Anonim

الميزة: مفاعلات نووية صغيرة وحدات - مستقبل الطاقة؟

EnvironmentFeature

ديفيد سزوندي

17 فبراير ، 2012

8 صور

Gizmag يأخذ نظرة متعمقة على المفاعلات النووية الصغيرة والمعاجم إذا كان لديهم مفتاح حل تحديات الطاقة والنفايات النووية في العالم (الصورة: Shutterstock)

هذا العام هو تاريخ تاريخي للطاقة النووية ، حيث فازت المفاعلات الأولى بموافقة الحكومة الأمريكية على البناء منذ عام 1978. وقد رأى البعض الإضاءة الخضراء لمفاعلين وستنجهاوس AP1000 ليتم بناؤهما في جورجيا كبداية لإحياء الطاقة النووية في الغرب ، ولكن قد يكون هذا فجر كاذبة بسبب المشاكل التي تكتنف المفاعلات التقليدية. قد يكون ذلك عندما يأتي ازدهار جديد في الطاقة النووية ، لن يقودها منشآت جيغاواط عملاقة ، ولكن بواسطة بطاريات من مفاعلات معيارية صغيرة (SMRs) مع مبادئ مختلفة جداً عن تلك الموجودة في الأجيال السابقة. ولكن على الرغم من وجود تكنولوجيا ذات تنوع وإمكانيات كبيرة ، فإن العديد من العقبات تقف في طريقها. Gizmag يأخذ نظرة متعمقة على العديد من أشكال SMRs ، ومزاياها ، والتحديات التي يجب التغلب عليها.

على الصعيد العالمي ، هناك طلب متزايد على الكهرباء رخيصة وموثوقة وفيرة. هناك أيضا حاجة متزايدة للعثور على مصادر الطاقة التي لا تعتمد على التعامل مع الدول المعادية أو غير المستقرة. وفي الوقت نفسه ، أدت المخاوف الأخيرة بشأن الاحترار العالمي إلى تعهد العديد من الحكومات لأممها بخفض كمية ثاني أكسيد الكربون التي تنتجها ، وتهدد الأنظمة البيئية الأكثر صرامةً إغلاق مصانع تعمل بالفحم في جميع أنحاء أوروبا والولايات المتحدة. كان الأمل هو أن الاستثمارات الضخمة في التقنيات البديلة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ستعوض هذا الخفض في طاقة التوليد ، ولكن عدم الكفاءة والطبيعة المتقطعة لهذه التقنيات أوضحت أن هناك شيئًا ذا قدرة ومصداقية محطات الفحم والغاز الطبيعي. كان هناك حاجة. النووية ، وبعبارة أخرى.

تكمن المشكلة في أن الطاقة النووية هي البطاطس السياسية الشهيرة ، حتى في الأيام الأولى عندما انفجر مصدر الطاقة الجديد على الساحة العالمية. إن الكم الهائل من الطاقة المقفلة في الذرة يحمل وعدًا بمستقبل كشيء من الليالي العربية التكنولوجية. سيكون عالمًا تكون فيه الكهرباء رخيصة جدًا على العداد ، حيث تتفتح الصحارى ، وتدور السفن حول الأرض على كتلة وقود بحجم كرة البيسبول ، والطائرات تطير لأشهر دون الهبوط ، وسيشفى المرضى ، وحتى السيارات تكون ذرة تعمل بالطاقة. لكن على الرغم من أن الطاقة النووية أحدثت تغييرات لا تصدق في عالمنا ، في دوره الأساسي ، توليد الكهرباء للمنازل والصناعات ، فقد انتهى الأمر بقدر المعجزة وأكثر من طريقة معقدة للغاية لغلي الماء.

