Understanding Liquid Metal Colants in Fast Breeder Reactors

وتشكل مفاعلات التوليد السريعة حجر الزاوية في التكنولوجيا النووية المتقدمة، التي تهدف إلى إنتاج وقود أنشطاري أكثر مما تستهلكه في الوقت نفسه، وهي ذات أهمية أساسية في تشغيلها نظام التبريد الذي يؤدي فيه المبردات المعدنية السائلة دوراً لا غنى عنه، وخلافاً لمفاعلات المياه الخفيفة التقليدية التي تعتمد على المياه كمدير ومبرد، تحتاج عمليات الحرق إلى وسيط لا يبطئ النيوترونات - 2.

الدور الأساسي للمبردات في مفاعلات بريدر السريعة

وفي أي مفاعل نووي، يعمل المبرد كعامل نقل حراري رئيسي، ويحمل الطاقة الحرارية من مجمعات الوقود إلى المولدات البخارية أو نظم تحويل الطاقة المباشرة، وفي عمليات التبريد، يجب أن يدعم أيضا طيفا سريعا من حيث الحرارة، حيث أن المياه، بسبب محتواها من الهيدروجين، تبطئ النيوترونات بشكل فعال للغاية، وتتسبب الملوثات الغازية مثل ضغط النيتروز المقبول ولكن تعانى من الحد الأدنى.

أنواع المبردات المعدنية السائلة

وفي حين درست عدة معادن سائلة، برزت ثلاثة منها كمرشحين رئيسيين لتطبيقات مفاعلات التوليد السريع: الصوديوم، والقيادة، والبستكتار المحتوي على الرصاص، ولكل منها خصائص مادية وكيميائية متميزة تؤثر على تصميم المفاعلات، والسلامة، والاقتصاد.

Sodium

وساديوم هو أكثر المبردات من المعادن السائلة استخداماً في عمليات الـ FBRs، بما في ذلك فينكس وسوبرنكس فرنسا، وBN-600 وBN-800، وMONju، وSoodium لديها نقطة انصهار تبلغ 97.8 درجة مئوية ونقطة غسيل تبلغ 883 درجة مئوية عند ضغط الغلاف الجوي، مما يوفر نطاقاً سائلاً واسعاً.

غير أن الصوديوم يتفاعل بقوة مع المياه والهواء - فالاتصال بالماء ينتج غاز الهيدروجين وهيدروكسيد الصوديوم، الذي يمكن أن يؤدي إلى ظروف متآكلة وتفجيرات محتملة، كما أن الاتصال بالهواء يؤدي إلى حدوث تسمّب سريع، ويشكّل هوباء أكسيد الصوديوم التي تهيج كيميائيا، ولذلك فإن مفاعلات الصوديوم المحتوية على غازات غير مُهْلة (عادة)

الرصاص والزعامة - البيزوتية

:: إن الطلقات النارية وأجهزة التحكم في الهواء، التي لا تصلح للمفاعلات السريعة المتقدمة، بما في ذلك تصميمات الجيل الرابع مثل المفاعل السريع المحتوي على الرصاص، والتي تؤدي إلى درجة عالية من الغليان (1749 درجة مئوية)، وممتلكات حمائية ممتازة ضد إشعاع غاما، وانخفاض التفاعل الكيميائي مع المياه والهواء.

أما التراجع الرئيسي للمبردات القائمة على الرصاص فهو كثافة عالية (الرصاص: 11.3 غ/كغ، 3، LBE:10.5 غ/cm3)، التي تفرض أعباء هيكلية كبيرة على سفن المفاعلات والداخليات، ويتطلب ذلك تصميماً زلزامياً وإدارة دقيقة لتحميل المضخات، وبالإضافة إلى ذلك، فإن القدرة على الارتداد إلى 21 ملازمة الفولاذ عند درجات حرارة مرتفعة، ولا سيما إذا كانت مستويات الأكسجين غير خاضعة للرقابة بعناية.

مواد أخرى من مواد التبريد

كما استكشفت البحوث البخار الصوديوم والزئبق والغاليوم وحتى الليثيوم السائل.() ولا تزال ناك (وهو برط من الصوديوم والبوتاسيوم) سوائل في درجة حرارة الغرفة، التي تبسط إجراءات البدء والإغلاق، ولكنها تحتفظ بتفاعل كيميائي للزئبق في مفاعلات تجريبية مبكرة ولكنها مهجورة بسبب السمية وسوء التوليد.

ألف - المؤثرات الحرارية - الهيدروليكية في مبردات المعادن السائلة

كما يمكن أن تتجاوز التدفق الحراري من الدبابيس الوقودية 1 ميغاواط/م2؛ ويمكن للمعادن السائلة أن تزيل هذه الحرارة باختلاف درجات الحرارة بين سطح الوقود والسوائب المبردة، مما يقلل من مساحة النقل الحراري المطلوب ويتيح زيادة كثافة الطاقة الكهربائية، وضغوط المواد الأساسية الأصغر حجما، وزيادة حروق المفاعلات.

