مفاعل دون حرج

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

المفاعل دون الحرج هو مفهوم لمفاعلات الانشطار النووي ينتج الانشطار دون الوصول إلى حالة الحرج . فبدلاً من استمرار التفاعل المتسلسل ، يستخدم المفاعل دون الحرج نيوترونات إضافية من مصدر خارجي. وهناك فئتان رئيسيتان من هذه الأجهزة. الأولى تستخدم نيوترونات مُولَّدة من جهاز اندماج نووي ، وهو مفهوم يُعرف باسم المفاعل الهجين للاندماج والانشطار . أما الثانية فتستخدم نيوترونات مُنتَجة من خلال تفتت النوى الثقيلة بواسطة جسيمات مشحونة مثل البروتونات المُسرَّعة بواسطة مُسرِّع جسيمات ، وهو مفهوم يُعرف باسم النظام المُشغَّل بالمُسرِّع (ADS) أو المفاعل دون الحرج المُشغَّل بالمُسرِّع .

تحفيز

يمكن استخدام مفاعل دون حرج لتدمير النظائر الثقيلة الموجودة في الوقود المستهلك من مفاعل نووي تقليدي، مع إنتاج الكهرباء في الوقت نفسه. من حيث المبدأ، يمكن انشطار العناصر العابرة لليورانيوم طويلة العمر الموجودة في النفايات النووية ، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة في هذه العملية وترك نواتج انشطار أقصر عمرًا. من شأن ذلك أن يقلل بشكل كبير من وقت التخلص من النفايات المشعة . مع ذلك، تمتلك بعض النظائر مقاطع عرضية انشطارية عتبية ، وبالتالي تتطلب مفاعلًا سريعًا لانشطارها. في حين أنه يمكن تحويلها إلى مواد انشطارية باستخدام النيوترونات الحرارية، فإن بعض النوى تحتاج إلى ما يصل إلى ثلاث تفاعلات متتالية لالتقاط النيوترونات للوصول إلى نظير انشطاري، ثم إلى نيوترون آخر للانشطار. كما أنها تُطلق في المتوسط ​​عددًا قليلًا جدًا من النيوترونات الجديدة لكل انشطار، بحيث لا يمكن الوصول إلى الحالة الحرجة باستخدام وقود يحتوي على نسبة عالية منها. أما المفاعل الذي يعمل بالمُسرِّع فهو مستقل عن هذا العامل، وبالتالي يمكنه استخدام هذه النوى. تُعدّ النبتونيوم-237 والأمريكيوم -241 والأمريكيوم -243 من أهم النظائر المشعة طويلة الأمد التي يُمكن التعامل معها بهذه الطريقة بكفاءة . كما يُعدّ البلوتونيوم-239، وهو مادة تُستخدم في الأسلحة النووية، مناسبًا أيضًا، على الرغم من إمكانية استخدامه بطريقة أقل تكلفة كوقود MOX أو داخل المفاعلات السريعة القائمة .

إلى جانب حرق النفايات النووية، يُبدي هذا النوع من المفاعلات اهتمامًا متزايدًا نظرًا لكونه يُعتبر آمنًا بطبيعته ، على عكس المفاعلات التقليدية. ففي معظم أنواع المفاعلات الحرجة، توجد ظروف قد يرتفع فيها معدل الانشطار النووي بسرعة، مما قد يُلحق الضرر بالمفاعل أو يُدمره، ويسمح بتسرب المواد المشعة (انظر كارثة SL-1 أو كارثة تشيرنوبيل ). أما في المفاعل دون الحرج، فيتوقف التفاعل ما لم يُغذى باستمرار بالنيوترونات من مصدر خارجي. ومع ذلك، تبقى مشكلة توليد الحرارة قائمة حتى بعد توقف التفاعل المتسلسل، لذا فإن التبريد المستمر لهذا النوع من المفاعلات لفترة طويلة بعد إيقاف التشغيل أمر بالغ الأهمية لتجنب ارتفاع درجة الحرارة. ومع ذلك، يمكن تقليل مشكلة حرارة الاضمحلال إلى الحد الأدنى، إذ لا يحتاج المفاعل دون الحرج إلى تجميع كتلة حرجة من المواد الانشطارية، وبالتالي يمكن بناؤه بحجم صغير جدًا (تقريبًا)، مما يقلل من الكتلة الحرارية المطلوبة لنظام تبريد طارئ قادر على امتصاص كل الحرارة المتولدة في الساعات أو الأيام التي تلي إيقاف التشغيل الطارئ .

