وقود MOX

وقود الأكسيد المختلط ( وقود MOX ) هو وقود نووي يحتوي على أكثر من أكسيد واحد من المواد الانشطارية ، ويتكون عادةً من البلوتونيوم الممزوج باليورانيوم الطبيعي أو اليورانيوم المُعاد معالجته أو اليورانيوم المُستنفد . يُعد وقود MOX بديلاً لوقود اليورانيوم منخفض التخصيب المستخدم في مفاعلات الماء الخفيف التي تُهيمن على توليد الطاقة النووية .

على سبيل المثال، يتفاعل خليط من 7% بلوتونيوم و93% يورانيوم طبيعي بشكل مشابه، وإن لم يكن مطابقًا تمامًا، لوقود اليورانيوم منخفض التخصيب (3 إلى 5% يورانيوم-235). يتكون خليط الوقود المختلط (MOX) عادةً من طورين، هما UO₂ _و PuO₂ _، و/أو محلول صلب أحادي الطور (U,Pu)O₂ _. قد تتراوح نسبة PuO₂ _من 1.5% إلى 25-30% وزنيًا، وذلك تبعًا لنوع المفاعل النووي.

من مزايا وقود MOX أنه وسيلة لاستخدام فائض البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة ، كبديل لتخزينه، والذي يتطلب تأمينه ضد خطر السرقة لاستخدامه في الأسلحة النووية . ^{[ 1 ] [ 2 ]} من جهة أخرى، حذرت بعض الدراسات من أن تطبيع الاستخدام التجاري العالمي لوقود MOX والتوسع المصاحب له في إعادة معالجة الوقود النووي سيزيد، بدلاً من أن يقلل، من خطر الانتشار النووي ، وذلك بتشجيع زيادة فصل البلوتونيوم عن الوقود المستهلك في دورة الوقود النووي المدني . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

في قلب كل مفاعل نووي قائم على اليورانيوم، يحدث انشطار لنظائر اليورانيوم مثل اليورانيوم-235 ، وتكوين نظائر جديدة أثقل نتيجةً لالتقاط النيوترونات ، وخاصةً بواسطة اليورانيوم-238 . يشكل اليورانيوم-238 معظم كتلة الوقود في المفاعل. من خلال التقاط النيوترونات وتحللين متتاليين لجسيمات بيتا ، يتحول اليورانيوم-238 إلى بلوتونيوم-239 ، والذي يتحول بدوره، من خلال التقاط النيوترونات المتتالي، إلى بلوتونيوم-240 ، ثم بلوتونيوم-241 ، ثم بلوتونيوم-242 ، وبعد المزيد من تحللات بيتا، إلى نويدات أخرى عابرة لليورانيوم أو الأكتينيدات . البلوتونيوم-239 والبلوتونيوم-241 قابلان للانشطار ، مثل اليورانيوم-235. تتشكل كميات صغيرة من اليورانيوم-236 والنبتونيوم -237 والبلوتونيوم -238 بشكل مماثل من اليورانيوم-235.

عادةً، مع استبدال وقود اليورانيوم منخفض التخصيب كل خمس سنوات تقريبًا، يُحرق معظم البلوتونيوم-239 داخل المفاعل. يتصرف البلوتونيوم-239 مثل اليورانيوم-235، مع مقطع عرضي أعلى قليلًا للانشطار، ويُطلق انشطاره كمية مماثلة من الطاقة . عادةً، يُشكّل البلوتونيوم حوالي 1% من الوقود المستهلك الخارج من المفاعل ، ويُشكّل البلوتونيوم-239 حوالي ثلثي هذا البلوتونيوم. على مستوى العالم، ينتج ما يقرب من 100 طن من البلوتونيوم في الوقود المستهلك سنويًا.

تؤدي إعادة معالجة البلوتونيوم إلى وقود قابل للاستخدام إلى زيادة الطاقة المستمدة من اليورانيوم الأصلي بنحو 12%، وإذا أُعيد تدوير اليورانيوم-235 أيضًا عن طريق إعادة التخصيب، فإن هذه النسبة تصل إلى حوالي 20%. ^{[ 6 ]} يُعاد معالجة البلوتونيوم ويُستخدم مرة واحدة فقط كوقود MOX؛ أما وقود MOX المستهلك، الذي يحتوي على نسبة عالية من الأكتينيدات الثانوية ونظائر البلوتونيوم، فيُخزن كنفايات.

