المفاعلات النيوترونية السريعة هي تطور فريد للعلماء الروس ومستقبل صناعة الطاقة النووية بأكملها

الذرة المسالمة هي إحدى ركائز الطاقة العالمية ، والتي بدونها يصبح المجتمع الحديث ببساطة مستحيلاً. على الرغم من كل مزايا محطات الطاقة النووية القائمة ، كان العيب الرئيسي ولا يزال التخلص من الوقود النووي المستهلك.

يبدو أنه سيتم حل هذه المشكلة أيضًا - بفضل التطور الروسي الفريد لدورة الوقود النووي المغلقة ، والتي يمكن تنفيذها في المفاعلات النووية التي تستخدم النيوترونات السريعة.

ما هي مشكلة الطاقة النووية الحديثة

لذلك ، فإن الذرة المسالمة تخدم البشرية في توليد الكهرباء في جميع أنحاء العالم لأكثر من اثني عشر عامًا. لكن هناك مشكلة واحدة خطيرة للغاية. ليس كل اليورانيوم الطبيعي مناسبًا كوقود للمفاعلات النووية.

ينتشر اليورانيوم 238 في الطبيعة (92 بروتونًا و 146 نيوترونًا) ، وتبلغ حصته في احتياطيات العالم 99.3٪ من إجمالي اليورانيوم على الأرض. لكنها ليست مناسبة للمفاعلات النووية كوقود.

فقط 0.7٪ المتبقية من الإمداد العالمي في شكل يورانيوم -235 (92 بروتونًا ، 143 نيوترونًا) يمكن أن تعمل كوقود. ولكن حتى هذا الجزء المتبقي من اليورانيوم لا يمكن ببساطة حمله وتحميله في المفاعل. يجب تخصيبه مسبقًا وزيادة نصيب اليورانيوم 235 من الكتلة الكلية لليورانيوم 238 بنحو 700 مرة.

اتضح أنه على الرغم من الاحتياطيات العالمية الضخمة ، فإن اليورانيوم المناسب حقًا للوقود سيكون كافياً ، وفقًا لمتوسط ​​الحسابات ، لمدة 50 عامًا فقط.

كل شيء ليس قاتمًا كما يبدو للوهلة الأولى. لا يزال من الممكن تكييف اليورانيوم 238 مع المفاعلات النووية. صحيح ، لهذا من الضروري تحويل اليورانيوم 238 إلى بلوتونيوم 239 ، وهذه العملية ممكنة فقط عند تعرضها لنيوترونات سريعة.

كما اتضح ، فإن هذا التحول ليس بالأمر السهل. بعد كل شيء ، تعمل معظم المفاعلات الحديثة على نيوترونات "بطيئة" ، والتي تتباطأ عن عمد ، لأن اليورانيوم 235 "لا يريد التواصل" مع النيوترونات السريعة. لكن اليورانيوم 238 ، على العكس من ذلك ، لا يشارك في عملية التحول على النيوترونات البطيئة.

ليس من المجدي اقتصاديًا إجراء تحويل اليورانيوم 238 إلى بلوتونيوم 239 بشكل منفصل. من الأفضل استخدام ما يسمى بالنيوترونات الإضافية ، والتي تتشكل أثناء تفاعل الاضمحلال. لذلك ، في المفاعلات الحديثة ، يتم إزالتها بشكل خاص باستخدام الماصات.

لذلك نحن بحاجة إلى دمج اليورانيوم 238 "غير المرغوب فيه" واليورانيوم 235 "الصحيح" في مكان واحد - مفاعل ذري. وبعد ذلك سيكون من الممكن توليد الكهرباء وتحويل اليورانيوم 238 "غير الضروري" إلى وقود نووي جديد للمفاعلات. لكن الشرط المسبق لذلك هو حقيقة أنه (المفاعل) يجب أن يعمل على نيوترونات سريعة.

ولكن تبين أن إنشاء مثل هذا المفاعل النيوتروني السريع الذي يعمل حقًا يمثل مشكلة كبيرة للعديد من المهندسين. وفقط المهندسين والعلماء الروس هم الذين تعاملوا مع هذه المهمة.

المفاعلات النيوترونية السريعة ، ما هي مميزاتها

لذلك ، نحتاج إلى مفاعل يعمل على اليورانيوم 235 ، وفي نفس الوقت ، نحتاج إلى جعله يعمل على النيوترونات السريعة. لكي يكون هذا ممكنًا ، من الضروري زيادة كثافة تدفق النيوترونات بشكل كبير (بحيث يصبح اليورانيوم 235 أكثر استعدادًا للتفاعل مع النيوترونات السريعة).

هذا يعني أنه سيتعين استخدام وقود أكثر تخصيبًا ، بينما سيكون نظام درجة الحرارة وتدفق النيوترونات أكثر صعوبة - ستكون هناك حاجة إلى مواد أكثر استقرارًا.