النيوترونات المتأخرة

ثمة اختلاف آخر بين المفاعل دون الحرج والمفاعل النووي "العادي" (سواءً كان يعمل بالنيوترونات السريعة أو الحرارية)، وهو أن جميع محطات الطاقة النووية "العادية" تعتمد على النيوترونات المتأخرة للحفاظ على ظروف تشغيل آمنة. وبحسب النظير المنشطر، فإن أقل من 1% من النيوترونات لا تُطلق فورًا عند الانشطار ( النيوترونات الفورية )، بل تُطلق بعد أجزاء من الثانية إلى دقائق من نواتج الانشطار التي تتحلل تحللاً بيتا متبوعًا بانبعاث النيوترونات. تُعد هذه النيوترونات المتأخرة ضرورية للتحكم في المفاعل، لأن الفترة الزمنية بين "أجيال" الانشطار قصيرة جدًا لدرجة أن العمليات الفيزيائية الكلية أو التدخل البشري لا يستطيعان السيطرة على أي زيادة مفاجئة في الطاقة. ومع ذلك، ولأن النيوترونات المتأخرة وحدها هي التي توفر الكمية الكافية من النيوترونات للحفاظ على الحالة الحرجة، فإن أزمنة التفاعل تصبح أطول بعدة مراتب، ويصبح التحكم في المفاعل ممكنًا. على النقيض من ذلك، يعني هذا أن انخفاض نسبة النيوترونات المتأخرة يجعل مادة قابلة للانشطار غير مناسبة لتشغيل محطة طاقة نووية "تقليدية". في المقابل، يتمتع المفاعل دون الحرج بخصائص محسّنة قليلاً مع وقود ذي نسب منخفضة من النيوترونات المتأخرة (انظر أدناه). ومن المصادفة أن 235يحتوي اليورانيوم، وهو أكثر المواد الانشطارية استخدامًا حاليًا، على نسبة عالية نسبيًا من النيوترونات المتأخرة، 239يتميز البلوتونيوم بانخفاض كبير في تركيزه، وهو ما يحد - بالإضافة إلى خصائصه الفيزيائية والكيميائية الأخرى - من محتوى البلوتونيوم المحتمل في وقود المفاعلات "العادي". ولهذا السبب، لا يزال وقود MOX المستهلك يحتوي على كميات كبيرة من البلوتونيوم (بما في ذلك النظير الانشطاري 239).بو - وعندما يكون "طازجًا" - 241لا تتم إعادة معالجة البلوتونيوم عادةً بسبب نمو العناصر غير القابلة للانشطار 240يتطلب الحفاظ على التفاعل النووي المحفز زيادة نسبة البلوتونيوم في الوقود المصنّع منه. أما المكون الرئيسي الآخر للوقود المستهلك - اليورانيوم المعاد معالجته - فيُستخلص عادةً كمنتج ثانوي فقط، ويُباع بأسعار أقل في سوق اليورانيوم مقارنةً باليورانيوم الطبيعي بسبب تراكم نظير 236 فيه.اليورانيوم ونظائر اليورانيوم "غير المرغوب فيها" الأخرى .