ليس فقط معقدة ، ولكنها مكلفة وربما يحتمل أن تكون خطرة. على الرغم من أن المئات من المفاعلات تم بناؤها في جميع أنحاء العالم وبعض الدول ، مثل فرنسا ، تولد معظم الكهرباء منها ، واجهت الطاقة النووية أسئلة مستمرة حول التكلفة والسلامة والتخلص من النفايات والانتشار. مائة وأربعة محطات نووية تزود الولايات المتحدة بنسبة 20٪ من طاقة الدولة ، ولكن لم يصدر ترخيص بناء منذ 1978 مع عدم وجود مفاعلات جديدة على الخط منذ عام 1996 وبعد الضجة من الحركة البيئية بعد الحوادث النووية في جزيرة ثري مايل ، وتشرنوبيل وفوكوشيما ، بدا من غير المحتمل أن تتم الموافقة على أي شيء آخر - حتى الآن. تسببت هذه المعارضة الداخلية الشرسة للطاقة النووية في اتخاذ العديد من الحكومات موقفًا شبه انفصامًا فيما يتعلق بالذرة.

ألمانيا ، على سبيل المثال ، قررت التخلي عن الطاقة النووية تماما لصالح الطاقة البديلة ، ولكن بعد ذلك شتاء شديد من 2011-12 بارد جدا لدرجة أن الدانوب كان يتجمد وكان على برلين أن تعيد بعض المفاعلات إلى الخدمة. وتعني هذه المعارضة أيضًا أن العديد من الدول الغربية تعاني من نقص في المهندسين النوويين لأن الكثيرين يرونها كصناعة ميتة لا تستحق الدخول فيها. وهذا أمر حاد بشكل خاص في الولايات المتحدة وبريطانيا ، ولم يحتفظ أي منهما بالقدرة على بناء سفن المفاعل الضخمة ، ويجب عليه أن يزرع ذلك لمصانع خارجية.

والأسوأ من ذلك ، أن الطاقة النووية تعاني من طفرة الغاز الطبيعي الناجمة عن تقنيات الحفر الجديدة والتكسير الذي فتح حقول غاز جديدة واسعة في الغرب وأسقط سعر الغاز إلى النقطة التي يواجه فيها الفحم والنووي أوقاتاً صعبة في مضاهاة ذلك.

الطاقة النووية التقليدية: محطة Tricastin للطاقة النووية في فرنسا

والمال هو أحد المشاكل الرئيسية التي تواجه إحياء الطاقة النووية. حتى الآن ، كان نوع المفاعلات المستخدمة لتوليد الكهرباء قد اتجه نحو العملاق مع وصول المفاعلات إلى مستويات إنتاج جيجاواط. مع النباتات الكبيرة ، لا عجب أن تكلفة البناء جنبا إلى جنب مع الحصول على تصاريح ، وتأمين التأمين وتلبية التحديات القانونية من الجماعات البيئية يمكن أن تدفع تكلفة مصنع نووي تقليدي نحو ما يصل إلى 9 مليارات دولار. ويعني أيضًا فترات بناء طويلة جدًا تمتد لعشرة أو خمسة عشر عامًا. لم يساعد ذلك في حقيقة أن المصانع النووية مصممة بشكل خاص من الصفر في تدريبات تقدر بمليارات الدولارات في إعادة اختراع العجلة. بوجود الكثير من الوقت والمال ، قد يؤدي التغيير غير المتوقع في اللوائح أو اكتشاف شيء مثل خطأ جيولوجي تحت موقع المفاعل إلى جعل هذا الأمر وضع الكثير من البيض الباهظ الثمن في سلة غير آمنة.

ثم هناك قضايا السلامة. تصميم المفاعلات أكثر أمانًا اليوم من أي وقت مضى. وقع حادث فوكوشيما لأن مفاعلات فوكوشيما قديمة جدا - قديمة مثل أقدم المفاعلات الأمريكية النشطة. إذا كان الزلزال والتسونامي الذي أصاب فوكوشيما قد أصاب مفاعلًا حديثًا ، فربما لن تحدث الكارثة أبداً. ومع ذلك ، فإن المفاعلات التقليدية الكبيرة لا تزال تواجه مشاكل تتعلق بالسلامة لأنها تتطلب أوقات رد فعل سريعة للغاية لمنع حدوث أضرار في حالة وقوع حادث. يمكن أن تتطور الحوادث بسرعة في المفاعل الذي يجب على المشغلين اتخاذ إجراء خلال ساعات ، وربما حتى دقائق. إذا حدث حادث انهيار ، فإن الكمية الكبيرة من الوقود في المفاعل تعني أنه قد يتم إطلاق قدر كبير من المواد المشعة في الغلاف الجوي. هذا يجعل الوقت عنصرا أساسيا.

