النهج الابتكارية لمعالجة وإعادة تدوير مخلفات التريتيوم في مفاعلات الوقود

إن الطاقة الكهربائية تحمل الوعد الذي يبشر به وجود طاقة نظيفة لا حدود لها تقريبا، ولكن تحقيقها التجاري يتوقف على إدارة واحدة من أكثر أنواع الوقود أهمية: ثلاثية، وهذا النظير المشع للهيدروجين أساسي لدمج ممرات الديوتروم، وهو ما يرجح أن يؤدي إلى تغلب على مفاعلات الجيل الأول على القدرة على البقاء، غير أن التريتيوم شحذ في الطبيعة، والإشعاع، وصعوبة احتواء نظم الأمان.

فهم التريتيوم في مفاعلات الصمامات

ولا ينتج التريتيوم (الثالث) إلا بمبالغ مُتَبَعَة، ولا سيما من خلال التفاعلات بين الأشعة الكونية في الغلاف الجوي العلوي، إذ إن نصف عمره الذي يبلغ نحو 12.3 سنة يعني أن أي تلف في مخزونات ثلاثية الأطراف يتطلّب إنتاجاً مستمراً من أجل الاندماج، وفي مفاعل للدمج، يُستهلك ثلاثي بوتيرة تبلغ نحو 55.8 كيلوغراماً لكل سنة من إنتاج الكانترات.

إنّ التفريغ يُحدث داخل بطانية المفاعل، هيكلٌ محيط بالبلازما يحتوي على الليثيوم، عندما يُحدث النيوترونات في ذرة الليثيوم، ينتج التريتيوم والهيليوم، تصميم هذه البطانية التوليدية مركزيّة لالاكتفاء الذاتي للثلاثيّاتيوم، لكنّها أيضاً تُحدث المشكلة الأساسية:

التحديات الرئيسية في إدارة تريتيوم

ويشكل التعامل مع التريتيوم في بيئة الاندماج مجموعة من العقبات التقنية والأمنية المتعددة الجوانب، ومن الضروري فهم هذه التحديات لتقدير سبب ضرورة اتباع نهج جديدة.

الرئتين واللقط

وتنشر التريتيوم بسهولة من خلال مواد صلبة في درجات حرارة مرتفعة، وهي ظاهرة معروفة باسم التفريغ، وفي مفاعل للدمج، فإن آلاف الأمتار المربعة من أسطح مبادلات الحرارة، والرق، وجدران السفن معرضة للثلاثيات، ويمكن أن يؤدي التحلل غير المتحكم فيه إلى تراكم ثلاثي في المواد الهيكلية، وثغرات التبريد، والبيئة، وقد تؤدي التسربات في دقيقة إلى إطلاقات مشعة كبيرة على مر الزمن.

جرد التريتيوم واكتفاء الذات

ويجب أن يولد مفاعل الصمامات ثلاثية أكثر مما يستهلكه لتسديد الخسائر والمخزون الأولي لبدء التشغيل، كما أن نسبة إلى إنتاج المغذيات (TBR) ستتجاوز 10, وتستلزم عادة قيماً تتراوح بين 1.05 و1.15.

السلامة والأثر البيئي

وعلى الرغم من أن ثلاثي النيتيوم لديه طاقة منخفضة من البيتا ولا يتراكم في الجسم، فإن قدرته على استبدال الهيدروجين في جزيئات المياه تجعله خطراً إشعاعياً إذا ابتلع أو استنشاق، كما أن الحدود التنظيمية لإطلاق ثلاثي الأطراف منخفضة للغاية، وغالباً ما تكون في نطاق عشرات من التضاريس في السنة بالنسبة لمرفق كبير، علاوة على أن المبيدات الثلاثية تحتوي على ماء ثلاثي.

النهج الابتكارية لمعالجة التريتيوم

وتعالج الابتكارات الأخيرة التحدي المزدوج المتمثل في منع إطلاق التريتيوم مع التمكين من تحقيق الكفاءة في استخراج البطانيات المولدة وعناصر المفاعلات، وهي تتسع نطاق تطوير المواد، وتصميم البطانيات، والعلاجات السطحية المتقدمة.

تطوير المواد المتقدمة

ويجري هندسة السبيكات والسهرم الجديدة للحد من تسرب التريتيوم مع ارتفاع التدفق النيوتروناتي وارتفاع درجات الحرارة داخل مفاعل للدمج، مثل قطع الفولاذ الخماسي المضغوطة ذاتياً، مثل مواصفات الترميد المضغوطة ذاتياً، التي تُستخدم في إطار المادة 1 من المادة 3 من الأشعة تحت سطح الماء، مع حواجز ترسيب الرئوي (PBs)

وبالإضافة إلى المواد الهيكلية، يجري تطوير مواد جديدة للمذيبات التي تستوعب ثلاثي الكيماويات من أجل استعادة ثلاثي النيتيوم من مجاري التبريد، وتحسنت هذه المحاور القائمة على الزيكونيوم والتيتانيوم، فضلا عن المركبات المتعددة الفلزات مثل زروق، قدرة عالية على الاستيعاب والانتقائية، مما يتيح تخزين ونقل ثلاثي أكثر أماناً، وقد نسقت البحوث التي أجرتها الوكالة الدولية للطاقة الذرية([1])([FLT)([1])([1])([1])

"البلانكت"

وتستخدم أغطية المولدات الصلبة السيراميات الليثيوم - مثل الليثيوم أورتيوليكات (Li4SiO4) أو الميثان الليثيوم (Li2TiO3) في شكل سرير من الفلفل - كمادة توالد ثلاثي، وتتدفق غاز الهليل من خلال سرير البلي إلى إنتاج البلوط من الزي الرسمي للسيخ (تعزز تركيزاً كبيراً على الابتكارات المصغرة).