والتداول الطبيعي هو ميزة هامة أخرى، إذ أن المعادن السائلة لها معامل توسع حراري كبير، وأن تغيرات كثافة حرارة هذه المعادن يمكن أن تؤدي إلى تدفق طبيعي قوي متجانس حتى في سرعة التدفق المنخفضة، وفي حالة إخفاق المضخ، يمكن لهذا التداول السلبي أن يزيل حرارة الدي من القاع إلى أجل غير مسمى، شريطة أن تكون مفاعلات الديوكسينات مثل BN-800 مجهزة بأجهزة لاستخراج رئيسية.

أداء الميولوترونيات والأداء المزدحم

إن اختيار المبردات يؤثر مباشرة على الاقتصاد النيوتروني لـ FBR. المبرد المثالي يجب أن يكون له تقاطع منخفض جداً لامتصاص النيترون للحفاظ على السكان النيوترونات للتوالد،

وفي الممارسة العملية، أظهرت عمليات التراكم المحتوي على الصوديوم نسبة توالد تبلغ 1.2 أو أكثر، مما يعني أنها تنتج 20 في المائة من المواد الانشطارية أكثر مما تستهلكه، ومن المتوقع أن تحقق التصاميم ذات أكسيد متطور أو وقود معدني معدلات توالد تتجاوز 1.3، بينما تكون قادرة أيضا على استهلاك البلوتونيوم الموجود وكميات صغيرة مما يجعل هذه القدرة المزدوجة من المواد ذات المستوى العالي من المواد المعدنية السائلة الضرورية لإغلاق دورة الوقود النووي والحد منها.

التحديات والحلول الهندسية

وعلى الرغم من فوائدها، فإن مبردات المعادن السائلة تمثل تحديات هندسية فريدة أدت إلى تأخير نشر القوات المسلحة الرواندية على نطاق واسع، وهذه التحديات تشمل توافق المواد، ومراقبة الكيمياء، والتأهيل، والصيانة، والسلامة.

المواد القابلة للمقارنة والتصويب

وبالإضافة إلى ذلك، فإن جميع المعادن السائلة التي تُستخدم في عمليات الأشعة المفاجئة (400-600 درجة مئوية)، يمكن حلها أو ردها بالسبائك الهيكلية، كما أن الفولاذ غير القابل للذوبان (مثلاً، 316 لتراً، و HT-9) يُستخدم عادة في مبردات الصوديوم، ولكن يجب حمايتها من التآكل عن طريق الحفاظ على مستويات منخفضة من الأكسجين (10 جزء من المليون) وتفادي.

النشاط الكيميائي

إن تفاعل الصوديوم مع الماء والهواء يتطلب أنظمة أمان واسعة النطاق، مولدات الفولط في أجهزة الفلوروكربون المُشَدَّعَة بالفولطيوم يجب أن تُصمم لمنع وكشف وتخفيف ردود فعل الماء الصوديوم، وعادة ما تكون حلقات الصوديوم الوسيطة منفصلة عن الصوديوم الأولي عن نظام البخار، مع أقراص مُبَرة و صمامات لإزالة الضغط من توليد الهيدروجين.

تصميم المضخات والتصنيع

المضخات المعدنية المسروقة يجب أن تعمل في درجات حرارة عالية وفي كثير من الأحيان في وجود حقول إشعاعية قوية، وتُفضل مضخات الصوديوم والبوليتات العائمة، لأنّها لا تملك قطعاً متحركة، وتخفض اللبس والصيانة، وتستخدم مضخات الأشعة المغنطية في مقياس كهربائي ومجالي لتحفيز قوة لورنتز مباشرة على البرودة، إلاّ أنّها أقل كفاءة من المضخات الميكانيكية عالية وتتطلب مضخات كبيرة.

الصيانة والتفتيش

ونظراً لأن المبرد يصبح مشعّاً جداً في المفاعلات المحتوية على الصوديوم، فإن صيانة المكونات داخل الأسيل تتطلب معدات مناولة متطورة من بعد، وقد يكون للعديد من المفاعلات المكلورة بالصوديوم عوامل منخفضة للتوافر بسبب صعوبات في إعادة الوقود والإصلاح، وقد تسمح المفاعلات ذات النظرة الآلية المتطورة، مع تقلب المفاعلات المبردة (باستثناء البولونيوم في LBE) بتيسير الوصول إليها، ولكن أجهزة التفتيش المرئية والكثافة العالية.

