تحديات العملية العالية التمرين في المفاعلات السريعة

مقدمة: درجة الحرارة العالية - سيف مزدوج في مفاعلات بريدر السريعة

إن مفاعلات التبريد السريعة تمثل تكنولوجيا أساسية لاستدامة الوقود النووي في الأجل الطويل، وعلى عكس مفاعلات المياه الخفيفة التقليدية، تستخدم مركبات الإيثر الثنائي الفينيل الخماسي الكلور طيفاً سريعاً لتحويل النظائر المشعة - اليورانيوم - 238 إلى مادة كيميائية ثابتة، وهي عوامل تولد بصورة فعالة وقوداً أكبر من طاقتها، وتزيد هذه القدرة من سرعة استخدام الطاقة الحرارية وتخفض حجم المفاعلات النووية.

نداء وضرورة درجات الحرارة العالية في حالات الطوارئ

فالعمل في درجات حرارة أعلى ليس خياراً اعتباطياً في التصميم، فالكفاءة الحرارية لمحرك حر - التي تتحكم فيها دورة كارنوت - ترتفع فيها درجة الحرارة بين مصدر الحرارة والوعة، وتستغل القوات المسلحة الرواندية هذا المبدأ، وتقترب من الكفاءة الحرارية بنسبة تتراوح بين 40 و45 في المائة مقارنة بنسبة 33 في المائة بالنسبة لمفاعلات المياه المضغطة، مما يعني زيادة الكهرباء عن نفس كمية النفايات الانشطارية.

وعلاوة على ذلك، يفتح الناتج العالي التمرين الباب أمام الجيل المشترك، ويمكن أن تؤدي الحرارة الناجمة عن مركبات الكربون الكلورية فلورية إلى دفع العمليات الحرارية الكيميائية لإنتاج الهيدروجين أو تحلية المياه أو إمدادات البخار الصناعي، وهذا التعددية يشكل حافزا قويا بالنسبة للدول التي تسعى إلى إزالة الكربون من كل من قطاعي الكهرباء والصناعة.

ومع ذلك، فإن تحقيق هذه درجات الحرارة والمحافظة عليها يتطلب أن يكون كل عنصر من عناصر الوقود، والرق، والتبريد، والرق، والمضخات، وأجهزة التشغيل موثوقاً به منذ عقود في ظل القصف المكثف للنيوترونات، والبيئات التآكلية، والحمولات الحرارية الدورية، وتفحص الأقسام التالية العقبات التقنية الرئيسية التي تنشأ.

المواد العلمية: الكرب، الكوروسيون، والسكن

وربما كان التحدي الأكثر خطورة في عملية التبريد البيرفلوروكتاني العالية الحرارة هو أداء المواد الهيكلية، ففولاذ المفاعلات التقليدية وسبائك الزركونيوم المستخدمة في مفاعلات المياه الخفيفة غير كافية في درجات الحرارة وتدفقات النيترون الموجودة في مركبات الفلوروكربون.

تدهور الوقود والكلادينغ

فالوقود نفسه - الذي يختلط عليه الأمر من الناحية الشكلية أو الأمواج الفلزية - يصمد درجات حرارة عالية دون أن يخضع لإعادة الهيكلة المفرطة أو إطلاق الغاز الانشطاري، وفي درجات الحرارة التي تزيد على ٦٠٠ درجة مئوية، يمكن أن يظهر وقود أكسيد الأوكسيد زاحفاً حاداً وعدم استقرار في هياكله الدقيقة، بينما يكون الوقود المميتال، في الوقت الذي يكون فيه فيه تساير حراري، يعاني من انخفاض في نقاط الانصهار وتضخم في الحجم بسبب تداعبة الكثوب.

كما أن المواد المحتوية على مواد متطورة، وتشتت في الحرارة، وتتحول إلى مادة صلبة، وتزداد سرعة انتشارها، وتزداد سرعة انتشارها، وتزداد سرعة انتشارها.

النزاهة في العنصر الهيكلي

كما أن المواد ذات الأولوية العالية التي تعتمد عليها شعبة المواد ذات الأولوية العالية، والتي تُستخدم في إطار اختبارات المواد الخام، والتي تُستخدم في إطارها قواعد ذات أولوية عالية، كما أن قواعد الأشعة الحرارية في المواد النووية التي تُجرى في إطارها تغييرات في الطاقة أو عمليات الإغلاق، تُستخدم في إطارها في إطار منهج متطور، كما أن مجموعة الأشعة الجديدة، ودرجة الحرارة العالية، تُخفَّف على نماذج تصميم المفاعلات النووية التي تُعدُّ على مدى 60 سنة.

