وتمثل مفاعلات التوليد السريع نهجا تحوّلا في الطاقة النووية، مصمما لاستخراج طاقة أكبر بكثير من اليورانيوم الطبيعي من المفاعلات التقليدية، وبتحول اليورانيوم غير المصفوف - 238 إلى البلوتونيوم - 239، يمكن لهذه المفاعلات أن تنتج وقودا أكبر مما تستهلكه، وهذه القدرة تتوافق مباشرة مع مبادئ الاقتصاد الدائري، حيث يجري باستمرار إعادة استخدام المواد وتقليص النفايات.

ما هي المفاعلات السريعة؟

ومفاعلات التوليد السريع هي فئة من المفاعلات النووية التي تستخدم النيوترونات السريعة النيترونات التي تستخدم طاقة حركية فوق طاقة حركية واحدة تقريباً من طراز MeV-to لاستدامة تفاعل سلسلة النسيج، وهذا يختلف اختلافاً جوهرياً عن الغالبية العظمى من مفاعلات الطاقة العاملة التي تعتمد على المولدات الحرارية التي تباطأ (مزودة) إلى الطاقات الحرارية التي تستخدمها المياه أو الغرافيت أو المواد الأخرى.

إن الابتكار الرئيسي هو breeding].() ويتألف اليورانيوم الطبيعي من نحو 99.3 في المائة من اليورانيوم-238، و0.7 في المائة فقط من اليورانيوم - 235، والنظائر الذي يمكن أن يحافظ على تفاعلات السلاسل مع النيوترونات الحرارية، وفي مفاعل الماء الخفيف التقليدي، لا يستخدم إلا اليورانيوم - 235 استخداماً فعالاً، مما يترك معظم اليورانيوم - 239 في مفاعل عواد

ونسبة التوالد - كم المواد الانشطارية المنتجة لكل وحدة مستهلكة - يمكن أن تتجاوز ١,٠، عادة ما تتراوح بين ١,٠ و٢,١ في شكل مركبات مصفحة، وهذا يعني أنه يمكن، على مدى عمر المفاعل، توليد وقود إضافي لبدء مفاعلات أخرى أو إعادة تدويرها إلى صميمها، وهذه القدرة على مضاعفة الطاقة الصالحة للاستخدام من اليورانيوم بعامل يتراوح بين ٥٠ و ١٠٠ بالمقارنة مع المفاعلات الحرارية التي تعد التكنولوجيا الأساسية.

كيف أن المفاعلات السريعة تتفاوت من المفاعلات الحرارية

نوترون سبكتروم ووايل سيكل

ويكمن التمييز الأساسي في الطاقة النيوترونات، وتبطئ المفاعلات الحرارية نحو 0.025 إي في، مما يزيد احتمالية اليورانيوم-235 والبلوتونيوم-239 إلى أقصى حد، ويفضي أيضا إلى احتمال أكبر لاستخلاص المواد الانشطارية والمواد الهيكلية، كما أن مفاعلات الفستق تحافظ على النيوترونات في طاقات عالية، مما يقلل من معامل التخصيب النيوترونات.

اختيار رائع

لا يمكن أن تستخدم أجهزة التحكم بالماء كمبردة الماء هو موصل ممتاز بسبب محتوى الهيدروجين وبدلاً من ذلك تستخدم المفاعلات السريعة مبردات ذات طاقة منخفضة مثل الصوديوم السائل (الأكثر شيوعاً) و الرصاص السائل أو البرّي، و في التصميمات المتقدمة، وغاز الهيليوم أو أملاح المولتين

الاتحادات الأساسية وتصميم الوقود

إن نواة المفاعلات السريعة أكثر ترابطا من النواة الحرارية لأن المسار الحر للنيوترونات السريعة أطول، مما يتطلب كثافة انشطارية أعلى لتحقيق الأهمية، ويتكون الوقود عادة من أكسيدات مختلطة من اليورانيوم والبلوتونيوم، ولكن الوقود المعدني (مثلا، تسدّد كميات الوقود المسطحة من اليورانيوم - البلوتونيوم - الزركونيوم) أو الوقود المرتّب في مرحلة التنمية.

