Table of Contents
مقدمة
وتشكل المفاعلات السريعة حجر الزاوية في نظم الطاقة النووية المتقدمة لأنها يمكن أن تستخرج طاقة أكبر بكثير من اليورانيوم الطبيعي من المفاعلات الحرارية التقليدية، مع الحد من السمية المشعة الطويلة الأجل للنفايات العالية المستوى، ووسط التشغيل الآمن والموثوق لهذه المفاعلات هو القدرة على إبقاء اللب في مبردات كافية في جميع الظروف، من التشغيل الكامل العادي إلى سيناريوهات الحوادث الملصقة، وقد أحدثت التطورات في تصميم نظام التبريد الأساسي تحسينات هامة على السلامة.
The Fundamentals of Fast Reactor Core cooling
وتعمل المفاعلات السريعة مع طيف نيوترونات لا يعتدل، مما يتطلب مبردا لا يبطئ كثيرا من النيوترونات، والفلزات السائلة هي طبقة التبريد المفضلة لأنها تجمع بين معدل الازدواج المنخفض للنيترونات مع ارتفاع درجة السلوك الحراري ونقاط الغليان، والمرشحين الثلاثة المبردين الرئيسيين هم الصوديوم والرصاص والحرارة.
الصوديوم كبش فداء
وقد كان الصوديوم أكثر المبردات استخداما في المفاعلات السريعة التجريبية والنموذج الأولي، بما في ذلك BN-600 ومفاعل فييكس، وقد أدى ارتفاع معدل التمرين الحراري (نحو 70 دبليو/م) في درجات حرارة تشغيل المفاعلات) ونقطة الانصهار المنخفضة (97.7 درجة مئوية) إلى التمكين من نقل الحرارة بكفاءة في طاقة ضخ متواضعة، غير أن التصريف المتطور للسودرويوم يستدعي نقلاً وسطياً.
الرصاص والبدائل
وتُعدّ الرصاص والمركبات الصغيرة والمتوسطة بدائل جذابة بسبب عدم وجودها الكيميائي مع الماء والهواء، مما يزيل خطر ردود الفعل العنيفة، حيث إن ارتفاع نقاط الغسيل (الرصاص: 1749 درجة مئوية؛ ونسبة مئوية من الوزن المنخفض: 1670 درجة مئوية) تسمح بالعملية في ضغط الغلاف الجوي، وتبسيط النظام الأساسي، والحد من احتمال وقوع حوادث تآكل في المعاطف، والتحديات الرئيسية هي زيادة في كمية الفولاذ الهيكلي من خلال الرصاص.
نظم التبريد السلبي: تخفيض الاعتماد على المكونات النشطة
ومن التطورات الرئيسية في سلامة المفاعلات السريعة تطوير نظم إزالة التحلل المتقلبة التي تعمل بدون مضخات أو صمامات أو طاقة كهربائية نشطة، وتعتمد هذه النظم على التداول الطبيعي الذي يحركه الخريجون الكثافة والرأس الجاذبية، مما يوفر هوامش الأمان المتأصلة.
Reactor Vessel Auxiliary Coling System (RVACS)
وفي مفهوم " RVACS " ، تنقل حرارة الديعة من سفينة المفاعل عن طريق الإشعاع والارتباط الطبيعي إلى سفينة احتواء خارجي، وترفض بعد ذلك الحرارة إلى الهواء المحيط عن طريق كومة، وهذا النظام سلبي تماما: لا توجد مضخات، ولا توجد حاجة إلى إجراء تشغيل، ولا توجد حاجة إلى اختبارات خارجية، وقد يتضمن تصميم " برنامج " كربونات الطاقة المتجددة " (Getactor Innovative Small Module) الذي وضعته شركة
نظام التكرير الإضافي المباشر للمفاعلات
ويضم هذا المفاعل مجموعة من المفاعلات إلى حلقة خارجية من حلقات التداول الطبيعي من خلال مبادلات حرارية مخصصة مجهزة في مجمع التبريد الساخن، وتنتقل الدائرة الحرارة إلى مغسلة حرارة هواء أو ماء، ويمكن لهذا النهج أن يحقق معدلات أعلى من معدلات إزالة الحرارة في دائرة المركبات الفضائية لأن مبادلات الحرارة تُوضع على مقربة من القاع، ويُستخدم مفاعل بحوث التحلل المتعدد الأطراف (مرفق التصفيف السريع المبرد) جزءا من مضخة.
دورة طبيعية في الموقع الرئيسي
وبالإضافة إلى نظم إزالة التحلل المكثف، تستغل تصميمات المفاعلات السريعة الحديثة التداول الطبيعي في حلقة التبريد الرئيسية نفسها، وأثناء العملية العادية، لا تزال المضخات تبرد من خلال اللب، وإذا فشلت المضخات، فإن الفرق في الكثافة بين المخارج الرئيسية الساخنة والغطاء الأعلى المبرد يخلق مساراً للتدفق الطبيعي، وهذه الظاهرة تسمح للركيزة بأن تحافظ على التبريد الكافي لفترات طويلة دون طاقة مضخ.