ويشكل وقود اليورانيوم المخصب المستخدم في ردود الفعل التقليدية مشكلة بالنسبة لانتشار الأسلحة النووية. خلافا للاعتقاد الشائع ، فإن اليورانيوم المستخدم في المفاعلات وحتى البلوتونيوم الذي تنتجه بعض المفاعلات عديم الفائدة لصنع قنابل نووية (نسب النظائر كلها خاطئة) ، ولكن العمليات اللازمة لإنتاج الوقود النووي ومواد القنابل تكاد تكون متماثلة. لذا ، على الرغم من أن المفاعلات التقليدية قد لا تكون تهديدًا للتكاثر ، فإن محطات التخصيب التي تخدمها هي.

مفاعلات وحدات صغيرة

إحدى الطرق للتغلب على العديد من هذه المشاكل هي من خلال تطوير مفاعلات معيارية صغيرة (SMR). هذه مفاعلات قادرة على توليد حوالي 300 ميغاواط من الطاقة أو أقل ، وهو ما يكفي لتشغيل 45 ألف منزل في الولايات المتحدة. على الرغم من أن SMRs صغيرة ، فهي مفاعلات مناسبة. وهي مختلفة تمامًا عن المولدات الحرارية اللاسلكية (RTG) المستخدمة في المركبات الفضائية والمنارات النائية في سيبيريا. تستخدم المفاعلات النووية مثل SMRs الانشطار النووي الخاضع للرقابة لتوليد الطاقة بينما تستخدم RTG تسوس إشعاعي طبيعي لتشغيل مولد حراري كهربي بسيط نسبيا يمكن أن ينتج ، على الأكثر ، حوالي 2 كيلوواط.

من حيث القوة ، RTGs تعادل البطاريات بينما المفاعلات النووية الصغيرة هي "صغيرة " فقط بالمقارنة مع المفاعلات التقليدية. هم بالكاد هذا النوع الذي ستحتفظ به في المرآب. في الواقع ، سوف تغطي محطات توليد الطاقة SMR مساحة مركز تسوق صغير. ومع ذلك ، فإن مثل هذا التركيب ليس كبيرًا مثل محطات توليد الطاقة ، والمفاعل الذي ينتج 300 ميجاوات فقط قد لا يبدو يستحق الاستثمار ، ولكن وزارة الطاقة الأمريكية تقدم 452 مليون دولار أمريكي في شكل منح مطابقة لتطوير SMRs والمستثمرين الخاصين مثل تقوم مؤسسة بيل غيتس وشركتي بابكوك وويلكوكس بإعداد أموال لمشاريع مفاعلية نموذجية خاصة بهما.

الانطلاقة البالغة من العمر 60 عاما

أحد الأسباب وراء اهتمام القطاعين الحكومي والخاص بال SMRs هو أنه تم توظيفهم بنجاح لفترة أطول مما يدرك معظم الناس. في الواقع ، كان المئات يتدفقون حول العالم داخل هياكل الغواصات النووية وغيرها من السفن الحربية لمدة ستين سنة. كما أنها كانت تستخدم في السفن التجارية ، كاسحات الجليد وكمفاعلات البحوث والنظائر الطبية في الجامعات. كان هناك واحد مثبت في أنتاركتيكا في محطة ماكموردو من 1962 إلى 1972. الآن يتم النظر فيها للاستخدام المنزلي.