وبالإضافة إلى ذلك، فإن تطوير مركبات الليثيوم - السيزمية بمضاعفات النيوترونات البيريلييوم (أيضاً في شكل ثنائي) يؤدي إلى تحسين الاقتصاد النيوتروناتي العام، وهذه البطانيات الصلبة أبسط من البدائل السائلة، ولكنها تتطلب إدارة حرارية دقيقة لإبقاء معدلات إطلاق التريتيوم مرتفعة مع الحفاظ على السلامة الميكانيكية، وقد تحققت الاختبارات في مفاعلات الألياف مثل HFR في هولندا وBR2 في بلجيكا من نتائجها.

Liquid Breeding Blankets

وقد قدمت مربيات السائل، مثل البكتيريا التي تعمل بالليثيوم أو الملح المغنطيسي (FLibe)، عدة مزايا مناولة لأنه يمكن استخراج التريتيوم مباشرة من المجرى السائل، حيث تم إنتاج الأنابيب السائلة في السوائل نفسها وتمتد عبر المعدن، وكان التحدي الرئيسي يحول دون هذا المقياس المسبب للثديون من القفز إلى البرود.

وثمة مفهوم ابتكاري آخر هو بطانية الطول الثنائي المحتوي على الرصاص، حيث يُعدّ المولد ليب، ويُوفّر التبريد الهيكلي بواسطة الهيليوم، وهذا التصميم يقلل من كمية ليب على اتصال بمخاطر التآكل والتلطيوم، ويقيّم البرنامج الأوروبي لإدارة مصائد الأسماك هذه التصاميم تقييماً فعالاً، كما يوفر [برنامج الألواح الحقيقية]

تقنيات إعادة التدوير المتقدمة في تريتيوم

وبعد استخراج ثلاثي النيتيوم من بطانية التوليد أو من عظام المفاعل، يجب أن يُنقَى إلى إزالة النظائر الهيدروجينية الأخرى (البروتيوم والدوتريوم)، والهيليوم، والأوراق قبل إعادة استخدامها في دورة الوقود، وتنطبق نفس التقنيات على إعادة تدوير ثلاثي البيوت من عظام البلازما، التي تحتوي على وقود غير محترق.

اعتبارات السلامة والبيئة

ويجب دائما تقييم الابتكارات في مجال مناولة ثلاثيات القرن الواحد من حيث معايير السلامة والبيئة الصارمة، والهدف العام هو إبقاء إطلاقات ثلاثية التركات تحت الحدود التنظيمية (مثلا 5 TBq/year بالنسبة لمصنع دمج نموذجي) مع الحفاظ على جرعات العمال منخفضة بقدر ما يمكن تحقيقه بصورة معقولة (ALARA).

الاحتواء والرصد

Inigtium monitors based on ionization chambers or scintillation detects in the realtime measurement of tritium in air and in process streams. Wireless sensor networks are being developed to ensure rapid detection of twinve context

الأطر التنظيمية والتشريعية

وسيتعين على مفاعلات الوقود الامتثال للأنظمة التي صُممت أصلاً لمصانع الانشطار، وهذا يعني بالنسبة إلى التريتيوم، أن الإطلاقات تقل عن 1 متراً مربعاً/سنوياً للجمهور، ويجب التحقق من النُهج المبتكرة التي يُوصف بها هنا من خلال اختبارات صارمة لإرضاء المنظمين، كما أن الوكالة الدولية للطاقة الذرية وبرنامج سلامة الوقود في إدارة الطاقة في الولايات المتحدة، سيضع نظاماً ناجحاً لمفاعلات التريتيوم في المستقبل.

الآفاق المستقبلية والتوجيهات البحثية

وفي المستقبل، يتطلب المسار إلى الطاقة الدمجية استمرار الابتكار في مناولة التريتيوم وإعادة تدويره، وهناك عدة اتجاهات بحثية واعدة بشكل خاص:

وعلاوة على ذلك، فإن التعاون الدولي في إطار برامج مثل وحدة اختبارات التليفونية للآيرل، والوحدة الأوروبية لإدارة المواد الكيميائية، والمركز الصيني للشبكة سيولد البيانات اللازمة للتحقق من هذه التكنولوجيات على نطاق المفاعلات، وما زالت Plasma Science and Fusion Center at MIT] والمختبرات الرائدة الأخرى تُدفع قدماً في حدود علوم ثلاثية الأبعاد من جميع الآثار الكمية في تصميمات.

وفي نهاية المطاف، ستحدد القدرة على معالجة وإعادة تدوير ثلاثيات القرن بفعالية ما إذا كانت قوة الاندماج يمكن أن تصبح حقيقة عملية، والنُهج المبتكرة المبينة هنا - المواد المتطورة، والتصميمات الشاملة الجديدة، وعمليات الفصل المعقدة - تحول ما كان يوماً عاملاً مقيداً إلى تحد هندسي مُحل، ونظراً إلى أن هذه التكنولوجيات ناضجة، فإنها لن تدعم دورة الوقود الصنع فحسب، بل ستسهم أيضاً في تطبيقات أوسع نطاقاً في إدارة التريبيوم، مثل الإصلاح البيئي والطبي.