استراتيجيات السلامة والخبرة التنظيمية

وقد تم التحقيق بصورة شاملة في سلامة المفاعلات السريعة المحتوية على سائل، وذلك من خلال عقود من البحث والتشغيل، وتختلف تحديات السلامة الأولية من حيث نوع التبريد، أما بالنسبة للسوديوم، فإن الخطر الرئيسي هو حرائق الصوديوم، واحتمالات حدوث تفاعل باطلي إيجابي، حيث يؤدي غليان أو فقدان الصوديوم إلى زيادة تفاعلية، وربما يؤدي إلى حدوث فائض في الطاقة، وهذه الظاهرة تعالج من خلال تدابير التصميم الأساسية:

كما أن لدى الرصاص والمركبات الصغيرة والمتوسطة معامل تفاعلية إيجابية في الفراغ، ولكن نقطة الغليان العالية من الرصاص (1749 درجة مئوية) تجعل من المستبعد أن تُبطل التبريد حتى في ظروف الحوادث الشديدة، والخطر الرئيسي للمفاعلات المحتوية على الرصاص هو تجميد التبريد؛ ويجب أن تحافظ الحرارة الاحتياطية والمسخنة على المبرد أثناء الإغلاق.

رموز الأمان الدولية للمفاعلات السريعة مثل معايير الأمان للوكالة الدولية للطاقة الذرية ومبادئ الأمن الخاصة بالمحفل الدولي الرابع تؤكد على الدفاع بعمق واحتواء وضم تدابير الحوادث الخطيرة، وينطوي العديد من القوات المسلحة الرواندية على أجهزة الصيد الأساسية للإبقاء على الوقود المتحرك إذا حدث حدث حدث ذوبان أساسي، ومنع النزوة واحتواء المنتجات الانشطارية، كما أن حادث فوكوشيما دايشي قد حفز الاهتمام المتجدد بقدرة مشغِّل على إزالة المعادن المبردة.

التطورات الحالية والمقبلة

وتقوم بلدان عديدة بتطوير مفاعلات سريعة مجهزة بالسائل من أجل النشر القريب الأجل، وتواصل روسيا تشغيل مفاعلات ب.ن-600 وBN-800 مجهزة بالفولاذ، وتقوم ببناء مفاعل BN-1200M، بهدف القدرة التنافسية التجارية، وتعمل الهند على تشغيل مفاعل تجريبي صغير مجهز بالموجات الفوقية، وتقوم ببناء مفاعل صومالي من طراز FBRBBBFBBBBF.

في البداية، بدأت روسيا مفاعل BREST-300 المُعَلَّم بالرصاص في المركب الكيميائي السيبيري، ومشروع الاتحاد الأوروبي (نظام مُعجِّل مُعَلَّب) في التصميم، الولايات المتحدة لديها عدة مفاهيم مُعَدَّدة للارتباط السريع، مثل مُضامين ويستنغهاوس، ومشروع اختبارات (دي دي فيستايل) المُبَعَدَّة في البداية.

وتركز البحوث الجارية على الوقود المتقدم (المناشف المعدنية، والنحية، والمصفوفة غير المصحوبة)، والمواد الهيكلية المحسنة (فولاذات البوليسترات، ومركبات سي سي سي سي سي سي سي سي)، وأساليب التفتيش الأفضل أثناء الخدمة، وتطوير أجهزة الاستشعار الكيميائية لرصد الازدحام المستمر، كما أن هناك اهتماماً بتكرارات المعادن السائلة ذات دورات البناء الأساسية البالغة الأهمية بالنسبة لثاني أكسيد الكربون لتحقيق كفاءة أكبر في مجال الرخام (45 في المائة).

وتمتد إمكانات المبردات المعدنية السائلة إلى ما يتجاوز توليد الكهرباء، ويمكنها أن توفر حرارة عالية الحرارة في عملية إنتاج الهيدروجين، وإزالة الملح، والتطبيقات الصناعية، وقدرتها على حرق الميدنز، تجعلها قيمة لإدارة النفايات ومقاومة الانتشار، ومع أن الأهداف المناخية تدفع إلى طاقة حمولة أساسية خالية من الكربون، فإن مفاعلات التوليد السريعة ذات التبريد الفلزي تمثل مسارا مستداما يستخدم بالكامل موارد اليورانيوم ويقلل من النفايات الطويلة الأجل.

خاتمة

إن التبريد المعدني السائل جزء لا يتجزأ من تشغيل وسلامة مفاعلات التوليد السريعة، فالسودم والرصاص والبستاتموجات الرائدة، كل منها يوفر مزايا ومبادلات متميزة من حيث الأداء الحراري، والنيوترونات، والتفاعل الكيميائي، وتوافق المواد، وقد أدت التجارب المكثفة في تصميم الصوديوم إلى قاعدة قوية من التكنولوجيا، بينما تعد النظم القائمة على الرصاص بتعزيز السلامة الضاربة وتسهل الخلق.