حالة SMRs

SMRs لديها عدد من المزايا على المفاعلات التقليدية. لشيء واحد ، SMRs هي أرخص لبناء وتشغيل. وهذا يجعلها جذابة للغاية بالنسبة للبلدان الأفقر المتعطشة للطاقة ؛ المجتمعات الصغيرة المتنامية التي لا تحتاج إلى نبات كامل النطاق ؛ والمواقع النائية مثل المناجم أو محطات التحلية. جزء من السبب في ذلك هو ببساطة أن المفاعلات أصغر. آخر هو أنه ، لا تحتاج إلى تصميم مخصص في كل حالة ، يمكن أن تكون المفاعلات موحدة وبعض أنواع بنيت في المصانع القادرة على توظيف وفورات الحجم. كما أن الجانب الذي تم بناؤه في المصنع مهم أيضًا لأن المصنع أكثر كفاءة من البناء في الموقع بما يصل إلى ثمانية إلى واحد من حيث وقت البناء. كما يسمح بناء المصانع ببناء SMRs وتسليمها إلى الموقع ، ومن ثم إعادتها إلى المصنع لتفكيكها في نهاية فترة خدمتها - مما يلغي مشكلة كبيرة مع المفاعلات التقليدية القديمة ، أي كيفية التخلص منها.

تتمتع SMRs أيضا بقدر كبير من المرونة في التصميم. يتم تبريد المفاعلات التقليدية عادة بالمياه - كمية كبيرة من الماء - مما يعني أن المفاعلات تحتاج إلى أن تكون بالقرب من الأنهار أو الخطوط الساحلية. من ناحية أخرى ، يمكن تبريد SMRs بواسطة الهواء أو الغاز أو المعادن ذات درجة الانصهار المنخفضة أو الملح. هذا يعني أنه يمكن وضع SMRs في المناطق النائية الداخلية ، حيث لا يمكن وضع مفاعلات تقليدية.

سلامة

نظام التبريد هذا غالبا ما يكون سلبي. بمعنى آخر ، إنها تعتمد أكثر على الدورة الطبيعية لوسط التبريد داخل قارورة المفاعل من على المضخات. هذا التبريد السلبي هو أحد الطرق التي يمكن أن تحسن SMRs السلامة. ولما كانت المفاعلات النمطية أصغر من المفاعلات التقليدية ، فإنها تحتوي على وقود أقل. هذا يعني أن هناك كتلة أقل تتأثر إذا وقع حادث. إذا حدث ذلك ، فهناك مواد مشعة أقل يمكن إطلاقها في البيئة وتسهل تصميم أنظمة الطوارئ. وبما أنها أصغر وتستخدم وقودًا أقل ، فمن الأسهل تبريدها بفعالية ، مما يقلل بشكل كبير من احتمال وقوع كارثة أو انهيار في المقام الأول.

وهذا يعني أيضا أن الحوادث تسير ببطء أكبر في المفاعلات المعيارية منها في المفاعلات التقليدية. وحيثما تحتاج الأخيرة إلى استجابات للحوادث في غضون ساعات أو دقائق ، يمكن الاستجابة لـ SMR في غضون ساعات أو أيام ، مما يقلل من فرص وقوع حادث ينتج عنه ضرر جسيم لعناصر المفاعل.

تصميمات SMR التي ترفض تبريد المياه لصالح الغاز أو المعادن أو الملح لها مزايا السلامة الخاصة بها. على عكس المفاعلات المبردة بالماء ، تعمل هذه الوسائط بضغط منخفض. أحد أخطار تبريد الماء هو أن الأنبوب المتشققة أو الختم التالف يمكن أن يفجّر الغازات المشعة إلى الخارج مثل مانع التجمد خارج السيارة المشحونة. مع وسائل الإعلام ذات الضغط المنخفض ، هناك قوة أقل لدفع الغازات وهناك ضغط أقل وضعت على وعاء الاحتواء. كما أنه يزيل واحدة من نوبات مخيفة من حادث فوكوشيما حيث تحطم الماء في الوعاء إلى هيدروجين وأكسجين ثم انفجر.

