وتمثِّل مفاعلات التكاثر السريع فئة من النظم النووية المتقدمة التي تعمل بسرعة بالنيوترونات لتحويل المواد الخصبة - اليورانيوم - الفريد - 238 - إلى البلوتونيوم - 239، التي تنتج بفعالية أكثر من استهلاكها، وتُوفِّر هذه القدرة على التوليد مساراً لتوسيع قاعدة موارد الوقود النووي القابلة للاستخدام إلى حد كبير، وتقليص حجم النفايات المشعة التي طال أمدها.

الفيزياء النوترونية السريعة وعملية الرضاعة

(ب) التمييز الأساسي بين أجهزة السحب المفلورة ومفاعلات المياه الخفيفة التقليدية يكمن في طيف الطاقة من النيوترونات التي تدعم رد الفعل السلسلي، وفي الأشعة الليفية المتوسطة (LV) النيوتن إلى الطاق الحراري (0.025 eV) ويتفاعل أساساً مع اليورانيوم-235.

أما مكسب التوالد، الذي أُعرب عنه بوصفه نسبة التوالد - نسبة الذرات الانشطارية الجديدة المنتجة إلى تلك المواد الاستهلاكية - يحدد ما إذا كان يمكن للمركبات أن تحافظ على إمداداتها من الوقود.

خيارات دورة الوقود: مفتوحة مقابل مغلقة

وتُعرِّف استراتيجيتان أوليتان دورة الوقود الخاصة بمركبات الكربون الفلورية: دورة (الفتح) المغلقة (التجهيز) والمرحلة المغلقة (التجهيز) في حين أن دورة مفتوحة يمكن أن تكون ممكنة تقنياً بالنسبة لمركبات الكربون المفلورة، فإنها ستستخدم اليورانيوم العالي التخصيب أو البلوتونيوم كوقود للبدء في التخلص من الوقود المستهلك دون إعادة تدويره - استخدام ناقص بدرجة كبيرة في الميزة التوالد.

دورة الوقود المغلقة مع إعادة المعالجة

وفي دورة مغلقة، يخزن الوقود المشع لفترة تبريد (من 2 إلى 5 سنوات) قبل إرساله إلى مصنع لإعادة المعالجة، ثم توجه المواد الانشطارية المستعادة إلى تصنيع الوقود، بينما تصبح منتجات الإشطارات والمواد الخام الصغيرة نفايات، وتسقط التكنولوجيات الرئيسية لإعادة المعالجة السريعة لوقود المفاعلات في فئتين:

إعادة المعالجة التقليدية للمعارف

وقد تم تكييف عملية استخراج الفلوتونيوم - اليورانيوم المستخرج من غاز الارتداد (PUREX) التي وضعت أصلاً لوقود LWR، وذلك فيما يتعلق بوقود FBR، وتحلل الوقود المستهلك في حامض النتريك، وتستخرج الفوسفات ثلاثي بوتيل من البلوتونيوم واليورانيوم من منتجات الإنشطار، وتشمل التحديات المجال الإشعاعي العالي من منتجات الإلتهاب الفلوري القصيرة الأجل، وجود تركيزات الثنائية الفينيل المتعددة الكلور

عمليات متقدمة (UREX+, COEX)

وتسمح هذه العمليات بسحب النيبتونيوم مع البلوتونيوم واليورانيوم معاً، مما يترك مجرى إنتاج من ألياف النسيج النقي، وترمي هذه العمليات إلى الحد من مخاطر الانتشار عن طريق تجنب مسارات البلوتونيوم المنفصلة، وتمكين حملات الاستعادة من ثاني أكسيد الكربون من أجل الاستخدام المباشر في البطانية أو في دورة التوليد(9).

تجهيزات الطائرات (العملية الجراحية)

أما التقنيات الكهربية، التي كثيرا ما تسمى المعالجة بالبيرو، فتستخدم تحلل الملح المغنطيسي لفصل المواد الاصطناعية من منتجات الأنشطار في الوقود المعدني، وقد برهن هذا النهج على نطاق تجريبي مع وجود معامل للوقود المكثف الثاني في مختبر أرغوني الوطني، حيث أن المعالجة بالوقود المحتوي على مواد جذابة، وهي أكثر قدرة على مقاومة الضرر الناجم عن المواد المشعة(6).

أنواع الوقود والأسعار

ويجب أن يتحمل وقود الفلوروكربون درجة حرارة عالية، وتدفقات سريعة النيترون عالية، وضرر إشعاعي كبير، ويجري السعي إلى ثلاثة أشكال رئيسية من الوقود: أكسيد مختلط، وسبيكات معدنية، ومركبات متقدمة.

