تقاضای جهانی برای منابع انرژی پایدار و کارآمد به طور فزاینده ای به قدرت هسته ای، به ویژه فن آوری های پیشرفته راکتور که وعده می دهد تا نگرانی های طولانی مدت در مورد زباله و استفاده از منابع را در میان این، راکتورهای سریع آب تحت فشار (PWRs) - یک دسته که شامل راکتورهای سریع سدیم و راکتورهای سریع سرب، گاهی اوقات به طور جمعی به عنوان راکتورهای سریع شناخته می شود - برای بررسی سریع چرخه سوخت هسته ای، به این که چگونه به پایان می رسد.

درک واکنش سریع PWR

راکتورهای هسته ای سنتی امروز در عمل - به طور عمده راکتورهای آب روشن (LWRs) - استفاده از نوترونهای حرارتی (که توسط تعدیل کننده هایی مانند آب کاهش یافته) برای حفظ شکافت ذرات اورانیوم-235، راکتورهای سریع، با توجه به این معنی است که آنها انرژی بسیار بالاتر را حفظ می کنند.

راکتورهای سریع PWR (یک اصطلاح گسترده تر که گاهی برای راکتورهای سریع که از آب به عنوان یک خنک کننده استفاده می کنند اما با طیف نوترونی سخت تر، هر چند دقیق تر آنها راکتورهای سریع با انواع خنک کننده هستند) می توانند طیف گسترده تری از ایزوتوپ های فیبرزile، از جمله پلوتونیوم-239 و دیگر عناصر ترانسگلونیک تولید شده در طول راکتورهای معمولی، این قابلیت کلید تبدیل به زباله های پایدار یا ایزوتوپ های کوتاه مدت طولانی مدت است.

طراحی هسته یک راکتور سریع فشرده تر است، با استفاده از غلظت بالاتر مواد فیبری ( خنک کننده) - اغلب سدیم مایع، سرب، یا یک Eutectic سرب-buth-باید به طور موثر انتقال گرما بدون نوترون مودم.این طراحی همچنین دمای عملیاتی بالاتر را فعال می کند، که می تواند بهره وری حرارتی در تولید برق را بهبود بخشد.[۱۰][۳][۱۰][۱۰][۲][۲][۲][۲][۳][۳][۲][۳][۳][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۳][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][

مفهوم بستن چرخه سوخت هسته ای

در چرخه سوخت هسته ای فعلی "باز"، سوخت اورانیوم یک بار در یک راکتور استفاده می شود و سوخت صرف شده به طور نامحدود به عنوان زباله ذخیره می شود.این رویکرد تنها حدود 1 تا 2 درصد از پتانسیل انرژی اورانیوم اصلی را بازیابی می کند.

سوخت هسته ای Spent شامل حدود 95٪ اورانیوم (تقریبا اورانیوم-238) ، 1٪ پلوتونیوم و 4٪ محصولات شکافت و سنگ ریزه های جزئی است.در یک چرخه بسته ، اورانیوم و پلوتونیوم به عناصر سوخت جدید بازیابی و ساخته شده اند.به ویژه ، پلوتونیوم را می توان به عنوان سوخت برای راکتورهای سریع استفاده کرد ، که همچنین می تواند "انتقال" عمل کوچک - طولانی ترین اجزای رادیواکتیو - طولانی ترین ایزوتوپ عمر - را با نیمه عمر کوتاه تر کند.

طرفداران استدلال می کنند که بستن چرخه سوخت به طور چشمگیری کاهش حجم و سمیت زباله های مورد نیاز برای دفع زمین شناسی، زباله های باقی مانده، در درجه اول محصولات فیبر، دارای یک سمی بودن رادیویی است که در طی چند صد سال به جای ده ها هزار سال به سطح پس زمینه می رسد.[۱۰] [۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][۲][