ميزة أخرى للتصميم المعياري هي أن بعض SMRs صغيرة بما يكفي ليتم تثبيتها تحت الأرض. هذا هو أرخص وأسرع لبناء وأقل تدخل من بناء قبة احتواء الخرسانة المسلحة. هناك أيضا النقطة التي تجعل وضع مفاعل في الأرض يجعلها أقل عرضة للزلازل. تجعل التركيبات تحت الأرض من المفاعلات النمطية أسهل في التثبيت والتركيب في بصمة أصغر بكثير. وهذا يجعل SMRs جذابة بشكل خاص للعملاء العسكريين الذين يحتاجون إلى بناء محطات توليد الطاقة لقواعد بسرعة. كما يعمل التركيب تحت الأرض على تعزيز الأمن باستخدام أنظمة أقل تطوراً ، مما يساعد أيضًا على خفض التكاليف.

يمكن أن تساعد SMRs في قضايا الانتشار النووي والمخلفات النووية والوقود لأنه في حين أن بعض المفاعلات المعيارية تقوم على مفاعلات الماء المضغوط التقليدية وتحرق اليورانيوم المعزز ، يستخدم البعض الآخر أنواعًا أقل من الوقود التقليدي. بعض ، على سبيل المثال ، يمكن أن تولد الطاقة مما يعتبر الآن "النفايات " ، حرق اليورانيوم المنضب والبلوتونيوم التي خلفتها المفاعلات التقليدية. اليورانيوم المستنفد هو أساسا U-238 الذي تم استهلاكه من U-235 المنشور. انها أيضا أكثر وفرة في الطبيعة من U-235 ، والتي لديها القدرة على توفير الطاقة للعالم منذ آلاف السنين. تصاميم المفاعلات الأخرى لا تستخدم حتى اليورانيوم. بدلا من ذلك ، يستخدمون الثوريوم. كما أن هذا الوقود وفير بشكل لا يصدق ، ومن السهل استخدامه كوقود ، كما أنه يتمتع بميزة إضافية تتمثل في أنه عديم الفائدة تمامًا لصنع الأسلحة ، لذلك يمكنه توفير الطاقة حتى في المناطق التي تثار فيها مخاوف أمنية.

ولكن لا يزال هناك نقطة الخلاف التي المفاعلات وحدات هي ، بحكم التعريف ، صغيرة. قد يكون هذا جيدًا بالنسبة للغواصة أو القطب الجنوبي ، ولكن ماذا عن الأماكن التي تحتاج إلى المزيد؟ هل النباتات النووية البديلة البديلة؟ اتضح أن الجواب لا. لا تحتاج إلى استخدام وحدات المفاعلات منفردة. يمكن إعدادها ببطاريات من خمسة أو ستة أو أكثر ، مما يوفر قدرًا كبيرًا من الطاقة حسب حاجة المنطقة. وإذا كانت هناك حاجة لإخراج وحدة واحدة من الخدمة لإجراء إصلاحات أو حتى استبدالها ، فلا يلزمها التدخل في تشغيل الأجهزة الأخرى.

أنواع المفاعلات النمطية

دعونا نلقي نظرة الآن على بعض الأنواع الرئيسية من المفاعلات وحدات قيد التطوير. هناك ، في الواقع ، أكثر بكثير مما يتم تقديمه هنا ، ولكن هذا ينبغي أن يعطي مقطع عرضي جيد لما هو في خط الأنابيب.

مفاعلات الماء الخفيف

والمفاعل ذو الماء الخفيف النموذجي هو في الأساس نسخة مصغرة من مفاعل تقليدي. مثل المفاعلات التقليدية ، فإنها تستخدم الماء كمبرد وساطعة نيوترونية (أي ، الماء يبطئ النيوترونات التي ينتجها الوقود النووي بحيث تكون لذرات اليورانيوم فرصة أفضل لامتصاصها وتحريض الانشطار النووي. هو ببساطة الحصول على ما يكفي من الوقود النووي في مكان واحد مع مشرف بحيث يصبح التفاعل مستدامًا ذاتيًا). يتمتع المهندسون بالفعل بخبرة تمتد لعقود من الخبرة في SMRs التي تعمل بالماء الخفيف ، لأن هذه هي النوع المستخدم في الغواصات والكسارات ، لذا فإن التكنولوجيا متقدمة بالفعل ، وكان لديها الكثير من الاختبارات الميدانية في ظل ظروف صعبة للغاية. تخيل محطة للطاقة النووية التي يجب أن تكون قادرة على العمل بأمان حيث يتم رميها في المحيط بينما تغلق داخل جسم الغواصة ويمكنك رؤية التحديات الهائلة التي تم التغلب عليها.

