المفاعل النووي للدمى: إغلاق دورة الوقود في الطاقة النووية المكونة من مكونين

حلم العلماء النوويين الحديثين هو طاقة بدون نفايات مشعة. يحدث هذا عندما تتم إعادة معالجة الوقود النووي المستهلك ويتحول مرة أخرى إلى وقود لأنواع مختلفة من المفاعلات. على طول الطريق ، يتم تقليل الحاجة إلى التخصيب الباهظ لليورانيوم ، ونتيجة لذلك ، يتم الحصول على شيء رائع ، وتقليديًا ، يعمل إلى الأبد.





BN-800 في Beloyarsk NPP هو واحد من اثنين من المفاعلات السريعة العاملة في العالم. تم إحضارها إلى الطاقة المقدرة في عام 2015



تحت الخفض - قصة عن تصميم المفاعلات النووية الكلاسيكية على النيوترونات الحرارية ، ومبدأ تشغيل المفاعلات النووية على النيوترونات السريعة (يوجد اثنان فقط في العالم ، وكلاهما في روسيا) وإغلاق دورة الوقود النووي.



أنا متأكد من أنه سيكون ممتعًا لأولئك الذين أحبوا قصة البناء الدولي للمفاعل النووي الحراري ITER بقدرة 500 ميجاوات .





الراوي لدينا هو أليكسي جيرمانوفيتش جوريونوف ، رئيس القسم ورئيس قسم دورة الوقود النووي بكلية هندسة التكنولوجيا النووية من جامعة تومسك للفنون التطبيقية ، الذي ألقى محاضرة حول هندسة الطاقة المكونة من عنصرين في تومسك غليان بوينت .



تدور قصة اليوم حول تقنيات جديدة لذرة سلمية: إغلاق دورة الوقود النووي والطاقة النووية المكونة من عنصرين.



لكن لنبدأ بكيفية عمل دورة الوقود النووي الآن.

دورة وقود كلاسيكية

MOX (وقود مختلط) - وقود نووي ، يحتوي على عدة أنواع من أكاسيد المواد الانشطارية (عادة البلوتونيوم واليورانيوم). NAO، SAO، HLW - أنواع مختلفة من النفايات المشعة. SNF -



مركز الوقود النووي المستهلك للدورة الحديثة - المفاعل النووي على النيوترونات الحرارية . تم تمييزه باللون الأخضر. يستخدم المفاعل اليورانيوم المخصب بالنظير 235 كوقود. للحصول عليه ، يتم استخراج خام اليورانيوم ومعالجته ثم إجراء تخصيب طويل ومكلف.



في المفاعلات الكبيرة السائدة في مجال الطاقة النووية ، مثل المبرد بالماء المضغوط VVR-1000 أو نوع القناة RBMK-1000 ، لا تتم إعادة معالجة الوقود المستهلك. يتم تخزينه في أحواض تبريد المفاعل ثم نقله إلى موقع تخزين طويل الأجل في مصنع التعدين والمواد الكيميائية.



إن العملية الأساسية للحصول على الوقود باهظة الثمن ، والمواد الخام هي مورد قابل للنفاذ ، لذا فإن البشرية تحل بشدة مشكلة إغلاق دورة الوقود - وهذا عندما يتم إنتاج الوقود مرة أخرى من النفايات النووية. الآن هذا المخطط موجود فقط في جزء صغير من الطاقة النووية - في مفاعلات النقل والبحث.



دعونا الآن نلقي نظرة على تصميم المفاعلات الحديثة.

المفاعلات النووية الحرارية

من الناحية التخطيطية ، يمكن تمثيل محطة طاقة نووية بها مفاعل نيوتروني حراري على النحو التالي:





علاوة على ذلك سنتحدث عن ما يسمى بالجزيرة النووية ، والتي تشمل جزء المفاعل. فكر في المفاعلات قيد الاستخدام حاليًا والتي يمكن إطلاقها في المستقبل القريب.





رسم تخطيطي تقليدي لمحطة طاقة نووية



المفاعل عبارة عن جهاز يتم في جوهره تنفيذ تفاعل متسلسل متحكم فيه ذاتي الاستدامة لانشطار نوى العناصر الثقيلة ، ولا سيما اليورانيوم 235. اليوم ، وحدات الطاقة المائية الأكثر شيوعًا. تُظهر الصورة رسمًا تخطيطيًا لمفاعل كهذا.





رسم تخطيطي



تقليدي لمحطة توليد الطاقة مع مفاعل ماء مضغوط يقع المفاعل في مبنى محمي ومجاور لمبنى منفصل حيث توجد وحدات الطاقة التقليدية - قاعة التوربينات وغيرها الموجودة في محطات الطاقة الحرارية التقليدية.



