحد من أجل التشغيل التجاري عقدا أو أكثر، كما يتبين من ذلك في الولايات المتحدة مع بيان مشروع الترخيص الخاص بنهر كلينكور لعام 1983.

برامج المفاعلات السريعة الحالية حول العالم

ولا تحتفظ سوى حفنة من الدول ببرامج نشطة لتطوير المفاعلات السريعة، ولكن تلك التي ترى أن التكنولوجيا أساسية لاستراتيجياتها الطويلة الأجل في مجال الطاقة والنفايات.

(ب) إنَّ الأمة الرائدة في نشر المفاعلات السريعة، وقد بدأ تشغيلها منذ عام 1980، كما بدأ تشغيل أسطول أكبر من طراز BN-800 (880 MWe) في عام 2016، حيث كان من المقرر أن يستعمل مبرد الصوديوم، وقد صُمم BN-800 خصيصاً لحرق البلوتونيوم والوقود الخفيف الـ 300.
India:] India operates the 40 MWt Fast Breeder Test Reactor (FBTR) at Kalpakkam since 1985, using a mixed carbide fuel. The 500 MWe Prototype Fast Breeder Reactor (PFBR) is under construction and expected to reach criticality shortly, with plans for a fleet of six additional fast reactors.
China:] China has the 65 MWt China Experimental Reactor (CEFR) in operation since 2010, used for materials and fuels testing. A 600 MWe China Demonst Remonstration Fast Reactor (CDFR) is under development, with construction expected to start in the late 2020s. China is also working on a lead-bismuth fast reactor).
Japan:] After the Monju reactor was permanently closed in 2016, Japan maintains the Joyo test reactor (100 MWt) for irradiation studies and continues research on sodium-cooled and lead-bismuth fast reactors through the Japan Atomic Energy Agency (JAEA), focusing on waste transmutation.
United States:] No operating fast reactors since EBR-II (shutdown 1994) and FFTF (shutdown 1992). However, the US Department of Energy is funding the Natrium reactor (a 345 Mwe sodium-cooled fast reactor with an integrated molten salt storage system) developed by TerraPoor Construction Retachi,
France:] Phénix and Superphénix are both decommissioned. The ASTRID project, intended to demonstrate waste transmutation, was cancelled in 2019. France now focuses on advanced PUREX re processing technology and supporting international fast reactor development through CEA and Framatome.

وتواصل المنظمات الدولية مثل المنتدى الدولي المعني بالتجديدات () تنسيق البحوث السريعة للمفاعلات فيما بين البلدان الأعضاء، مع التركيز على السلامة والاستدامة وعدم الانتشار، وتحتفظ الوكالة الدولية للطاقة الذرية بقواعد البيانات وتنظم مؤتمرات لتيسير تبادل المعارف.

مستقبل القوات النووية في استراتيجية إدارة النفايات

ومن المرجح أن يتم إدماج المفاعلات النيوترونات السريعة في النظم الوطنية لإدارة النفايات على مراحل، أولا، ما زالت عمليات إعادة تصنيع النفايات الحالية تعمل في حين يخزن الوقود المستهلك في انتظار إعادة المعالجة، ثانيا، بناء محطات تجريبية لإعادة المعالجة لفصل مفاعلات النقل الجوي من الوقود المستهلك في LWR، ثالثا، يمكن اختلاق الفرنكات المنفصلة في وقود البدء للمفاعلات السريعة من النوع الأول.

وسيتطلب البقاء الاقتصادي بناء مفاعلات سريعة في سلسلة من أجل استخلاص آثار التعلم واقتصادات الحجم الأمثل للأسطول يتوقف على كمية الوقود المستهلك التي ستستهلك والمعدل الذي تولد فيه نفايات جديدة من مخلفات الحرب، ويشير نموذج وكالة الطاقة النووية التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي إلى أن الجمع بين إعادة المعالجة والمفاعلات السريعة يصبح منافسا من حيث التكلفة مع التخلص من الوقود بمجرد ارتفاع أسعار اليورانيوم إلى ما يزيد على نحو ١٢٠ دولارا من اليورانيوم )أي أن أسعار الصرف الحالية تقارب(.

ولا تزال الشواغل المتعلقة بعدم الانتشار تشكل عقبة، إذ إن دورة الوقود المغلقة التي تنطوي على تدفقات البلوتونيوم النقي تثير مخاطر الانتشار، كما أن عمليات الفصل المتقدمة مثل سلسلة " يوريكس + " تهدف إلى إبقاء البلوتونيوم مختلطا مع الكائنات الحية الصغيرة - وهذا البلوتونيوم " المُعدّد " أقل جاذبية لاستخدام الأسلحة لأنه يتطلب فصلاً معقداً لفصل اليورانيوم المُزعَمَاًاً على المُه.

وسيتوقف قبول الجمهور والمنظم على أداء السلامة المثبت، وقد تراكمت في الوقت الحالي بين BN-600 و BN-800 على مدى 80 سنة من التشغيل الآمن، مما يوفر سجلا قويا في مسار العمليات، وسيلزم أيضا تكرار مشاريع البيان العملي المقررة في الولايات المتحدة والهند والصين في بيئتها التنظيمية، كما أن تدريب جيل جديد من المهندسين والمشغلين على مناولة الصوديوم والفيزياء السريعة للمفاعلات أمر أساسي.

خاتمة

إن المفاعلات الجديدة السريعة توفر أداة ناضجة من الناحية التقنية وقوية من الناحية المادية لخفض مخزونات النفايات المشعة التي تراكمت منذ فترة طويلة من عقود من توليد الطاقة النووية، ومن خلال فتح دورة الوقود المستنفد التي تُعاد معالجة الوقود المستهلك، ومن ثم فإن العناصر العابرة لليورانيوم قد تُغلق، ويمكن أن تتقلص حجم النفايات العالية المستوى التي تتطلب التخلص من النفايات الجيولوجية بنسبة تصل إلى 90 في المائة، وأن تخفض من العمر المتوقع