مبدأ

تقترح معظم تصاميم أنظمة التسريع المتقدمة الحالية مُسرِّع بروتونات عالي الكثافة بطاقة تبلغ حوالي 1 جيجا إلكترون فولت ، موجه نحو هدف التفتيت أو مصدر نيوترونات التفتيت. يحتوي المصدر، الموجود في قلب المفاعل، على معدن سائل يصطدم به شعاع البروتونات، مُطلقًا بذلك نيوترونات، ويتم تبريده بتدوير المعدن السائل، مثل الرصاص والبزموت ، نحو مبادل حراري. يحتوي قلب المفاعل النووي المحيط بمصدر نيوترونات التفتيت على قضبان الوقود، ويكون الوقود أي خليط من الأكتينيدات القابلة للانشطار أو الخصبة، ولكن يُفضَّل أن يحتوي على كمية معينة من المواد الانشطارية لتجنب التشغيل عند درجة حرارة صفرية أثناء بدء التشغيل. وبالتالي، لكل بروتون يتقاطع مع هدف التفتيت، يتم إطلاق 20 نيوترونًا في المتوسط ، والتي تنشطر الجزء الانشطاري المحيط من الوقود وتحول الذرات في الجزء الخصب، مُنتجةً بذلك مادة انشطارية جديدة. بافتراض استهلاك 20 نيوترونًا لكل جيجا إلكترون فولت، فإن النيوترون الواحد "يكلف" 50 ميجا إلكترون فولت، بينما يُطلق الانشطار (الذي يتطلب نيوترونًا واحدًا) حوالي 200 ميجا إلكترون فولت لكل ذرة أكتينيد تنشطر. يمكن زيادة الكفاءة بتقليل الطاقة اللازمة لإنتاج النيوترون، وزيادة نسبة الطاقة القابلة للاستخدام المستخرجة من الانشطار (إذا استُخدمت عملية حرارية، فإن كفاءة كارنو تُشير إلى ضرورة رفع درجات الحرارة لزيادة الكفاءة)، وأخيرًا بتقريب درجة الحرارة الحرجة من 1 مع الحفاظ على قيمتها دونها. يُعد مدى انخفاض درجة حرارة المفاعل عن درجة الحرارة الحرجة عاملًا مهمًا في كلٍ من الكفاءة والسلامة . ولتبسيط الأمر، يمكن تفسير قيمة k(الفعالة) المستخدمة لتحديد درجة الحرارة الحرجة للمفاعل (بما في ذلك النيوترونات المتأخرة) على أنها عدد النيوترونات من كل "جيل" التي تُنشطر نوى أخرى. إذا كانت قيمة k(effective) تساوي 1، فإنه مقابل كل 1000 نيوترون يتم إدخالها، يتم إنتاج 1000 نيوترون أخرى تُساهم في انشطار المزيد من النوى. من الواضح أن معدل التفاعل سيزداد باطراد في هذه الحالة نتيجةً لزيادة كمية النيوترونات المُستمدة من مصدر النيوترونات. أما إذا كانت قيمة k(effective) أقل بقليل من 1، فيجب توفير عدد قليل من النيوترونات من خارج المفاعل للحفاظ على استقرار التفاعل، مما يزيد من كفاءته. من ناحية أخرى، في الحالة القصوى لـ "انعدام الحرجية"، أي k(effective)=0 (على سبيل المثال، إذا تم تشغيل المفاعل للتحويل النووي فقط)، فإن جميع النيوترونات "تُستهلك" ولا يتم إنتاج أي منها داخل الوقود. ومع ذلك، في مجال النيوترونياتلا يمكن معرفة ذلك إلا بدرجة معينة من الدقة، ويجب أن يسمح المفاعل عمليًا بهامش أمان أقل من درجة الحرارة الحرجة يعتمد على مدى معرفة النيوترونات وعلى تأثير نمو النويدات التي تتحلل عن طريق الانشطار التلقائي الذي ينبعث منه النيوترونات مثل الكاليفورنيوم-252 أو النويدات التي تتحلل عن طريق انبعاث النيوترونات .

يمكن تنظيم توازن النيوترونات، أو حتى إيقافه تمامًا، عن طريق ضبط قدرة المُسرِّع بحيث يكون المفاعل دون مستوى الحرجية . توفر النيوترونات الإضافية المُستمدة من مصدر نيوترونات التفتت درجة تحكم مماثلة لتلك التي توفرها النيوترونات المتأخرة في المفاعل النووي التقليدي ، مع اختلاف أن النيوترونات المُستمدة من مصدر نيوترونات التفتت يسهل التحكم بها بواسطة المُسرِّع. وتتمثل الميزة الرئيسية في الأمان المُتأصل . يمتلك الوقود النووي للمفاعل النووي التقليدي خصائص تنظيم ذاتي، مثل تأثير دوبلر أو تأثير الفراغ، مما يجعل هذه المفاعلات النووية آمنة. إضافةً إلى هذه الخصائص الفيزيائية للمفاعلات التقليدية، في المفاعل دون الحرجية، عند إيقاف مصدر النيوترونات، يتوقف تفاعل الانشطار ولا يتبقى سوى حرارة الاضمحلال.