عادةً ما تستخدم المفاعلات أربعة خيوط تبريد لتحسين الموثوقية. تتضمن حلقة تبريد المفاعل الأول المفاعل نفسه ، بالإضافة إلى مضخات الدوران الرئيسية. عددهم يتوافق مع عدد خيوط التبريد - أربعة. يتم تركيب مولد بخار على كل من خيوط التبريد ، والذي يفصل الحلقة الأولى للمفاعل عن الثانية ، والتي تحتوي على المبرد الذي يدخل الجزيرة التقليدية.





محطة توليد الطاقة مع مفاعل VVR



منظر عام للمفاعل نفسه:







تجدر الإشارة إلى أن هذا هو مفاعل وعاء ضغط ، وهذا التصميم يسمح بتحقيق مؤشرات أمان عالية.

المفاعلات النووية السريعة

القليل من الفيزياء أولاً. دعني أذكرك أن النظائر هي عناصر لها نفس الأعداد الذرية ، لكن لها أوزان ذرية مختلفة. الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أن لديهم خصائص مختلفة. على سبيل المثال ، اليورانيوم 238 عمليًا غير قابل للانشطار في المفاعلات الحرارية ، بينما اليورانيوم 235 قابل للانشطار. لوصف احتمال الانشطار النظيري ، تستخدم الفيزياء النووية مفهوم "المقطع العرضي للانشطار".





مقطع عرضي لتفاعل انشطار اليورانيوم والبلوتونيوم ونظائر الثوريوم اعتمادًا على طاقة النيوترون.يوضح



الشكل بوضوح أنه بالنسبة لليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239 ، يمكننا إنشاء تفاعل متسلسل باستخدام كل من النيوترونات الحرارية والسريعة. واليورانيوم 238 على الجانب الأيسر من الرسم البياني (حيث توجد النيوترونات الحرارية) لن ينشطر. في الطبيعة ، يسود نظير اليورانيوم 238 ، ولا يمكن استخدامه بشكل مباشر في مفاعل حراري. يوجد القليل جدًا من اليورانيوم 235 في الطبيعة ، ويلزم تخصيب باهظ الثمن للحصول على الوقود.



يتيح مفاعل النيوترون السريع تجنب إجراء تخصيب اليورانيوم 235. لكن الأمر ليس بهذه البساطة من الناحية الفنية.



في المفاعل الحراري النيوتروني ، كما هو الحال في جميع محطات الطاقة الحديثة بشكل عام ، يتم استخدام الماء كمبرد. هي التي تنقل الطاقة الحرارية إلى التوربينات. من الواضح معها كيفية العمل ، وما هي مواد البناء التي يجب استخدامها. ومع ذلك ، فنحن نعلم من الفيزياء النووية أن الماء يبطئ النيوترونات السريعة الناتجة عن الانشطار النووي.

لذلك ، في مفاعل النيوترون السريع ، عادة ما تستخدم المعادن السائلة كمبرد ، مما يعقد التصميم بشكل كبير.

هنا عليك حل طبقة كاملة من مشاكل التصميم العلمية والتجريبية ، بما في ذلك تطوير مواد جديدة.



يظهر في الرسم البياني أدناه التفاعل الأكثر احتمالاً في مفاعل نيوتروني سريع - امتصاص نيوترون بواسطة نظير اليورانيوم 238.





نتيجة لذلك ، يتم تحويل اليورانيوم الطبيعي 238 إلى نظير البلوتونيوم 239 ، الذي له خصائص انشطار مشابهة لليورانيوم 235. وهنا يصبح من الممكن تحويل اليورانيوم 238 ، الذي يكاد يكون غير قابل للانشطار في المفاعلات الحرارية ، إلى وقود نووي جديد.



يتشابه اليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239 في خصائصهما. على أساس هذه النوى ، قد نحصل على تفاعل متسلسل: من خلال امتصاص كل من النيوترونات السريعة والبطيئة ، تنشطر النوى ، وتنبعث منها نيوترونات ثانوية وثالثية ، إلخ.





تاريخيا ، المفاعلات السريعة الأكثر تطورا هي BN-600 و BN-800 .

وروسيا هي الدولة الوحيدة في العالم التي لديها مفاعلات نيوترونية صناعية سريعة.

تصميمها أكثر تعقيدًا من تصميم مفاعل الماء المضغوط ذي الدائرة المزدوجة باستخدام النيوترونات الحرارية ، حيث يتم استخدام الصوديوم السائل مع نقطة انصهار ~ 98 ℃ كمبرد.