مزایای واکنش سریع PWR

  • استفاده از سوخت مایع: راکتورهای سریع می توانند از اورانیوم-238 استفاده کنند - ایزوتوپ فراوان که بیش از 99٪ اورانیوم طبیعی را تشکیل می دهد - با تبدیل آن به پلوتونیوم-239 از طریق جذب نوترون، به طور موثر ضرب و شتم انرژی از اورانیوم استخراج شده توسط یک عامل 60-100.
  • کاهش و مزه: با سوزاندن عناصر ترانسورانیک، راکتورهای سریع، مسمومیت رادیویی طولانی مدت از مطالعات زباله را کاهش می دهند، نشان می دهد که یک ناوگان از راکتورهای سریع همراه با پردازش مجدد می تواند حجم زباله های سطح بالا را تا 90٪ در مقایسه با چرخه زمانی کاهش دهد.
  • مقاومت در برابر گسترش: روش های پیشرفته پردازش مجدد، مانند pyro Processing یا خانواده UREX +، می تواند برای جلوگیری از جداسازی پلوتونیوم خالص طراحی شده باشد، به جای آن پلوتونیوم با استفاده از عمل کوچک را پوشش دهد تا ترکیبی ایجاد کند که کمتر جذاب برای استفاده از سلاح است.
  • پایداری منبع: با قابلیت های پرورش (تولید مواد فیبری بیشتر از مصرف)، راکتورهای سریع می توانند یک چرخه سوخت خود را که برای چندین دهه به استخراج اورانیوم جدید نیاز ندارد، فعال کنند.
  • بار دفع سرخ شده: جریان نهایی زباله از یک چرخه بسته شامل محصولات فیبری است که در عرض چند صد سال پوسیدگی می شود، این می تواند طراحی را ساده کند و نظارت نهادی مورد نیاز برای مخازن زمین شناسی را کاهش دهد.

چالش های در مواجهه با Fast PWR Deployment

فنی و مهندسی هادلس

عمل یک راکتور با نوترون های سریع چالش های مواد منحصر به فرد را نشان می دهد. شار نوترون بالا می تواند باعث تورم، تحریک و خزیدن در آلیاژهای ساختاری شود.هیدهای سدیم خنک کننده، در حالی که عالی در انتقال گرما، از نظر شیمیایی با هوا و آب واکنش نشان می دهند، و سیستم های ایمنی پیچیده برای جلوگیری از نشت و آتش سوزی های سرب-cooled این واکنش پذیری را کاهش می دهند، اما با مشکلات پیچیده تر شدن و عملیات های پیچیده تر شدن خوردگی و خرابی مواجه می شوند.

فن آوری پردازش برای سوخت سریع راکتور بیشتر از سوخت معمولی LWR است. سطح بالای تابش از Actinides کوچک نیاز به شدت محافظت از سلول های گرم و تجهیزات کنترل از راه دور. - یک تکنیک الکتروشیمیایی با استفاده از نمک های ذوب شده - در حال توسعه و تنها در مقیاس خلبان نشان داده شده است.

قابلیت اقتصادی

راکتورهای سریع هزینه های سرمایه بالاتری نسبت به LWRها به دلیل سیستم های پیچیده تر، مواد جدید و نیاز به ساخت سوخت در محل و امکانات پردازش مجدد دارند.اقتصاد تنها زمانی مطلوب می شود که قیمت های اورانیوم به طور قابل توجهی افزایش یابد یا زمانی که ارزش دفع زباله ها داخلی شده باشد.در حال حاضر قیمت های اورانیوم پایین و در دسترس بودن گاز طبیعی ارزان در بسیاری از بازارها آن را برای توجیه سرمایه گذاری پیش رو به سختی می کند.

با این حال، تجزیه و تحلیل چرخه زندگی نشان می دهد که استقرار راکتورهای سریع می تواند در نهایت هزینه کل سیستم را با کاهش تعداد مخازن زمین شناسی مورد نیاز و با گسترش منابع سوخت کاهش دهد.برخی از کشورها - فرانسه، ژاپن، روسیه و هند - به شدت در برنامه های سریع راکتور سرمایه گذاری کرده اند، با استفاده از راکتور BN-800 روسیه از سال 2016 به صورت تجاری کار می کنند.

تنظیم مقررات و عوامل سیاسی

اجازه یک راکتور سریع یک فرایند آهسته است زیرا شامل یک طراحی جدید بدون سابقه عملیاتی گسترده است. تنظیم کنندگان نیاز به نشان دادن ایمنی در محدوده وسیعی از سناریوهای تصادف دارند، از جمله آنهایی که منحصر به فرد به سدیم یا سیستم های خنک کننده سرب هستند، همچنین یک مانع، به ویژه در مورد پردازش مجدد و حمل و نقل مواد رادیواکتیو است.

