Table of Contents

مقدمة: الوعد بالتدفقات للطاقة وتحديهما

وقد اعتبرت الطاقة الكهربائية منذ فترة طويلة مصدراً واعداً للطاقة النظيفة والتي لا حدود لها تقريباً، فخلافاً للوقود الأحفوري الذي ينتج غازات الدفيئة والملوثات، أو الانشطار النووي، الذي يولد نفايات مشعة طويلة الأمد، فإن الاندماج يتيح مساراً للطاقة الوافرة ذات التأثير البيئي الأدنى، والوقود الأساسي لأجهزة التبريد المائية التي تكاد تكون غير قابلة للانقراض.

دور الوقود في مفاعلات الوقود

ويعتمد معظم تصميمات مفاعلات الصمامات القريبة الأجل على رد فعل الديوتريوم - التري، الذي له أعلى تقاطع في أدنى درجات الحرارة والضغوط، وفي هذا الرد، هناك نواة من الديوتروم (بروتوناً واحداً، نيوترون) وناورة ثلاثية (بروتون، واثنين من النيوترونات) لإنتاج نواة عالية الألفايين (اللوت)

لماذا ديوتريوم وتريتيوم؟

وسادت مادة الديوتريوم، وهي مادة مزدهرة في كل 500 6 ذرة من ذرات الهيدروجين في مياه البحر، وهي مادة مائية، على النقيض، مشعة (أقل عمراً 12.3 سنة) ولا تحدث بصورة طبيعية بكميات ذات معنى، ويجب أن تكون [دورة الوقود: صفر] + [ميغاهيدروغا: 1] + [ميغا فولت:] داخل المفاعل بإسقاط صمامات النيت

العناصر الرئيسية لدورة الوقود المستدامة

وتتألف دورة الوقود المستدامة لمصنع توليد الطاقة الكهربائية من عدة نظم فرعية مترابطة:

  • Tritium breeding blanket] - surrounds the plasma to capture neutrons and produce tritium.
  • Fuel extraction and purification] - تزيل الديوتروم والتريتيوم من عُمر البلازما والبطانية.
  • Fuel recycling and storage] — separates isotopes, purifies them, and returns them to the plasma.
  • Waste management] - handles actived materials and tritiated compounds.

ويجب تصميم كل نظام فرعي للعمل بموثوقية عالية للغاية وبجرد منخفض من ثلاثي الأطراف، نظرا لنشاط التريتيوم الإشعاعي وتكلفته )بزيادة ٠٠٠ ٣٠ دولار للغرام الواحد(.

"الـ "تريتيوم بريدنج بلانكيت

فالبطانية هي أكثر العناصر أهمية، وهي تؤدي وظائف متعددة: فهي تولد التريتيوم، وتستوعب الطاقة النيوترونات لتوليد الحرارة لإنتاج الكهرباء، وتحمي السفينة المكنسة والمغنطس من الإشعاع، ويجري دراسة عدة تصميمات شاملة، منها:

  • Solid breeder blankets] – use ceramic lithium compounds (e.g., Li2SiO4, Li2TiO3) and a neutron multiplier (beryllium or lead).
  • Liquid breeder blankets - use molten lithium-lead eutectic (LiPb) or lithium salts (FLiBe) - These allow continuous extraction of tritium.
  • Dual-coolant blankets - combine a liquid breeder/coolant with helium cooling for structural materials.

لكل تصميم مبادلات بين نسبة توالد ثلاثي الأطراف، والكفاءة الحرارية، والتوافق المادي، والهدف هو تحقيق بروميد الميثيل من مقياس مقياس بروميد الميثيل في التصميم النهائي للمفاعلات، وذلك لحصر الخسائر.

استخراج الوقود وتجديده

ويحتوي عُمر البلازما على جوز الهند والتريتيوم غير المحترق، ورماد الهيليوم، والزهور، وخط أنابيب إعادة التدوير الداخلي المباشر، يسترد هذه الوقود غير المحترق بأسرع ما يمكن، ويجب أيضاً استخراج الجزيئات المتفرقة من بطانية التوليد كغاز مُحلل (في نظم التكاثر السائل) أو بالتطهير من السائل (وقود الصلبة مجتمعة).

إدارة النفايات والسلامة

كما أن تفعيل المواد الهيكلية (السلع، والسبائك الفانديوم، ومركبات الكاريب السيليكون) بحلول 14 نيوترونات المي في إنتاج مجموعة متنوعة من النظائر المشعة، وعلى الرغم من أن نفايات الصمامات تقل عمراً عن نفايات الأنابيب، فإن مناولة آمنة والتخلص النهائي من المواد المنشطة أو إعادة تدويرها يجب أن تُدرج في دورة الوقود، بالإضافة إلى ذلك، استراتيجيات التريتيوم المضاعفة.

التحديات في مجال تطوير قنوات الوقود المستدامة

إمدادات التريتيوم المحدودة والالاكتفاء الذاتي

١-١ يجب أن يأتي جرد ثلاثي الجيل الأول من محطات توليد الطاقة الكهربائية من مصادر خارجية - أساسا من مفاعلات انشطارية كوندو، التي تنتج ثلاثية كمنتج ثانوي، ومخزونات ثلاثية عالمية ذات كفاءة )تبلغ ٢٠-٣٠ كيلوغراما(.