الاقتصاد العلماني والمواد النووية

الاقتصاد الدائري نموذج اقتصادي يهدف إلى إبقاء الموارد في الاستخدام إلى أقصى حد ممكن، واستخراج أقصى قيمة منها، ثم استعادة وتجديد المنتجات والمواد في نهاية فترة خدمتها، وهذا يترجم في الصناعة النووية إلى إغلاق دورة الوقود النووي: بدلا من معالجة الوقود المستهلك باعتباره نفايات، يعاد تجهيزه لاستعادة اليورانيوم والبلوتونيوم القابل للاستخدام، وما تبقى من منتجات الإنشطار وجرعات صغيرة أكثر كفاءة.

ومفاعلات التكاثر السريع هي أساسية لهذه الرؤية، ويمكنها أن تستهلك البلوتونيوم المستعاد من الوقود المستهلك للمفاعلات التقليدية، وأن تحرق أيضاً الكائنات الصغيرة التي طال أمدها، مما يقلل من الوقت الذي يجب فيه عزل النفايات الرفيعة المستوى عن البيئة من مئات الآلاف من السنوات إلى بضع مئات من السنين، وهذا التوافق مع مبادئ الاقتصاد الدائري يؤدي إلى تجدد الاهتمام بالمركبات المفلورة من بلدان ذات برامج نووية كبيرة، مثل الهند وروسيا والصين واليابان.

إعادة تدوير أجهزة إعادة تصنيع أجهزة الاسترخاء السريع

وتبدأ عملية إعادة التدوير بإعادة معالجة الوقود المستهلك، إذ يحتوي الوقود المستهلك المستخرج من مفاعل حراري على نحو 1 في المائة من البلوتونيوم، و 95 في المائة من اليورانيوم (اليورانيوم - 238 في المائة تقريبا)، و 4 في المائة من منتجات الإنشطار والخامس، وفي دورة تقليدية، يُقصد بهذا المخلوط كله للتخلص الجيولوجي المباشر، وفي دورة مغلقة، يتم حل الوقود في حمض النيتروز، ومفاعل اليورانيوم المضغوط.

وتستعمل المفاعلات السريعة هذه البلوتونيوم المعاد تدويره كوقود أساسي، كما أن المواد المستنفدة لليورانيوم قد أعيد تجهيزها لاستخراج البلوتونيوم الجديد بعد الإشعال، كما أن أساليب إعادة المعالجة المتقدمة الحديثة (مثل PYROX، و UREX+، و DIAMEX-SANEX) تهدف إلى فصل إنتاج الوقود والبلوتونيوم الذي تم دمجه أيضاً.

مزايا إعادة التدوير مع القوات المسلحة الرواندية

  • Enhanced fuel efficiency:] A fast breeder reactor can extract about 60-70% of the energy content of uranium, compared to less than 1% in a once-through light-water reactor.
  • Reduction of long-lived radioactive waste:] By burning plutonium and minor actinides, the volume and radiotoxicity of high-level waste can be reduced by more than 90%.
  • Resource independence:] Countries without abundant uranium ore can use existing spent fuel stockpiles as a resource, enhancing energy security.
  • Sustainability:] With breeding, the available uranium resources can power civilization for millennia, effectively making nuclear energy a renewable-like resource.
  • Reduced environmental footprint:] Less mining, milling, and enrichment are required, lowering the ecological impacts of the nuclear fuel cycle.

التحديات والحواجز

وعلى الرغم من مزاياها الجبارة، لم يتم نشر مفاعلات التوليد السريع على نطاق واسع، ولا تزال هناك عقبات تقنية واقتصادية وجماعية عديدة.