مبدأ تشغيل المفاعل الذي يعمل بالمسرع

التحديات التقنية

توجد صعوبات تقنية يجب التغلب عليها قبل أن يصبح نظام ADS اقتصاديًا ويُدمج في نهاية المطاف ضمن أنظمة إدارة النفايات النووية المستقبلية. يجب أن يوفر المُسرِّع كثافة عالية وأن يتمتع بموثوقية فائقة، إذ أن أي انقطاع في عمله، بالإضافة إلى التسبب في إيقاف تشغيله، سيُعرِّض النظام لإجهاد حراري هائل . تُثار مخاوف بشأن النافذة الفاصلة بين البروتونات وهدف التفتت، والتي من المتوقع أن تتعرض للإجهاد في ظل ظروف قاسية. مع ذلك، أظهرت تجربة حديثة مع مصدر التفتت النيوتروني المعدني السائل MEGAPIE، الذي تم اختباره في معهد بول شيرر، وجود نافذة شعاع عاملة تحت شعاع بروتوني مكثف بقدرة 0.78 ميغاواط. يُعد الفصل الكيميائي للعناصر العابرة لليورانيوم وتصنيع الوقود، بالإضافة إلى مواد الهيكل، من القضايا المهمة. أخيرًا، يُحدّ نقص البيانات النووية عند طاقات النيوترونات العالية من كفاءة التصميم. يمكن التغلب على هذه المشكلة الأخيرة بإدخال مُعدِّل نيوتروني بين مصدر النيوترونات والوقود، لكن هذا قد يؤدي إلى زيادة التسرب لأن المُعدِّل سيُشتِّت النيوترونات بعيدًا عن الوقود. يمكن لتغيير هندسة المفاعل أن يقلل من التسرب، لكنه لا يمنعه تمامًا. كما أن تسرب النيوترونات يثير القلق نظرًا لمنتجات التنشيط التي ينتجها، وللضرر المادي الذي قد يلحقه الإشعاع النيوتروني بالمواد. علاوة على ذلك، يتميز طيف النيوترونات السريعة بمزايا معينة لا يمكن تحقيقها باستخدام النيوترونات الحرارية، كما هو الحال مع المهدئ. من جهة أخرى، تُعد مفاعلات النيوترونات الحرارية النوع الأكثر شيوعًا وفهمًا من بين المفاعلات النووية، كما أن للنيوترونات الحرارية مزايا على النيوترونات السريعة.

أثبتت بعض التجارب المخبرية والعديد من الدراسات النظرية إمكانية إنشاء مثل هذه المحطة. وكان كارلو روبيا ، الفيزيائي النووي الحائز على جائزة نوبل والمدير السابق لمركز سيرن ، من أوائل من وضعوا تصميمًا لمفاعل دون حرج، يُعرف باسم " مضخم الطاقة ". وفي عام 2005، انطلقت عدة مشاريع واسعة النطاق في أوروبا واليابان لمواصلة تطوير تكنولوجيا المفاعلات دون الحرجة. وفي عام 2012، أطلق علماء ومهندسو سيرن اللجنة الدولية لطاقة الثوريوم (iThEC)، [ 1 ] وهي منظمة مُكرسة لتحقيق هذا الهدف، والتي نظمت مؤتمر ThEC13 [ 2 ] حول هذا الموضوع.

الاقتصاد والقبول العام

طُرحت المفاعلات دون الحرجة كوسيلة لتوليد الطاقة الكهربائية ، وكوسيلة لتحويل النفايات النووية ، ما يُحقق فائدة مزدوجة. مع ذلك، يُتوقع أن تكون تكاليف بناء هذه المنشآت المعقدة وسلامتها وصيانتها باهظة للغاية، ناهيك عن حجم الأبحاث اللازمة لتطوير تصميم عملي (انظر أعلاه). توجد مفاهيم أرخص وأكثر أمانًا لإدارة النفايات، مثل التحويل النووي في مفاعلات النيوترونات السريعة . مع ذلك، قد يُفضّل حل المفاعل دون الحرج لقبوله بشكل أفضل من قِبل الجمهور ، إذ يُعتبر حرق النفايات أكثر قبولًا من دفنها لمئات آلاف السنين. في إدارة النفايات المستقبلية، يُمكن دمج عدد قليل من أجهزة التحويل النووي في برنامج نووي واسع النطاق، مع أمل ألا يزيد ذلك التكاليف الإجمالية إلا بشكل طفيف.

يتمثل التحدي الرئيسي الذي يواجه عمليات التقسيم والتحويل النووي في ضرورة الدخول في دورات نووية طويلة الأمد للغاية، تصل إلى حوالي 200 عام. [ 3 ] ومن العيوب الأخرى توليد كميات كبيرة من النفايات المشعة متوسطة المستوى طويلة العمر ، والتي تتطلب بدورها دفنها في أعماق جيولوجية لإدارتها بأمان. أما الجانب الإيجابي، فهو الانخفاض المتوقع في حجم المستودع، والذي قُدِّر بنحو 4 إلى 6 أضعاف. وقد تم فحص كلا الجانبين الإيجابي والسلبي في دراسة مرجعية دولية [ 4 ] نسقها مركز يوليش للأبحاث وموّلها الاتحاد الأوروبي .