تحسين عمليات تبادل الحرارة: تحسين الأداء الحراري
وحتى مع التداول السلبي، تؤثر كفاءة مبادلات الحرارة تأثيرا مباشرا على الحرارة القصوى التي يمكن إزالتها وعلى هوامش درجات الحرارة في القاع، وقد حققت الابتكارات الأخيرة في تصميم مبادلات الحرارة تحسينات ملحوظة في الارتداد، والمنطقة السطحية، ومقاومة الإغراق.
مبادلات صوتية مطبعية
PCHEs are fabricated by chemically etching flow channels into metal plates and then diffusion — — this construction yields extremely high surface tovolume ratios (up to 700 m ⁇ /m ⁇ ) and can withstand pressures beyond 500 bar. For fast reactor applications, PCHEs made from corrosionresistant nickel alloys or oxidedis
مبادلات شلن و توب مع التوبيز المعززة
ويجري تحسين تصميمات القصف التقليدي من خلال استخدام الأنابيب ذات الصبغة الوبائية الداخلية، أو إدخالات أشرطة ملتوية، أو أسطح مقلدة تعطل طبقة الحدود الحرارية وتزيد من معامل نقل الحرارة بنسبة 30 إلى 50 في المائة، وفي النظم المحتوية على الصوديوم، تساعد هذه التحسينات على تعويض ارتفاع درجة الحرارة المنخفضة عبر مبادلات الحرارة الوسيطة (IHX) وتتيح تصميماً أكثر ترابطاً.
تخزين الطاقة الحرارية كبائعة كبد
وتشمل بعض مفاهيم المفاعلات السريعة نظاماً لتخزين الطاقة الحرارية يستوعب الحرارة الزائدة أثناء عمليات النقل أو عندما يكون التربين خارج الخط، ويمكن أن تكون وسيلة التخزين ملحاً أو معدنياً أو سماً صلباً، وأثناء العملية العادية، يمكن أن يؤدي تحويل جزء صغير من الحرارة الأولية إلى التحلل التضاريس إلى سدة الحلقة الثانية ويقلل من الصدمات الحرارية في التربين.
مواد التبريد المتطورة والتكليف
ولا يزال التآكل والتحويل الجماعي للمناهج الهيكلية إلى المبرد أهم آليات التحلل الطويل الأجل في المفاعلات السريعة، كما أن التقدم في مراقبة الكيمياء المبردة واختيار المواد أمر أساسي للحفاظ على أداء التبريد الأساسي على مدى فترة تصميم مدتها 60 عاما.
Oxygen-Controlled Lead and LBE Colants
(ب) بالإبقاء على تركيز للأكسجين في الرصاص المُنَوَّل أو LBE (يُعتبر من الناحية العملية ما بين 10 -6) و10 ) وشكل طبقة أكسيد الكبريت النحيلية على أسطح الصلب، وهذه الطبقة تعمل كحاجز للنشر يخفض معدل البحث عن طريق أوامر التآكل.
المحار العالية الارتداد وأجهزة المواد المستنفدة للأوزون
(أ) الفولاذ الممزق من نوع (أكسايد) الذي يُصنع من خلال الرش الآلي لليتريا النانوب في مصفوفة خصبة أو مارتينسيتية، ويُظهر مقاومة قوية وقوامها في درجات حرارة تصل إلى 700 [(FLT:0]o .
أخصائية كيميائيّة رائعة في مجال الصحة الذاتية
(أ) بحث جديد يستكشف مفهوم مبردة مائلة من نوع " السائل " يمكن أن تصليح طبقات أكسيد السائل في الوقت الحقيقي، مثل الإضافات الصغيرة من السيليكون أو الألومينوم إلى LBE يمكن أن تشكل هامشاً ثابتاً من مشروع SO(2) أو " FLT:2]
إدماج السلف: استحقاقات السلامة والقبول التنظيمي
وعندما يتم الجمع بين التبريد السلبي، والمبادلات الحرارية المعززة، والمواد المبردة المتقدمة، فإن النتيجة هي نظام التبريد الأساسي الذي يتجلى فيه أكثر من أي تسامح في حالات الفشل والحمولات الشديدة.