مخطط وحدة طاقة بمفاعل نيوتروني سريع



في المفاعلات التي تحتوي على مبرد الصوديوم ، لا يمكننا استخدام مخطط ثنائي الدائرة ، حيث تمتلئ الدائرة الأولى بالصوديوم ، والثانية بالماء ، لأن التفاعل العرضي للصوديوم المشع مع الماء سيؤدي إلى عواقب وخيمة بشكل خاص. في سياق تفاعل هاتين المادتين ، يتم إطلاق الهيدروجين المتفجر ، وفي حالة حدوث انفجار ، سيكون من الصعب للغاية تحييد الصوديوم الصوتي. لذلك ، يتم استخدام مخطط ثلاثي الدوائر. الدائرة الأولى عبارة عن صوديوم (في الشكل يظهر باللون الأحمر في وسط المفاعل) ، ثم مبادل حراري ودائرة أخرى (وسيطة) صوديوم (صفراء) ، والتي تسمح بتقليل درجة إشعاع الصوديوم ، وفي الدائرة الثالثة فقط يتم استخدام الماء ، التوربينات ، الأجزاء الحرارية و باقي المعدات. ثلاث حلقات تعقد كلاً من تشغيل المفاعل والتحكم فيه.

الخطوة التالية هي بريست

مجمع الطاقة BREST-300 هو المرحلة التالية من التطوير. يتم إنشاؤه في إطار مشروع Rosatom "Breakthrough". بدلاً من الصوديوم ، يستخدم الرصاص كناقل للحرارة ( _{نقطة انصهار} 327 ℃). هذا يسمح ، كما هو الحال في مفاعلات الماء المضغوط ، باستخدام دائرتين فقط ، ويبسط التحكم ويزيد من كفاءة الطاقة.

يضمن تصميم هذا المفاعل ما يسمى بالسلامة الطبيعية: من المستحيل وقوع حادث في هذا المفاعل بسبب المظهر غير المنضبط للنيوترونات ، مما يؤدي إلى سلسلة من التفاعلات (تسريع المفاعل في الطاقة).

آمال كبيرة معلقة على هذا المفاعل. يمكنها "حرق" العناصر الانشطارية وإنتاج البلوتونيوم ، ثم استخدامها لإغلاق دورة الوقود النووي.

والغرض من الإغلاق هو القضاء التدريجي على جزء السلسلة المرتبط باستخراج اليورانيوم بتخصيبه ، وكذلك إعادة استخدام النفايات النووية.

مكونان للطاقة النووية

تعد هندسة الطاقة المكونة من عنصرين حلاً لمشكلة تقليل كمية اليورانيوم الطبيعي المخصب اللازم لتشغيل جميع هذه المفاعلات. لم يصل بعد إلى ذروة تطوره - وهذا ما سيفعله جيل أطفال المدارس اليوم.

في الوقت الحاضر ، بدأنا في إنتاج عناصر انشطارية في مفاعلات نيوترونية سريعة ، مما سيسمح لنا لاحقًا بتحميل الوقود هنا غير المخصب باليورانيوم 235.

يعمل BN-600 و BN-800 بالفعل على ما يسمى بوقود MOX (وقود أكسيد مختلط - MOX) ، وهو خليط من البلوتونيوم 239 وأكاسيد اليورانيوم. علاوة على ذلك ، يمكن أن تعمل المفاعلات على الوقود المخصب باليورانيوم 235 - وفي هذه الحالة لإنتاج البلوتونيوم 239 - وعلى البلوتونيوم.





دورة الوقود النووي المغلقة جزئيًا



على أساس مركز العرض التجريبي في Seversk ، وفي المستقبل مصنع FT-2 في Zheleznogorsk ، توجد منشأة تخزين للوقود النووي المستهلك. الآن في المرحلة النهائية من التطوير ، هناك تقنية ستسمح بإعادة معالجة الوقود بعد مفاعل VVR وإعادة اليورانيوم والبلوتونيوم منه إلى الدورة. تم حل مشكلة إعادة المعالجة بطريقة مثيرة للغاية: لا يتم فصل اليورانيوم والبلوتونيوم ، ولكن يتم نقلهما إلى الإنتاج في شكل مختلط. نتيجة لذلك ، نحصل على مجموعات وقود للمفاعلات التي تحتوي على اليورانيوم والبلوتونيوم المعاد معالجتهما ، بالإضافة إلى يورانيوم طبيعي مخصب مخصب في النظير -235.