() الوقود [(FLT:0)] هو أكثر أنواعه استخداماً في عمليات الـ FBR الحالية (مثلاً، BN-600، BN-800 في روسيا، والمحطة القادمة لمركبات PFBR في الهند) (يشمل هذا النوع من ثاني أكسيد اليورانيوم (UO2) ويحتوي على ثاني أكسيد البلوتونيوم (إشعاعي) بنسبة 15 في المائة من ملوثات البلوتونيوم.

]Metallic Fuel (مثلا، U-Zr، U-Pu-Zr alloys) توفر قدرا أكبر من السلوك الحراري، وتحسين التوافق في استهلاك الوقود، والاختلاق الدقيق عن طريق التلقيح.

Nitride and Carbide Fuels (e.g., (U,Pu)N) are being studied for their high density, high thermal conductivity, and compatibility with advanced coolants such as lead. Japan’s JOYO reactor has tested experiment experimental nitride tanks. Challenges include the cost of enriched carbon needtrogen-15 (to).

إدارة النفايات والتقليل منها

A sustainable fuel cycle must minimize the burden of high-level waste (HLW) requiring geological disposal. In a closed cycle, only fission products and minor actinides (neptunium, americium, curium) remain as waste; the recovered plutonium, uranium, and potentially minor actinides are reused. Fission products are typically incorporated into a virinefiveified glass

(ب) إن التشارك والتحويل (P) مجال بحث نشط ينطوي على فصل نويدات نووية طويلة الأمد من مجرى النفايات وتحويلها إلى نظائر مصغرة أو مستقرة عن طريق القصف النيوتروني، أما بالنسبة للمركبات الفلورية ذات الصبغة العالية فتؤدي إلى إحداث العزلة الخفية.

اعتبارات عدم الانتشار

إن أي دورة للوقود تعالج البلوتونيوم المنفصل تثير شواغل تتعلق بالانتشار، إذ أن العديد من سمات التصميم وتدابير السياسة العامة تخفف من هذه المخاطر:

  • No separated plutonium]: دورات مغلقة تنتج البلوتونيوم المشترك مع اليورانيوم أو المواد الطفيفة مزيجاً من الوقود أقل استخداماً مباشرة للأسلحة، وينتج التجهيز باليورانيوم مزيجاً من المنشطات، مما يزيد الحواجز النظيرية.
  • Isotopic dilution]: Plutonium containing more than 80% of the 240Pu] isotope is considered “reactor-grade” and less attractive for weapon use because of its high spontaneous neutron emission and heat generation.
  • Multilateral fuel cycles: Proposals for international centers for enrichment, re processing, and fuel fabrication would place sensitive technologies under multinational oversight, reducing incentives for national proliferation.
  • Safeguards and transparency]: Advanced monitoring techniques, such as neutron and gamma counting, and remote surveillance are being developed to verify compliance without disrupting operations.

ولا يزال تحقيق التوازن بين فوائد إغلاق دورة الوقود وأهداف عدم الانتشار يشكل تحديا رئيسيا في مجال السياسات، وقد كانت بلدان كثيرة، بما فيها الولايات المتحدة، محدودة تاريخيا في إعادة المعالجة المحلية لهذا السبب.

Global Programs and Demonstration Projects

وتعمل عدة دول أو تقوم بتطوير عمليات إعادة بناء الثقة ودورات الوقود المرتبطة بها، وكل منها له أولويات تقنية واستراتيجية مختلفة.

الهند

وتشغل شركة FBRs في الهند ثلاث مراحل كركيزة مركزية لاستخدامها في هرموناتها الوفيرة وموارد اليورانيوم المحدودة، كما أن منشأة تجريبية للوقود السريع (500 مركبة من طراز MFK-B-Factor) تقارب مرحلة الإنجاز في شركة كالباكا

روسيا

وتدير روسيا عمليات البرمجيات الحرة التجارية الوحيدة: BN-600 (600 MWt, 560 MWe) في بلويارسك، وهي تعمل منذ عام 1980، بينما بدأت عملية البنية الأساسية للوقود من طراز BN-800 (800 MWt) في عام 2016، وتُرخَّص للنيترشاشات من طراز BN-800 لتوليد الوقود من طراز MX-R.

فرنسا

وقامت فرنسا بتشغيل مفاعل فينيكس (المعزول بالسوديوم، 250 ميغاواط) في الفترة من 1973 إلى 2009، مما يدل على مناولة الوقود وإعادة تجهيزه، وكان الغرض من مشروع " المفاعل التكنولوجي الصوديومي المرخص " (المفاعل التكنولوجي للكشف عن السم الصناعي) هو التحقق من تصميم 600 ميغاواط مع دورة وقود مكس، ولكن أُرجئ في عام 2019.