انخفاض معدل الضرر الأساسي
(ب) تقييمات السلامة الافتراضية لتصميمات المفاعلات السريعة المتقدمة مثل مشروع جيهيتاتشي PRISM وشركة ويستينغهاوس المحدودة لتردد الأضرار الأساسية التي تقل عن 10 -7 لكل مفاعل في السنة، وهو نظام يقل حجمه عن نظام المفاعل الحالي لمياه الخفيف، ويجعل معظم التسلسلات المؤثرة في المخاطر تنطوي على فشل في إزالة المواد الخاملة
قضية السلامة المبسطة
وتعترف الهيئات التنظيمية، مثل لجنة الرقابة النووية بالولايات المتحدة، والآلية الفرنسية للتشغيل الآلي (S.S.N.) بوضع أطر لمنح التراخيص للمفاعلات المتقدمة تركز بشكل أكبر على الأداء المحدد بدلا من إعادة تجديد النظام النشط المعقد، ويبسط استخدام نظم التبريد السلبية حالة السلامة لأنه لا توجد عناصر أقل للترخيص أو تحد من المبادرين.
وقت التكتل الموسع
ومن أكثر السمات جاذبية للتبريد السلبي فترة التشغيل الطويلة التي توفر دون إجراء تشغيلي، وفي تصميم نظام RVACS لنموذج مدمج من 150 ميغاواط، تبين التحليلات أن المفاعل يمكن أن يحافظ على درجات حرارة أساسية دون 650 [يؤكد: 0]]]o ]C لمدة تزيد على ثمانية أيام بعد انقطاع المحطة الكاملة، على افتراض عدم وجود أي تغيير في التخطيط أو الدعم الخارجي.
دراسات حالة عن نظم التبريد المتقدمة في المفاعلات العاملة والمخطط لها
The PRISM Reactor (USA)
The PRISM reactor module, designed by GE Hitachi, is a 311 MWt sodium‐cooled pool- --link of relies exclusively on passive decay--heat removal. The RVACS provides the ultimate heat sink through the reactor vessel wall, while an medium — NatoNa cycle transfers heat to the steam birth. All auxiliation systems are located above the reactor- circulational
مشروع إعادة التأهيل (بلجيكا)
أما مرفق البحوث الهجينة المتعددة الأغراض في مجال التطبيقات التقنية العالية فهو نظام مسرع مبرد ومخطط له في المركز البلجيكي للبحوث النووية، ونظام التبريد الأساسي الذي يشمل مضخة أولية، ونظاماً مصمماً ومخصصاً للتبريد الجوي، ونموذجاً ثانوياً للتبريد، ونموذجاً للتبريد من نظام تبادل المعلومات بشأن المواد الكيميائية لعام 2020.
التصميم المفاهيمي (فرنسا)
(أ) تطوير مفهوم [الطاقات البديلة الفرنسية ولجنة الطاقة الذرية (Advanced Sodium Technological Remonstration) باعتباره مفاعلاً سريعاً يبلغ 600 ميغاواط ويحتوي نظام التبريد الأساسي في ASTRID على مسارات إزالة حرارة نشطة وسارية، ويستخدم نظام إدارة الموارد البشرية (المسمى REX) التداول الطبيعي للسودة والجو
التحديات القائمة وتوجيهات البحوث
ورغم التقدم المثير للإعجاب، لا تزال هناك عدة تحديات تقنية قبل أن يتم نشر نظم التبريد المتقدمة تجاريا على نطاق واسع، إذ أن المواد الهيكلية ذات التقلبات العالية التي تناسب عمر 60 عاما في المبردات التآكلية لم تكن مؤهلة تماما بعد، ولا يزال الاستقرار الطويل الأجل في معاطف الأوكسيد تحت الإشعاع قيد التحقيق، كما أن خفض التكاليف في تصنيع مبادلات الحرارة، ولا سيما بالنسبة للمركبات الهيدروجينية في محطات التبريد الكبيرة، لا يزال يشكل عقبة اقتصادية.
وسيتناول البحث الجاري في الفريق العامل المعني بالمفاعلات السريعة التابع للوكالة الدولية للطاقة الذرية والمنتدى الدولي للجيل الرابع هذه المسائل من خلال برامج دولية منسقة، كما أن وضع أساليب عالية الجودة لفحص المحركات المتطورة، واستخدام التعلم الآلي لتحقيق أقصى قدر من قياسات الحرارة، والبيان العملي لمنطق الرقابة المستقلة للنظم السلبية، كلها مجالات نشطة للتحقيق.
خاتمة
إن التقدم المحرز في نظم التبريد الأساسية للمفاعلات السريعة قد حسّن بشكل أساسي حالة السلامة بالنسبة لهذه الفئة الهامة من المفاعلات النووية، إذ أن نظم التبريد السريع التي تعتمد على التداول الطبيعي، والمبادلات الحرارية المعززة ذات الأداء الحراري الأعلى، والكيمياء المبردة المبتكرة التي تخفف من التآكل، ستجمع بين إنتاج تصميمات سريعة للمفاعلات تكون أكثر أمانا من سابقيها، وهذه التطورات تحد من احتمال حدوث أضرار أساسية، وتبسّد متطلبات الترخيص، وتوفّد المفاعلات