مفاعلات الماء الخفيف الصغيرة ليست فعالة مثل أبناء عمومتهم الأكبر ، لكن لديهم عدد من المزايا. يتم إنتاج البخار في محطة نووية عن طريق تمرير حلقة مياه التبريد من المفاعل من خلال مولد البخار ، وهو وعاء منفصل مملوء بأنابيب اللف. يدخل ماء التبريد الساخن المولد و بينما يمر من خلال الأنابيب يتم تسخين ملف ثاني مملوء بالماء بواسطة الماء من المفاعل. يتغير هذا إلى البخار ، الذي يحول التوربينات التي تحول الديناميات. في المفاعلات التقليدية ، تحتوي معظم الأنواع على مولد البخار خارج وعاء المفاعل. مع SMRs الماء الخفيف ، يمكن وضع مولد البخار داخل السفينة. وهذا لا يجعل المفاعل أكثر إحكاما واستقلالية فحسب ، بل يجعله أكثر أمانا. إحدى المشاكل الشائعة في المفاعلات هي تسرب الماء المشع أثناء انتقاله من المفاعل إلى مولد البخار. مع مولد البخار داخل سفينة المفاعل ، هو الوضع الأكثر أمنا فقط من الماء / البخار غير المشعة الدخول والخروج من سفينة المفاعل.

وستنجهاوس SMR

و Westinghouse SMR هو نسخة مصغرة من مفاعل AP1000 الخاص بهم. ولكن حيث تنتج AP1000 1،154 ميجاوات وتتطلب محطة تغطي 50 فدانًا (20 هكتارًا) ، تحتاج Westinghouse SMR إلى 15 (6 هكتار) فقط ، وتضع 225 ميجاوات ويمكن بناؤها خلال 18 شهرًا بدلاً من عدة سنوات. يقف المفاعل وسفينة الاحتواء على ارتفاع 89 قدمًا (27 مترًا) و 32 قدمًا (9.8 متر) ، مما يجعله صغيرًا بما يكفي ليتم بناؤه في المصنع وشحنه عبر السكك الحديدية إلى الموقع. وقودها هو اليورانيوم المخصب القياسي الذي يحتاج إلى خدمة كل سنتين ، ولكن نظام التبريد السلبي للمفاعل يعتمد على الدورة الطبيعية للمياه بدلاً من المضخات ، مما يعني أنه حتى في حالة فقدان كامل للطاقة ، كما عانى فوكوشيما ، يمكن لشركة Westinghouse SMR أن تستمر لمدة تصل إلى أسبوع دون الحاجة إلى تدخل من المشغل لمنع الضرر.

برنامج السياسات الست

بدعم من Babcock و Wilcox ، تعتمد mPower على تصاميم مفاعل البحرية الأمريكية وتنتج 160 ميغاوات عندما يتم تبريد مكثفات النظام بالماء ، ولكن يمكن تبريدها بالهواء أيضًا ، على الرغم من انخفاض إنتاج الطاقة. تم تصميم mPower بطول خمسة وسبعين قدمًا (23 مترًا) و 14 قدمًا (4.3 مترًا) ، وتم تصميمها لتكون مصنعًا ، ويتم شحنها بالسكك الحديدية وتثبيتها تحت الأرض. وكما هو الحال مع نظام وستنجهاوس SMR ، فإن mPower يستخدم نظام تبريد سلبي ، كما أن مولد البخار جزء لا يتجزأ من المفاعل. على عكس Westinghouse SMR ، تحتاج mPower إلى إعادة التزود بالوقود كل أربع سنوات فقط ، وتتضمن العملية ببساطة استبدال كامل النواة ، التي يتم إدخالها مثل خرطوشة. يمتلك المفاعل عمر خدمة يصل إلى 60 عامًا وهو مصمم لتخزين الوقود المستنفد في الموقع طوال الوقت.