همکاری بین المللی و استاندارد سازی کدهای طراحی می تواند سرعت تصویب را افزایش دهد. آژانس بین المللی انرژی اتمی (IAEA) دستورالعمل هایی برای ایمنی سریع راکتور توسعه داده است، اما تفاوت های ملی همچنان ادامه دارد.

آینده چشم انداز و تحقیقات مداوم

برنامه های جهانی و تظاهرات

چندین کشور به طور فعال در حال توسعه سریع تکنولوژی راکتور هستند. روسیه با BN-600 و BN-800 (sodium-cooled) و در حال ساخت BREST-300 (ad-cooled) در ترکیب شیمیایی سیبری است. هند FBTR را اداره می کند و ساخت یک راکتور 500 MWe نمونه اولیه سریع رشد می کند.

مونجو ژاپن در سال 2016 به طور دائم تعطیل شد، اما تحقیقات در JAEA. ایالات متحده ادامه دارد، در حالی که در حال حاضر یک راکتور سریع را اجرا نمی کند، پروژه ی Versatile Test Reactor (VTR) را برای ارائه ی قابلیت سریع نوروفور برای آزمایش سوخت و مواد، بودجه می کند.

نوآوری در سوخت و پردازش

سوخت های پیشرفته – مانند آلیاژهای فلزی، سوخت های نیتید و سوخت های اکسید با چگالی بالا – تحت تحقیقات برای بهبود عملکرد، حاشیه ایمنی و سوزاندن قرار دارند. پارتیشن بندی و ترانسترو (P&T) با هدف توسعه فرآیندهایی که عمل های کوچک را با کارایی بالا جدا می کنند و سپس آنها را به سوخت برای راکتورهای سریع ترکیب می کنند.

پروژه MYRRHA در بلژیک (یک راکتور تحقیقاتی چند منظوره) و پروژه ALLEGRO در اروپا نمونه هایی از امکانات سریع نسل بعدی است که مواد و سوخت های تحت شرایط نمایندگی آزمایش می کنند.

ادغام با انرژی های تجدید پذیر

راکتورهای سریع معمولا برای عملیات بارگذاری پایه طراحی شده اند، اما برخی از مفاهیم شامل قابلیت های بار-پیوسته یا ذخیره سازی انرژی حرارتی برای تکمیل انرژی های تجدید پذیر متغیر در آینده است که در آن انرژی خورشیدی و باد حاکم است، راکتورهای سریع می توانند انرژی پایدار و قابل ارسال را در حالی که به طور همزمان مدیریت زباله های هسته ای از راکتورهای موجود.

پتانسیل برای مشاوران سریع کوچک

چندین استارت آپ و سازمان تحقیقاتی در حال بررسی راکتورهای سریع کوچک (SMFRs) با خروجی های 10 تا 300 MWe هستند، این ها می توانند کارخانه-ساخت، کاهش هزینه های ساخت و ساز سایت و امکان استقرار در مناطق دور افتاده یا برای کاربردهای تخصصی (به عنوان مثال، گرما برای تولید هیدروژن) باشند.

نتیجه گیری

پتانسیل راکتورهای سریع PWR و راکتورهای سریع به طور کلی - برای بستن چرخه سوخت هسته ای قابل توجه است.آنها یک مسیر را برای انرژی هسته ای تقریبا بدون زباله ارائه می دهند، با کاهش قابل ملاحظه ای مسمومیت رادیویی طولانی مدت و تامین سوخت پایدارتر، با این حال، چالش های فنی، اقتصادی و نظارتی همچنان قابل توجه هستند.

اگر این چالش ها را بتوان برطرف کرد، راکتورهای سریع می توانند قدرت هسته ای را به منبع انرژی کم کربن تبدیل کنند که مشکل زباله را حل می کند نه تشدید آن.ده سال آینده تحقیق و تظاهرات در تعیین این که آیا این دیدگاه به یک سنگ بنای استراتژی انرژی جهانی تبدیل می شود، بسیار مهم خواهد بود.

[[۱] [۱۰] [۱] [۱] [۱] برای فیزیک سریع تر راکتور، [۱۰] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳]] [۱۰] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۵] [۳] [۵] [۳] [۳] [۵] [۵] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۵] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۵] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۵] [۵] [۳] [۳

[انجمن جهانی نیاز به استفاده از سوخت هسته ای دسترسی به ژوئن 2025.

[در این باره] بخوانید: [انجمن بین المللی] - Fast Reactors و NRC Reactors پیشرفته [[FLT3]