الأنظمة الهجينة دون الحرجة

في حين تم تصور نظام ADS في الأصل كجزء من تصميم مفاعل الماء الخفيف ، فقد تم تقديم مقترحات أخرى تدمج نظام ADS في مفاهيم مفاعلات الجيل الرابع الأخرى.

يدعو أحد هذه المقترحات إلى مفاعل سريع مُبرّد بالغاز، يُغذّى أساسًا بالبلوتونيوم والأمريكيوم . تُصعّب الخصائص النيوترونية للأمريكيوم استخدامه في أي مفاعل حرج، لأنه يميل إلى زيادة معامل درجة حرارة المُهدِّئ ، مما يُقلّل من استقراره. مع ذلك، فإنّ الأمان المُتأصّل في نظام التبريد السريع (ADS) يسمح بحرق الأمريسيوم بأمان. كما تتميّز هذه المواد باقتصاد نيوتروني جيد، مما يسمح بنسبة كبيرة بين طول الثقوب والقطر، وهو ما يُحسّن الدوران الطبيعي ويُعزّز الجدوى الاقتصادية.

أنظمة تعمل بالميونات للتخلص من النفايات النووية

يجري تطوير طرق دون حرجة للتخلص من النفايات النووية لا تعتمد على مصادر النيوترونات. [ 5 ] وتشمل هذه الطرق أنظمة تعتمد على آلية التقاط الميونات ، حيث تقوم الميونات (μ− ) الناتجة عن مصدر مضغوط يعمل بمسرع بتحويل النظائر المشعة طويلة العمر إلى نظائر مستقرة. [ 6 ]

طبيعي

يُستخدم مصطلح "المفاعل دون الحرج" عادةً للإشارة إلى الأنظمة الاصطناعية، لكن توجد أنظمة طبيعية أيضًا؛ فأي مصدر طبيعي للمواد الانشطارية المعرضة للأشعة الكونية وأشعة غاما ( حتى من الشمس ) يُمكن اعتباره مفاعلًا دون الحرج. ويشمل ذلك الأقمار الصناعية التي تُطلق من الفضاء والمزودة بمولدات كهروحرارية تعمل بالنظائر المشعة، بالإضافة إلى أي خزانات مكشوفة من هذا القبيل.

انظر أيضاً

مراجع

ملحوظات
  1. ↑ "آيثيك | موقع مستخدم ووردبريس" .
  2. ↑ "* مؤتمر طاقة الثوريوم 2013 (ThEC13) * مركز سيرن للعلوم والابتكار، جنيف، سويسرا" .
  3. ↑ بايتسلي، إل إتش؛ دي رايدت، تش. (1997). "محدودية إعادة تدوير الأكتينيدات وعواقب دورة الوقود: تحليل عالمي، الجزء 1: تحليل دورة الوقود العالمية". الهندسة النووية والتصميم . 168 ( 1-3 ): 191-201 . Bibcode : 1997NuEnD.168..191B . doi : 10.1016/S0029-5493(96)01374-X . ISSN 0029-5493 . 
  4. ↑ تأثير تقنيات التقسيم والتحويل وتقليل النفايات على التخلص النهائي من النفايات النووية 2007
  5. ^ موري، يوشيهارو. تانيجوتشي، أكيهيرو؛ كورياما، ياسوتوشي؛ أوسوجي، تومونوري؛ إيشي، يوشيهيرو؛ موتو، ماسايوكي؛ أونو، يوكا؛ أوكيتا، هيدفومي؛ ساتو، أكيرا؛ كينشو، ميتشيكازو؛ مياكي، ياسوهيرو؛ يوشيموتو، ماساهيرو؛ اوكابي، كوتا (2018). “مرفق الميون السلبي المكثف مع حلقة الجدارة للتحويل النووي”. وقائع المؤتمر الدولي الرابع عشر حول دوران الميون والاسترخاء والرنين (μSR2017) . دوى : 10.7566/JPSCP.21.011063 . رقم ISBN 978-4-89027-130-6.
  6. ↑ ناغامين، كانيتادا (2016). "طريقة التخلص من النفايات النووية وأجهزتها باستخدام امتصاص الميون النووي (WO2016143144A1)" . إسباسينت (قاعدة بيانات براءات الاختراع) .
مصادر