الضرر النيوتروني وتدهور المواد

وتتسبب النيوترونات ذات الطاقة العالية من دخان الـ دي - تي (14 مي في) في أضرار التشرد، وتحولها إلى نسيج للهيلوم، وتشريد الهيليوم في المواد الهيكلية، كما أن أول مكونات الجدار والبطانية ستتلقى جرعات من عشرات التشريدات لكل ذرة (دوبا) على مدى عمرها، والمواد المتقدمة مثل الفولاذ الأسمدة المتطورة والمرتدة (مثلا المفاعل FROFER82)

الرئة واحتواء التريتيوم

(ه) التريتيوم صغير ومتنقل بدرجة عالية؛ ويمكن أن يتخلل من الأنابيب المعدنية الساخنة، وينشر في المبردات، ويهرب إلى البيئة؛ ويجب أن تحافظ على الحواجز التي تعترض الترميم (مثل طبقات أكسيد الأوكسيد، وأجهزة التلويث) وأن تُوضع جميع نظم احتواء التريتيوم في أجواء غير مع رصد مستمر.

كفاءة الفصل بين النظائر

والتحلل المسبب للسرطان هو كثيف الطاقة ويتطلب رقابة دقيقة، إذ أن فصل التريتيوم عن الديوتريوم والهيدروجين والهيليوم معقد بسبب الاختلافات الكبيرة الصغيرة، والحاجة إلى تجنب تراكم الهيدروجين (التي تخفف من أداء الوقود وتقلل من البلازما) وما زالت تجري بحوثاً في أساليب بديلة مثل التدوير الحراري أو الفصل بين الكمبلازميوم.

الموثوقية والمناولة عن بعد

ويجب تصميم دورة الوقود الدمج بأكملها من أجل الصيانة عن بعد لأن تلوث التريتيوم والتنشيط النيوترونات يجعلان من المستحيل الوصول إلى البشر، ويجب أن تكون الصمامات والمضخات وسريرات الصمامات منفردة ويمكن استبدالها عن طريق المناورة الآلية، وأن يكون تعقيد وتكلف هذه النظم كبيرا.

الاستراتيجيات والابتكارات من أجل دورات الوقود المستدامة

أجهزة التنظيف المتقدمة

ومن أجل تحسين نسبة توالد التريتيوم والحد من المخاطر، يقوم المصممون باستكشاف مجموعة متنوعة من المفاهيم الشاملة، ويختبر البرنامج الأوروبي لإدارة مصائد الأسماك بطانية من الفلفل المشبع بالهيلينيوم، وبطانية مناولة الليثيوم المحتوية على الماء، ويرمي البرنامج إلى تحقيق في درجة حرارة متينة من ثاني أكسيد الفولطيوم، ودرجة حرارة عالية من الملح المستخرج من أجل تحويل الطاقة بكفاءة.

Direct Internal Recycling (DIR)

ومن النهج الواعد لخفض مخزونات التريتيوم فصل الوقود غير المحترق من عُمر البلازما في غضون ثوان بدلا من ساعات، واستخدامات الترسبات النافهة السريعة أو أجهزة الإسطوانات المحتوية على امبراطورية خارقة للطبيعة التي تعمل بشكل انتقائي على ضخ النظائر الهيدروجينية من مجرى العادم، مما يقلل بدرجة كبيرة من كمية التريتيوم المحتفظ بها في نظام إعادة التدوير ويحسن من القدرة على التحكم في المفاعلات.

الوقود البديل

Although D‐T is the easestt to ignite, several advanced fuel cycles] could reduce or eliminate the need for tritium breeding:

  • Deuterium-deuterium (D):] Produces tritium and helium —3 as mediums, but requires much higher plasma temperatures ( ⁇ 100 keV). The neutron yield is lower, reducing activation. However, the power density is lower, making it less economically attractive for first-generation plants.
  • Deuterium — —hinhelium -3 (DH3):] Produces protons instead of neutrons, dramatically reducing activation and allowing direct energy conversion. Helium —3 is scarce on Earth (though abundant on the Moon) and must be bred or imported.
  • Proton —boron (p —B11):] Produces three alpha particles and no neutrons (if secondary reactions are suppressed). This requires even higher temperatures ( ⁇ 300 keV) and very high confinement parameters. If achieved, it would eliminate the need for tritium and most activation.

وبالنسبة للمستقبل المنظور، يظل الـ دي - ت الطريق الأكثر قابلية للاستمرار، غير أن تطوير الصمامات الطويلة الأجل قد ينتقل إلى دورات وقود منخفضة النيترون مع تقدم الفيزياء والمواد.

Novel Tritium Inventory Reduction Concepts

ويحقق الباحثون في عمليات العجلات حيث لا يوجد سوى جزء من الوقود ثلاثي، أما الباقون فيكونون من الديوتروم، وتظهر المحاكاة أنه مع ارتفاع أداء البلازما عن عتبات معينة، فإن أجزاء الحرق من ثلاثية الأبعاد يمكن أن تتجاوز 10 في المائة (مقارنة بـ1 في المائة في التصميمات الحالية) مما يؤدي إلى خسائر كبيرة في ثلاثي الكيلوغرامات.