بالإضافة إلى ذلك ، يجب تجنب المواد التي من شأنها إبطاء النيوترونات. وهذا يعني أن النسخة الكلاسيكية - الماء - ليست مناسبة في هذه الحالة ، لأنها تبطئ النيوترونات تمامًا.

هذا هو السبب في استخدام الزئبق كمبرد في المراحل الأولى من تطوير المفاعلات السريعة ، ولكن سرعان ما تم التخلي عن هذا الخيار بسبب ارتفاع سمية المعدن.

في المراحل التالية من التجارب ، جربوا معادن مثل الرصاص والبزموت والصوديوم.

وجد أن أكثر المواد الواعدة هي الصوديوم والرصاص. وفي المرحلة الأولى ، تمكن المهندسون السوفييت من "ترويض" الصوديوم.

كان أول مفاعل نيوتروني سريع تجاري يعمل بكامل طاقته هو المفاعل السوفيتي BN-600. وبالفعل في عام 2015 ، أطلقت روساتوم مفاعل BN-800 (الصوديوم). هذا مفاعل فريد من نوعه ، تم تكييفه بالفعل للعمل على وقود البلوتونيوم مع دورة تكاثر مغلقة كاملة.

ما هي ميزة المفاعلات السريعة

تظهر الحسابات الأولية أنه بفضل هذه التكنولوجيا ، ارتفعت نسبة الوقود النووي المناسب للمفاعلات بشكل حاد من 0.7٪ إلى 30٪.

وبالتالي ، ستزداد الاحتياطيات الفعلية للوقود بنحو 43 مرة ، مما يعني أنها يجب أن تكون كافية ليس لمدة 50 عامًا تقريبًا ، ولكن لأكثر من ألفي عام. أعتقد أن هناك فرقًا حتى مع الحسابات التقريبية للغاية.

بالإضافة إلى ذلك ، هذه المفاعلات قادرة على العمل بشكل كامل على الوقود النووي المستهلك من "بطيئة" المفاعلات ، والذي يعد بحل أكبر مشكلة يواجهها دعاة حماية البيئة - كيفية التخلص من المواد النووية المستهلكة وقود.

كما أن هذه المفاعلات أكثر أمانًا. بعد كل شيء ، يستخدمون الصوديوم بدلاً من الماء الساخن تحت ضغط عالٍ. يصبح الصوديوم سائلاً عند 100 درجة مئوية ، ولا ينتقل إلى مرحلة الغليان إلا عند 900 درجة.

لنتذكر كيف يعمل نظام التبريد على المفاعلات النووية "التقليدية". هناك ، يعمل الماء تحت ضغط هائل كمبرد. من الواضح أن الضغط المرتفع يمثل مخاطر عالية لانخفاض الضغط والحوادث.

لا توجد مثل هذه المشاكل مع الصوديوم. نظرًا لأن نقطة الغليان عالية ، يمكن الاحتفاظ بها عند الضغط الطبيعي ، مما يعني أنه لا توجد فرصة لحدوث اختراق أو حادث.

حتى في حالة حدوث موقف غير طبيعي ، فإن تفاعل الصوديوم يلعب أيضًا لصالح السلامة. عند التفاعل مع الأكسجين وبخار الرطوبة في الغلاف الجوي ، سيتحول الصوديوم إلى مادة كيميائية ثابتة المركبات التي ستبقى على أراضي المحطة ، ولن تنتشر حول المنطقة ، وتنتشر إشعاعيًا التلوث.

روسيا متقدمة على البقية

على الرغم من المحاولات العديدة التي قامت بها دول مختلفة ، فإن روسيا فقط ، وخاصة شركة Rosatom ، لديها نسخة تجارية كاملة من مفاعل نيوتروني سريع.

في الواقع ، حتى الفرنسيون (من خلال تطويرهم الواعد لـ "مفاعل فينيكس") لم يتمكنوا من التعامل مع مشكلة التشغيل الدوري لأنظمة الحماية ، وأوقفوا المشروع في عام 2010.

اختبر اليابانيون أيضًا نسختهم الخاصة - مفاعل مونجو ، لكن بعد سلسلة من الحوادث قرروا تفكيكه.

أراد الهنود أيضًا إنشاء مفاعل نيوتروني سريع خاص بهم ، لكن لم يحدث شيء.

في روسيا ، تتطور التكنولوجيا بسلاسة ، والعمل جارٍ بالفعل في مشروع المفاعل السريع BN-1200 ، حيث يتم استخدام الرصاص المنصهر كمبرد. وفقًا للخطة ، سيتم تشغيله بالكامل بحلول عام 2030.

اتضح أن روسيا هي الدولة الوحيدة التي يمكنها حقًا إنتاج الطاقة النووية فعال وآمن حقًا بسبب التصميم الفريد - مفاعل نيوتروني سريع.