الكيمياء المبردة: الاختراع وإدارة الملوِّثات العالية التأشيرات

ولا يقتصر التبريد في جهاز كهرباء البوسنة والهرسك على نقل الحرارة فحسب بل يخفف أيضاً النيوترونات إلى أقصى حد ممكن، لأن التوالد يتطلب طيفاً من النيوترونات الصلبة، وهذا الشرط يستبعد المياه ويفضي إلى استخدام المعادن السائلة، ويجلب كل مرشح من المبردات تحديات كيمياءه العالية الحرارة.

Sodium: The Proven but Reactive Choice

أما الصوديوم السائل فهو أكثر المبردات نضجاً في FBR، المستخدم في مفاعلات مثل الفينكس الفرنسي وسوبرنيكس، وفي مونجو اليابان، حيث توجد خصائص حرارية ممتازة: إذ أن درجة الحرارة العالية والضغط المنخفض على درجة حرارة التشغيل، ودرجة الحرارة العالية (الدرجة 98 درجة مئوية، نقطة الغليان 883 درجة مئوية).

الرصاص والبيزموت الحادة: البدائل الناشئة

وبالإضافة إلى ذلك، فإن المفاعلات السريعة الممزقة والخامات التي تُستخدم في إطار المادة المتوسطة من المادة (LFRs) والتصميمات التي تُستخدم في إطار المادة (LBE) والتي تُستخدم في إطارها المادة (LFRs) والتي تُستخدم في حالة التحلل السريع للفولاذ (Le-FRs) والتي تُثبت درجات الحرارة المحيطة بمفاعلات الصوديوم، غير أن المبردات التي تستخدم في شكلهارات عالية.

التوسع الحراري وإدارة الإجهاد الميكانيكي

وتتكون درجات الحرارة الكبيرة داخل قلب المفاعل وبين الازدياد الحراري الجوهري والمبرد، وفي شكل نموذجي من طراز FBR، وأجهزة تحديد الوقود، وشبكات الحيز، والبراميل الأساسية من مواد ذات معامل مختلفة للتوسع الحراري، وأثناء بدء المناورات أو وقفها أو قاذف الحمولة، تتوسع هذه المكونات بمعدلات مختلفة، وتتسبب في ضغوط ميكانيكية، وفجوات، وضباب محتمل.

وإذا لم يتم استيعاب التوسع، فإن سد دبابيس الوقود، أو تشويه اللفاتر المغطاة، أو حتى الاستيلاء على آليات قيادة دودة التحكم، يستخدم المفاعلون عدة استراتيجيات: اختيار مواد ذات معامل توسع متوافقة، وتصميم دعم مرن (مثلا، ربيع السحب)، وإدراج مفاصل التوسع في عملية التصفح، وإجراء تحليلات مفصلة عن الإشعاعات النهائية للتنبؤ بالبعد المتغير للثبطني.

أضرار الإشعاع تحت درجة الحرارة المرتفعة

وتزيد عملية التدرج العالي من حدة الضرر الإشعاعي بطرق عدة، ويؤدي التدفق السريع للنيوترونات في القوات المسلحة الرواندية إلى حدوث تعاقبات للتشرد، وإلى خلق شواغر، وتجمعات بين القبائل، والعيوب، وفي درجات الحرارة المرتفعة، تصبح هذه العيوب أكثر تنقلا، مما يؤدي إلى زيادة انتشارها، مما يمكن أن يعجل بعدم الاستقرار في المرحلة، وفصل العناصر المسببة للارتباك، ونشأة الفولاذية غير المرغوبة.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الأثر الاصطناعي للإشعاع وارتفاع درجة الحرارة يمكن أن يسبب ازدهار الهيليوم، إذ أن ردود الفعل (فيا) في المواد الهيكلية تهاجر إلى حدود الحبوب، حيث تشكل فقاعات تضعف المواد، ولا سيما تحت الضغط، وهذه الظاهرة تثير إشكالية خاصة في المواد الأساسية لمصائد الفول بروفيروس التي تعاني من ارتفاع معدلات إنتاج الهيليوم، وتتطلب إدارة المواد ذات الحجم الدقيق والحدود المستقرة.

الآثار المترتبة على عملية التكييف العالية

والسلامة هي في غاية الأهمية في أي مفاعل نووي، وتُدخل درجات الحرارة المرتفعة في عمليات الحرق المفاجئ سيناريوهات الحوادث الفريدة وتتطلب نظماً متينة للسلامة.