بالطبع ، لا يوجد إغلاق كامل لدورة الوقود النووي ، لكن هذا النهج يسمح بخفض تكاليف التخصيب.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن العناصر الانشطارية التي سنستخرجها من الوقود المستهلك في مفاعلات VVR ستذهب إلى دورات الوقود للمفاعلات السريعة.

تم بالفعل وضع مخطط تحميل وقود موكس المحتوي على البلوتونيوم 239 واليورانيوم 238 في مفاعل BN-800 ، ويظهر مساره في الشكل أدناه بخط أحمر.





يتضمن المخطط استخدام الوقود النووي المستهلك (SNF) من مفاعل VVER مع وقود أكسيد مع اليورانيوم 235 بعد مفاعلات BN. أثناء إعادة المعالجة ، نقوم بفصل خليط من البلوتونيوم واليورانيوم ، والذي يستخدم في صنع وقود موكس. ويتم إعادة معالجة وقود موكس المستهلك مع الوقود بعد مفاعل RBMK.

اتضح أننا نبدأ بالتحميل المعتاد للمفاعلات بوقود الأكسيد المعتمد على اليورانيوم 235 ، وبالتدريج ، من خلال إنتاج البلوتونيوم 239 في مفاعل سريع ، نقوم بإزاحته بوقود موكس.

لن نكون قادرين على التحول على الفور من المفاعلات التقليدية إلى المفاعلات السريعة ، لأنه لكل مفاعل نيوتروني سريع ، سيتعين علينا بناء بنية تحتية لإعادة المعالجة ، والتي لن يتم تحميلها في البداية ، لأن المفاعلات يجب أن تنتج الوقود الذي ستتم إعادة معالجته لاحقًا. ويستند المخطط أعلاه على الانتقال السلس من المفاعلات الحالية إلى المفاعلات السريعة. يتضمن هذا المخطط إنتاج البلوتونيوم في مفاعل BN-800. في المستقبل ، يجب أن تظهر منشآت أكثر قوة وفعالية من حيث التكلفة - BN-1200 ، والتي ستجسد الطبيعة المكونة من عنصرين لطاقتنا النووية للعقد المقبل واستراتيجية روساتوم نفسها.



لكن الأكثر إثارة للاهتمام هو ما يحدث في مشروع بريست. وقد بدأ بالفعل بناء مفاعل من هذا النوع بطاقة كهربائية تبلغ 300 ميغاواط في سيفيرسك. سيتم بناء مجمع حوله ، مما سيسمح بحل مشاكل تجديد الوقود ، أي سيتم تركيز جميع العمليات في إطار إغلاق دورة الوقود في مكان واحد.





في المرحلة الأولية ، ستكون هناك حاجة لتجديد اليورانيوم الطبيعي أو اليورانيوم المستنفد ، كما هو موضح في الصورة. في ظل عدم توفر الكمية المطلوبة من البلوتونيوم ، يمكننا ، كما في المخطط السابق ، البدء في استخدام الوقود المشترك وإنتاج البلوتونيوم تدريجيًا ، والانتقال إلى دورة مغلقة.



تعلق آمال كبيرة على هذا المفاعل: دائرة الحماية الطبيعية المذكورة أعلاه لا تسمح بتسريع وتيرة الحوادث الخطيرة. لكن علينا هنا أن نواجه عددًا من المشاكل. لقد تم بالفعل حل المشكلات المرتبطة بإنتاج البلوتونيوم إلى حد ما. لكن إعادة معالجة الوقود النووي بعد المفاعلات السريعة مسألة مفتوحة. من الضروري هنا ضمان التعرض القصير للوقود: فهو حار وله إشعاع خلفي مرتفع. من الضروري إنشاء عمليات تكنولوجية جديدة واختبارها على المدرجات وتنفيذها.

, .

في موازاة ذلك ، من الضروري استكمال حل مشكلة إزالة النفايات من الدورة دون الإخلال بتوازن الإشعاع الطبيعي للأرض. يجب أن تُرجع دورة الوقود المتوقعة نفس كمية الإشعاع التي استخرجناها بالضبط. من الناحية النظرية ، تم حساب هذه المشكلة ويمكن حلها. الأمر متروك للتدريب.



على عكس القرن الماضي ، عندما كان من الضروري الحصول على أسلحة نووية ، وفي الوقت نفسه ، الطاقة النووية بأي ثمن ، ولم يكن هناك أحد يحسب الاقتصاد ، فإن المهمة الآن هي جعل كل شيء موفرًا للطاقة ، ومجديًا اقتصاديًا ، مع الأمن الطبيعي. ويجب على شخص ما أن يفعل كل هذا. لذلك لن يترك المتخصصون في هذا المجال والمجالات ذات الصلة دون عمل.