مسارات الوقود المغلقة: من محطة إيستر إلى إدارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية وما بعدها

ITER: Validating the Technology

(د) إن محطة الطاقة الكهربائية، التي يجري حالياً تشييدها في كاداراش، فرنسا، ستكون أول جهاز للدمج لاختبار النظم الفرعية المتكاملة لتوليد ثلاثيات النيتيوم ودورة الوقود، وعلى الرغم من أن محطة إيتر لن تنتج الكهرباء، فإنها ستتضمن برنامجاً لبطانية الاختبار (TBM) حيث ستختبر ستة مفاهيم مختلفة لقياس إنتاج ثلاثي الأطراف وأدائها المادي.

المنظمة: المفاعل أول المولد

وبناء على نظام ITER، تهدف عدة برامج وطنية (إدارة الطاقة الأوروبية، والمركز الصيني للكهرباء، والمؤسسة الكورية للكهرباء) إلى بناء محطة لتوليد الكهرباء تنتج الكهرباء الصافية، ويتوقع أن تعمل تصميمات إدارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية بدورة وقود مغلقة، مما يعني أن جميع الثلثيات تُرشَد في الموقع، كما أن جميع أنواع الوقود تُعاد تدويرها، وهي 1 سنة، ومخزونات ثلاثية السعة في مصنع التلقيم الديموئي 5.

الرؤية الطويلة الأجل: الصمامات المستدامة والميسورة التكلفة

وفيما عدا إدارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية، يتوقع أن تحقق محطات توليد الطاقة الكهربائية التجارية عوامل تحميل تبلغ ⁇ 80 في المائة ، مع وجود دورات للوقود على النحو الأمثل لجرد ثلاثي الحد الأدنى من النفايات، ويمكن أن تؤدي الابتكارات مثل البطانيات السائلة ذات السحب المباشر، والمضخات التركية المتقدمة للعادم السريع، وأجهزة التبريد المحتوية على التر.

الاعتبارات البيئية والاقتصادية

إدارة النفايات والنشاط الإشعاعي

ومن أقوى نقاط البيع في مجال الاندماج قصر نصف عمر المواد المنشط نسبياً، ويمكن أن تصبح مكونات الصلب نفايات منخفضة المستوى بعد 100 سنة، مقارنة بالنفايات الانشطارية التي تتطلب احتواء عشرات الآلاف من السنوات، غير أن دورة الوقود نفسها تنتج مياهاً ثلاثية ومركّبات يجب تخزينها إلى أن تُخزّن ثلاثيات (تُخصّص 120 سنة لـ 99.9 في المائة من الدي).

تكلفة دورة الوقود

ويضيف إنتاج التريتيوم في المفاعلات (حتى مع أكفأ البطانيات) إلى تكلفة الكهرباء الصخرية، وتضع التقديرات الحالية تكلفة توالد ثلاثي النيتيوم ودورة الوقود بنسبة 10-20 في المائة من مجموع تكلفة المفاعلات، كما أن التكنولوجيات المتقدمة مثل إعادة التدوير الداخلي المباشر والبطانيات العالية الحجم يمكن أن تقلل هذه الحصة، علاوة على ذلك، فإن تكلفة التريتيوم ذاتها مرتفعة ولكنها تمثل جزءا صغيرا من تكلفة الاستهلاك الكلي للوقود العقاري نظرا للتحدي للوقود.

السلامة والرخص

ويجب أن تتقيد دورة الوقود الصنع بالمعايير التنظيمية الصارمة لانبعاثات ثلاثي الأطراف، والتعرض المهني، والسيناريوهات المتعلقة بالحوادث، كما أن سمات الأمان المتولدة - قوائم جرد ثلاثية، والتبريد السلبي، والترخيص باستخدام التشغيل دون الحرجة - الميكنة أسهل من النسيج، ولكن النظائر والعمليات الجديدة تتطلب تحليلاً مفصلاً للأمان، ويرمي العمل الجاري في مختبرات الصمام في أنحاء العالم إلى توفير نماذج مصدق عليها للترخيص.

الاستنتاج: نحو تحقيق اندماج عملي ومستدام

إن تطوير دورات الوقود المستدامة جزء لا يتجزأ من جعل الطاقة الدمجية حقيقة واقعة، فبينما أن رد فعل الدمج بين الـ دي تي مفهوم جيداً، فإن توسيع دائرة الوقود لتشمل محطة توليد الطاقة يتطلب أساساً إيجاد حلول للتحديات المترابطة في مجال توليد الطاقة، وفصل النظائر، وعلم المواد، والمناولة عن بعد، كما أن التقدم في تصميم البطاقات، وإعادة التدوير الداخلي المباشر، والوقود البديلة، يبشران بتخفيض قوائم الجرد الخاصة بالطاقة، وتحسين السلامة، وتدني التكاليف.