سيناريوهات الحوادث والتخفيف من آثارها

أما أكثر الشواغل خطورة في مجال السلامة في عمليات التراكم المحتوي على الصوديوم، فهي رد فعل الصوديوم - المياه، وإذا تسرب أنبوب المولدات البخارية، فإن المياه العالية الضغط تتفاعل بشكل عنيف مع الصوديوم السائل، وتولد الهيدروجين والحرارة، وتشتمل التصاميم الحديثة على نظم متعددة لكشف التسرب، وأنبوب مزدوجة الجدران، ونظم لتخفيف الضغط، وفي درجات الحرارة العالية، تكون حرارات الأكوية أسرع، والعواقب الأقوى.

وثمة شاغل آخر هو فقدان حوادث التبريد: فلأن المبردة في درجة حرارة عالية وكثيرا ما تكون في ضغط منخفض (الفلزات السائلة تعمل بالقرب من ضغط الغلاف الجوي)، ويمكن أن تؤدي رحلة الضخ أو الغلق إلى سرعة التدفئة والوقود المحتمل، وتستفيد القوات المسلحة الرواندية من وجود توتر حراري كبير وقدرة على التداول الطبيعي، ولكن وجود كثافة حرجة عالية في الطاقة الأساسية (تمثل في ثلاثة إلى أربعة أمثال المفاعلات).

وأخيراً، يمكن أن تكون التفاعل الإيجابي في الصوديوم هو مشكلة: إذا كان غسيل الصوديوم بسبب التسخين المفرط، فإن فقدان الامتصاص النيوترونات يمكن أن يزيد من رد الفعل، إذ أن مصممي البيوتادايين البيرفلورية يخففون من ذلك بتصميمات أساسية غير متجانسة، ومواد استيعاب، وردود فعل سلبية من جانب دوبلر، ولكن مع ارتفاع درجات الحرارة، يصبح معامل دوبلر أقل سلبية، مما يتطلب تصميماً دقيقاً للحفاظ على الاستقرار.

الطريق: المواد المتقدمة والابتكارات في التصميم

ولمواجهة التحديات المترابطة التي تواجه العملية ذات الطابع العالي، تسعى الأوساط الإنمائية العالمية المعنية بمكافحة الاتجار بالأشخاص إلى تحقيق عدة سبل واعدة.

ازدهار الأوكسايد

ويُعدّ الفولاذ المحتوي على المواد المستنفدة للأوزون من بين أكثر المرشحين جاذبية للهياكل الأساسية والمتسمة بالبطاقات، إذ إن تفككها لجسيمات اليتريا النانوية يوفر قوة عالية التمرين ومقاومة مرعبة، ويظهران تسامحاً أكبر في مجال الإشعاع، ويُعد إنتاج الفولاذ المحتوي على مواد مستنفدة للأوزون على خصائص متسقة أمراً صعباً ومكلفة، ولكن التقدم المحرز في تقنيات الترميم والتوحيد، على سبيل المثال، تقوم الوكالة اليابانية للطاقة الذرية (JATRIS) بتطوير مفاعل

Ceramic Matrix Composites

ويجري استكشاف مركبات النسيج المركب (SiC) التي تستخدم السائل المركب للوقود والمكونات الأساسية، حيث توجد لدى شركة SiC نقطة انصهار عالية، وقلة الامتصاص بالنيوترونات، وسلوك حراري جيد، غير أن ترابطها وصعوبة الانضمام إلى هذه المركبات لا تزال معوقات، كما أن الوصلات المركبة التي تعمل على إزالة الألياف من النسيج توفر قدراً محسّناً من القوة ولكنها تخضع لدرجات الحرارة.

النمذجة والرصد الحاسوبيين

وتسمح أدوات المحاكاة الحديثة )المدونات الفيزيائية المتعددة التي تتضمن ثنائيا نيوترونات، وهيدرات حرارية، وميكانيكيات هيكلية( للمصممين بالتنبؤ بالسلوك المادي في ظل الإشعاع العالي الحرارة مع التخدير غير المسبوق، ويجري تطبيق التعلم الآلات لتسريع تصميم السكك الحديدية والتنبؤ بمعدلات التآكل في LBE.

خاتمة

إن العملية العالية التمرين في مفاعلات التوليد السريعة هي بمثابة حد مبارك وكبير من الحدود التقنية، وهي تفرز كفاءة أعلى، وتولد الوقود، وتعالج تطبيقات حرارية ذات أهمية حاسمة بالنسبة لمستقبل الطاقة النووية المستدامة، ومع ذلك فإن المطالب التي تضعها على المواد والمبردات ونظم الأمان هي من بين أكثر المتغيرات في جميع الهندسة.

For further reading, consult the ’s Advanced Reactors Information System] for technical specifications of FBR designs, the NEA’s work on high-temperature materials], and recent studies on ODS steels from the F Japan Atomic Energy Agency[5]