اليابان

ويشمل برنامج اليابان للزراعة الفلورية (FBR) التجريبي " Joyo " والنموذج الأولي " مونجو " (المنزو) (280 ميغاواط، موزوعة الصوديوم) وقد تعرض مونجو لتسرب الصوديوم في عام 1995، وقد ألغي تشغيله في عام 2016، وقد واصلت اليابان بحوث دورة الوقود، بما في ذلك تطوير دورة الوقود (إعادة التجهيز المكثفة باختلاقات المبسطة) واختبار الوقود المحتوي على تركيز أكبر على سلامة الجو.

الولايات المتحدة

The U.S. pioneered early FBR technology with the EBR-II (20 MWe, sodium-cooled, metal fuel) from 1964 to 1994, which demonstrated an integrated closed fuel cycle using pyro processing and remote fuel fabrication in the same facility. The Clinch River Breeder Reactor (CRBRP) project was cancelled in 1983. Current U.S focuses on supporting Genchi

التحديات الاقتصادية والمتعلقة بالانتشار

وعلى الرغم من التقدم التقني، لم يقم أي بلد حتى الآن بتشغيل أسطول من القوات المسلحة البوروندية على نطاق صناعي، وتشمل العقبات الاقتصادية الرئيسية ما يلي:

  • High capital costs]: FBRs require expensive sodium or lead coolant systems, special heat exchangers, and advanced safety features. The cost per k we can be 30–50% higher than modern LWRs.
  • Fuel cycle infrastructure costs]: Building and operating re processing plants, fuel fabrication lines, and waste management facilities adds billions of dollars upfront. These costs are only recovered over many decades.
  • Low uranium prices: عندما يكون اليورانيوم رخيصاً (كما هو الحال في السوق الحالية)، فإن الحافز الاقتصادي على توالد ضعف جديد في الوقود، ولا تكون الدورة المغلقة مفهومة إلا إذا ارتفعت أسعار اليورانيوم ارتفاعاً كبيراً أو إذا قيّمت فوائد أخرى (خفض النفايات، وتأمين الموارد على المدى الطويل).
  • Regulatory and licensing uncertainty]: لدى عدد قليل من البلدان أطر محددة لإصدار التراخيص للمركبات الفلورية ودورات الوقود المغلقة، وتستغرق العملية سنوات وتتطلب في كثير من الأحيان معايير جديدة للسلامة للتفاعلات بين الصوديوم والسوديوم، وحرائق الصوديوم الكبيرة، ومناولة وقود عالية النشاط.

ومع ذلك، فإن البلدان التي لديها استراتيجيات طويلة الأجل للطاقة - مثل الهند وروسيا والصين - استعراضات الطاقة المتجددة - تعتبر أساسية لاستقلال الطاقة، وقد التزمت بموارد كبيرة لتطويرها، ومن المتوقع أن تقلل المنحنى التعليمية من المشاريع المتعاقبة التكاليف بمرور الوقت.

التوقعات المستقبلية

وقد حدد المنتدى الدولي للجيل الرابع ستة مفاهيم متطورة للمفاعلات، ثلاثة منها مفاعلات سريعة: المفاعل السريع المحتوي على الصوديوم، والمفاعل السريع المزود بالرصاص، والمفاعل السريع الموزّع بالغاز، وهو أكثر المفاعلات نضجا، حيث يجري حاليا بناء أو تخطيط عدة مشاريع بيانية، كما أن معامل التكرار في إنتاج المواد الكيميائية - المادة 300، والوعود الأوروبية المحسنة.

أما التقدم في علوم المواد مثل الفولاذات التي تمزقها الأوكسيدات والمركبات الكريبية السيليكونية، فيمكن أن تتيح درجات حرارة تشغيل أعلى وأطول عمراً من الوقود، ويجري تطبيق استخباراتية على الاستخدام الأمثل لأنماط إعادة تحميل الوقود والتنبؤ بأدائها، وفي الوقت نفسه، فإن الإرادة السياسية للتصدي لتغير المناخ تجدد الاهتمام بالطاقة النووية، ويمكن أن توفر أجهزة توليد الطاقة المغلقة تقريباً.

ومن الضروري التعاون الدولي، من خلال أطر مثل برنامج تكنولوجيا المفاعلات السريعة التابع للوكالة الدولية للطاقة الذرية والإطار العالمي للإنشاء والتعمير، من أجل تقاسم التكاليف الإنمائية المرتفعة وتنسيق المعايير التنظيمية، وإذا ما شهد العقد المقبل نجاحا في تشغيل محطة PFBR في الهند، وBREST-OD-300 في روسيا، وCFR-600 الصينية، ستحدد المرحلة لنشر مفاعلات سلالة سريعة إلى ما بعد دورة الوقود المستدامة في عام 2030.

For further reading:
] IAEA Fast Reactor Technology Programme]
World Nuclear Association: Fast Neutron Reactors
FaGeneration IV