يجب إعادة ترخيص المفاعلات النووية القائمة قبل إدخال وقود MOX، لأن استخدامه يُغير خصائص تشغيل المفاعل، ويجب تصميم المحطة أو تعديلها قليلاً لاستيعابه؛ على سبيل المثال، يلزم المزيد من قضبان التحكم . غالبًا ما يتم تحويل ثلث إلى نصف حمولة الوقود فقط إلى MOX، ولكن عند تجاوز حمولة MOX 50%، يلزم إجراء تغييرات كبيرة، ويجب تصميم المفاعل وفقًا لذلك. صُمم مفاعل النظام 80 المستخدم في محطة بالو فيردي لتوليد الطاقة النووية الأمريكية بالقرب من فينيكس، أريزونا، ليكون متوافقًا بنسبة 100% مع وقود MOX، ولكنه يعمل حتى الآن دائمًا على يورانيوم جديد منخفض التخصيب. نظريًا، يمكن لمفاعلات بالو فيردي الثلاثة استخدام وقود MOX الناتج عن سبعة مفاعلات تعمل بالوقود التقليدي سنويًا، ولن تحتاج بعد ذلك إلى وقود يورانيوم جديد. ^{[ 7 ]}

صُممت مفاعلات النيوترونات السريعة BN-600 و BN-800 لتحمّل وقود MOX بنسبة 100%. وفي عام 2022، تم تحميل مفاعل BN-800 بوقود MOX بالكامل لأول مرة. ^{[ 8 ]}

بحسب هيئة الطاقة الذرية الكندية المحدودة (AECL)، يمكن لمفاعلات كاندو استخدام نوى وقود MOX بنسبة 100% دون أي تعديل فيزيائي. ^{[ 9 ] [ 10 ]} وقد أفادت الهيئة للجنة التخلص من البلوتونيوم التابعة للأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة بأن لديها خبرة واسعة في اختبار استخدام وقود MOX الذي يحتوي على نسبة بلوتونيوم تتراوح بين 0.5 و3%.

يُعدّ محتوى البلوتونيوم غير المحترق في وقود MOX المستهلك من المفاعلات الحرارية كبيرًا، إذ يتجاوز 50% من حمولة البلوتونيوم الأولية. مع ذلك، أثناء احتراق MOX، تنخفض نسبة النظائر الانشطارية (ذات العدد الفردي) إلى النظائر غير الانشطارية (ذات العدد الزوجي) من حوالي 65% إلى 20%، تبعًا لدرجة الاحتراق. هذا يجعل أي محاولة لاستعادة النظائر الانشطارية صعبة، كما أن أي كمية من البلوتونيوم المستعادة ستتطلب نسبة عالية جدًا منه في أي جيل ثانٍ من MOX، ما يجعلها غير عملية. هذا يعني أن إعادة معالجة هذا الوقود المستهلك لإعادة استخدام البلوتونيوم (حرقه) ستكون صعبة. وتُعدّ إعادة المعالجة المنتظمة لوقود MOX ثنائي الطور المستهلك صعبة بسبب انخفاض ذوبان أكسيد البلوتونيوم (PuO₂ ₎ في حمض النيتريك. ^{[ 11 ]}

حتى عام 2015، كان العرض التوضيحي الوحيد للوقود المعاد تدويره مرتين وعالي الاحتراق قد حدث في مفاعل فينيكس السريع. ^{[ 12 ]}

تُجرى عملية إعادة معالجة الوقود النووي التجاري لإنتاج وقود MOX في فرنسا، وبدرجة أقل في روسيا والهند واليابان. وفي المملكة المتحدة، عمل مشروع THORP من عام 1994 إلى عام 2018. وتخطط الصين لتطوير مفاعلات التوليد السريع وإعادة المعالجة. ولا يُسمح بإعادة معالجة الوقود النووي المستهلك من المفاعلات التجارية في الولايات المتحدة لاعتبارات منع الانتشار النووي. وكانت ألمانيا قد خططت لإنشاء محطة لإعادة المعالجة في فاكرسدورف، ولكن نظرًا لعدم تحقق ذلك، اعتمدت بدلًا من ذلك على القدرات الفرنسية في مجال إعادة المعالجة النووية إلى أن حظرت قانونيًا نقل الوقود الألماني المستهلك لإعادة المعالجة في عام 2005. ^{[ 13 ]}