التحديات التقنية والتشغيلية

المفاعلات السريعة تعمل في درجات حرارة أعلى وأشعة نيوترون أكثر كثافة من المفاعلات الحرارية هذا يضع متطلبات شديدة على المواد: تمزق الوقود، المكونات الهيكلية الأساسية، ونظم التبريد يجب أن تصمد أمام التورم، و التكتل، والتآكل على مدى عقود، وتستحدث مبردات الصوديوم مخاطر كبيرة على الحريق والانفجار، وتتطلب نظماً آمنة متطورة، وتعقيد مرافق إعادة المعالجة أو إعادة التدوير المركزية، مما يزيد من صعوبة تقنية

العوامل الاقتصادية

ومفاعلات التوليد السريع هي في جوهرها أكثر تكلفة لبناء مفاعلات المياه الخفيفة بسبب المواد الغريبة، ونظم مناولة الصوديوم، وارتفاع هوامش الأمان المطلوبة، فزيادة التكاليف الرأسمالية، إلى جانب انخفاض أسعار اليورانيوم ووفرة القدرة على التخصيب، جعلت المرافق التراكمية غير اقتصادية في معظم الأسواق، ولا تتحقق الفائدة الاقتصادية الكاملة للتوالد إلا عندما ترتفع أسعار اليورانيوم ارتفاعا كبيرا أو عندما تصبح تكاليف إعادة تجهيز النفايات داخلية تماما.

مخاطر الانتشار

ويمكن تحويل البلوتونيوم الذي ينتج في مفاعلات التوليد السريعة إلى استخدام الأسلحة إذا لم يكن محمياً على النحو السليم، وفي حين أن البلوتونيوم الذي يصلح للمفاعلات أقل من المواد التي تصنف في فئة الأسلحة، فإنه يمكن أن تستخدمه الجهات الفاعلة في الدولة أو الجماعات الإرهابية المتطورة.() فالضمانات الدولية وتدابير الحماية المادية ودورات الوقود المقاومة للانتشار (مثل إعادة المعالجة بالفلور وحرق في شبكة ضرورية).

التصور العام والسياسة العامة

وتواجه الطاقة النووية عموماً السخرية العامة في العديد من البلدان، وكثيراً ما ترتبط مفاعلات التوليد السريع بإنتاج البلوتونيوم مقابل الأسلحة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الأطر الزمنية الطويلة للتنمية وارتفاع تكاليف المشاريع الإيضاحية تجعلها حساسة سياسياً، وقد أدى الدعم السياساتي إلى تعثر وتفريغ مفاعل نهر كلينش في عام 1983، وتخلت فرنسا عن مفاعل سداسي البروم في عام 1997.

المشاريع الحالية والتوقعات المستقبلية

وتقوم بلدان عديدة بنشاط بتطوير مفاعلات سلالة سريعة وما يرتبط بها من هياكل أساسية لدورة الوقود.

Russia: The BN-800 and BN-1200

وتعمل روسيا في محطة توليد الطاقة النووية في بلويارسك، التي بدأت العمل التجاري في عام 2016، وتستخدم مبردات الصوديوم ووقود موكس، وتستخدم في اختبار تكنولوجيات إعادة المعالجة وحرق أجهزة طرفية صغيرة، وتعتزم روسيا بناء مفاعل أسرع من طراز BN-1200، كما أنها بصدد تطوير مفاعل سريع مجهز بالرصاص (BREST-300) كجزء من موقع تجريبي من دورة الوقود المغلقة.

الهند: PFBR and Beyond

ولدى الهند برنامج نووي من ثلاث مراحل يهدف إلى الاستفادة القصوى من احتياطيات هرموناتها الوفيرة، مع مفاعلات التوليد السريعة في المرحلة الثانية، حيث يُعد اقتصاد المفاعل الميسر المتسارع البالغ 500 ميغاواط في كالباكوم قريبا من العمل بعد بناء واسع، وتتصور الهند أن أسطولا من مركبات الفلور لتوليد البلوتونيوم، ثم تُحمّل أغطية الاستراتيوم الثالثة لإنتاج مفاعلات متطورة من اليورانيوم - 233.