كانت الولايات المتحدة تُشيّد محطة وقود MOX في موقع سافانا ريفر بولاية كارولاينا الجنوبية. ورغم أن هيئة وادي تينيسي (TVA) وشركة ديوك إنرجي أبدتا اهتمامًا باستخدام وقود مفاعل MOX المُستخلص من تحويل البلوتونيوم المُستخدم في الأسلحة، ^{[ 14 ]} إلا أن هيئة وادي تينيسي (العميل المُرجّح) صرّحت في أبريل 2011 أنها ستؤجل القرار لحين تقييم أداء وقود MOX في حادثة فوكوشيما دايتشي النووية . ^{[ 15 ]} وفي مايو 2018، أفادت وزارة الطاقة الأمريكية أن المحطة ستتطلب 48 مليار دولار إضافية لإكمالها، إضافةً إلى 7.6 مليار دولار أُنفقت بالفعل. وقد أُلغي مشروع البناء. ^{[ 16 ]}

يُحوّل البلوتونيوم المُستخلص من الوقود المُعاد تدويره عادةً إلى وقود مُختلط (MOX) في غضون أقل من خمس سنوات من إنتاجه لتجنب المشاكل الناجمة عن الشوائب الناتجة عن تحلل نظائر البلوتونيوم قصيرة العمر . فعلى وجه الخصوص، يتحلل البلوتونيوم-241 إلى الأمريسيوم-241 بنصف عمر يبلغ 14 عامًا. ونظرًا لأن الأمريسيوم-241 يُصدر أشعة غاما ، فإن وجوده يُشكل خطرًا محتملاً على الصحة المهنية . ومع ذلك، من الممكن فصل الأمريسيوم عن البلوتونيوم بعملية فصل كيميائي. وحتى في أسوأ الظروف، يكون خليط الأمريسيوم/البلوتونيوم أقل إشعاعًا من محلول إذابة الوقود المُستنفد، لذا يُفترض أن يكون استخلاص البلوتونيوم سهلاً نسبيًا باستخدام تقنية PUREX أو أي طريقة أخرى لإعادة المعالجة المائية.

من الممكن إضافة كل من الأمريسيوم والكوريوم إلى وقود MOX من اليورانيوم/البلوتونيوم قبل تحميله في مفاعل سريع أو مفاعل دون حرج يعمل بنظام "حرق الأكتينيدات". هذه إحدى وسائل التحويل النووي. يُعدّ العمل بالكوريوم أصعب بكثير من العمل بالأمريسيوم، لأن الكوريوم مُشعّ للنيوترونات، لذا يجب حماية خط إنتاج MOX بالرصاص والماء لحماية العاملين.

كذلك، يُنتج تشعيع الكوريوم بالنيوترونات الأكتينيدات الأعلى ، مثل الكاليفورنيوم ، مما يزيد جرعة النيوترونات المرتبطة بالوقود النووي المستهلك ؛ وهذا بدوره قد يُلوث دورة الوقود بمصادر نيوترونية قوية. ونتيجةً لذلك، يُرجح استبعاد الكوريوم من معظم أنواع وقود MOX. ويمكن لمفاعل دون حرج، مثل نظام الدفع المُسرّع، أن "يحرق" هذا النوع من الوقود إذا ما تم حل المشكلات المتعلقة بمعالجته ونقله. مع ذلك، ولتجنب ارتفاعات الطاقة الناتجة عن الوصول غير المقصود إلى حالة حرجة، يجب معرفة خصائص النيوترونات بدقة في أي لحظة، بما في ذلك تأثير تراكم أو استهلاك النويدات المُصدرة للنيوترونات، بالإضافة إلى المواد السامة للنيوترونات.

يجري أيضًا اختبار وقود MOX الذي يحتوي على أكاسيد الثوريوم والبلوتونيوم. ^{[ 18 ]} ووفقًا لدراسة نرويجية، فإن " تفاعل فراغات سائل التبريد لوقود الثوريوم-البلوتونيوم يكون سلبيًا لمحتوى البلوتونيوم حتى 21%، بينما يحدث الانتقال عند 16% لوقود MOX." ^{[ 19 ]} وخلص الباحثون إلى أن "وقود الثوريوم-البلوتونيوم يبدو أنه يوفر بعض المزايا مقارنةً بوقود MOX فيما يتعلق بقضبان التحكم وقيم البورون ، وتفاعل فراغات سائل التبريد، واستهلاك البلوتونيوم." ^{[ 19 ]}

• الجوانب التقنية لاستخدام البلوتونيوم كوقود للمفاعلات في الأسلحة
• دورات الوقود النووي التآزرية للمستقبل
• ورقة إحاطة حول القضايا النووية رقم 42
• حرق البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة في مفاعلات كاندو
• برنامج لتحويل قنابل البلوتونيوم إلى وقود يواجه عقبات. مؤرشف بتاريخ ١٢ سبتمبر ٢٠٠٧ في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).