الصين: المفاعلات التجريبية والمشبوهة

وتعمل الصين في مجال المفاعل التجريبي الصيني، وهو مفاعل من نوع تجميعي مركب مصفحة من طراز 65 ميغاواط، وصل إلى درجة حرجة في عام 2010، ويجري حالياً تشييد مفاعل بياني أكبر، وهو CFR-600، ويتوقع أن يبدأ في منتصف العشرينات، ويشمل التوسع النووي الطموح في الصين خططاً للمركبات المفلورة التجارية بحلول عام 2030، إلى جانب برنامج شامل لإعادة تجهيز الوقود المستهلك.

أوروبا: ASTRID and MYRRHA

مشروع (أدفانيد سوديوم) التكنولوجي للكشف الصناعي يهدف إلى بناء مفاعل سريع مدمج بـ 600 ميغاواط كخلف لفينيكس وسوبرنكس لكن في عام 2019 تم تعليق المشروع بسبب قيود الميزانية وتطور الأولويات بلجيكا تقوم بتطوير نظام الدمج السريع الذي يقوم به (ميرا) متعدد الأغراض

المبادرات الدولية

ويتضمن المنتدى الدولي للجيل الرابع تصميمات للمفاعلات السريعة كمرشحين رئيسيين: مفاعل الصوديوم - المكسور، ومفاعل سريع مجهز، ومفاعل الغاز - المكعب، والتعاون في مجال البحث ومعايير السلامة وتطوير التكنولوجيا، كما تدعم الوكالة شبكات المفاعلات السريعة وتنسق قواعد البيانات المتعلقة بالبيانات التجريبية السريعة للمفاعلات.

الاستنتاج: مسار نحو الطاقة النووية المستدامة

ومفاعلات التوليد السريع ليست مجرد فضول تقني؛ بل هي حجر الزاوية في اقتصاد التعميم النووي، إذ تحول اليورانيوم - 238 الخصب إلى البلوتونيوم الإنشطاري، وبحرق النفايات عبروراني التي طال أمدها من المفاعلات التقليدية، يمكن أن تقلل بشكل كبير حجم النفايات النووية وسمية النفايات النووية، مع توسيع نطاق موارد اليورانيوم بأوامر من الحجم، وتخفض دورة الوقود المغلقة إلى أدنى حد ممكن من الآثار البيئية لتعدين اليورانيوم.

ومع ذلك، فإن الطريق إلى الانتشار التجاري طويل ومكلف، فالإخفاقات السابقة وارتفاع تكاليف رأس المال قد أضعف الحماس، ولكن تجدد الالتزامات في روسيا والهند والصين تدل على أن التكنولوجيا قابلة للتطبيق عندما تدعمها سياسات متسقة وهياكل أساسية متكاملة، وأن الابتكارات المستقبلية في المواد وتكنولوجيا التبريد وإعادة المعالجة الكيميائية ستستمر في تخفيض التكاليف وتحسين السلامة ومقاومة الانتشار.

ومع سعي العالم إلى الحصول على مصادر للطاقة منخفضة الكربون يمكن أن تعمل باستمرار، فإن المفاعلات السريعة للتكاثر توفر مزيجا فريدا من الطاقة القاعدية، وإعادة تدوير الوقود، وخفض النفايات، وسيتوقف نجاحها على التعاون الدولي، والقبول العام، والظروف الاقتصادية التي تجعل التوليد جذابا، وبالنسبة للدول التي تسعى إلى الحصول على الطاقة، وإيجاد حل لمشكلة النفايات الطويلة الأجل، يظل المفاعل السريع الواعد لإغلاق دورة الوقود النووي وتحقيق اقتصاد دائري حقيقي للمواد النووية.