NuScale

يبدو NuScale صغيرا من الناحية العملية مع إنتاجه من 45 ميغاواط فقط ، لكنه يعتزم تثبيت اثني عشر في كل مرة لتوفير ما يصل إلى 540 ميجاوات. يتم وضع كل منها في بركة مائية تحت الأرض ويتم تبريد كل وحدة بواسطة الدورة الدموية الطبيعية. وبسبب هذا ، لا توجد مضخات ، والأجزاء المتحركة الوحيدة في المفاعل هي تلك المستخدمة لتشغيل قضبان التحكم. عندما يحين وقت إعادة التزود بالوقود ، يُزال المفاعل من حوضه بواسطة رافعة علوية ويأخذ إلى قسم آخر من المرفق.

مفاعلات الغاز ذات درجة الحرارة العالية المبردة

وكما يشير المصطلح ، تستخدم المفاعلات المبردة بالغاز غازًا بدلاً من الماء كوسط تبريد للمفاعل. في المفاعلات الحديثة ، يكون هذا الغاز عادةً الهليوم لأنه عنصر خامل لا يتفاعل مع مواد أخرى ، ومع ذلك فهو مبرد ممتاز (اسأل فقط أي غواص في البحر العميق للغاز المختلط وسوف يخبرك لماذا لديهم أنبوب التدفئة في بدلهم أثناء التنفس الهليوم). هذا أمر مهم لأنه ، وليس باستخدام الماء ، فإن وسيط التفاعل النووي هو جوهر الجرافيت ، وهو قابل للاشتعال. وهي تعمل على ضغوط منخفضة نسبياً ودرجات حرارة مرتفعة للغاز تصل إلى 1800 درجة فهرنهايت (1000 درجة مئوية) ، أما الغاز فيؤدي إما إلى تشغيل التوربينات مباشرة أو عن طريق مولد البخار. هذا النوع من المفاعلات له مزايا السلامة لأن الطريقة التي تجعل التصميم النووي للتفاعل الذاتي ينظم. عندما يصبح المفاعل أكثر سخونة ، يتباطأ التفاعل ويبرد المفاعل. كما أنها تناسب المقاييس الأصغر للسماح ببناء المصنع والتركيب تحت الأرض.

GT-MHR

وقد تم بناء مفاعل GT-MHR ، الذي تم بناؤه من خلال شراكة بقيادة General Atomics ، بقدرة 285 ميجاوات ويمكن استخدامه أيضًا لإنتاج 100،000 طن من غاز الهيدروجين سنويًا. لديها تمييز مثير للاهتمام من كونها قادرة على تشغيل البلوتونيوم الذي يستخدم في صنع الأسلحة. كان السبب في ذلك هو أن GT-MHR تم تصميمه أصلاً للمساعدة في التخلص من الرؤوس الحربية النووية السوفيتية بعد نهاية الحرب الباردة. كما أنه يعمل على إبراز التطبيقات العملية لقدرة SMRs على حرق الوقود النووي البديل.

المفاعلات النيوترونية السريعة

في المفاعلات التقليدية ، يتم تباطؤ النيوترونات بواسطة وسيط مثل الماء أو الكربون أو الهيليوم بحيث تكون لذرات اليورانيوم فرصة أفضل لامتصاصها والبدء بالانشطار. يدير مفاعل نيوتروني سريع نفس التفاعل الانشطاري إلا أنه يفعل ذلك عن طريق عكس النيوترونات سريعة الحركة في اليورانيوم بكميات كبيرة وبالتالي زيادة احتمالات الانشطار. وهذا له ميزة السماح للمفاعلات أن تكون بسيطة للغاية في التصميم (وبالتالي أصغر) وأن تستخدم الوقود المخصب أو الثوريوم أو حتى النفايات النووية كوقود.

هناك نوعان من أنظمة النيوترون السريعة المستخدمة في تصاميم SMR الحالية. الأولى هي الشموع ، أو حرق السلالات ، أو المفاعلات المتحركة. الثاني ، مفاعلات الموجة الدائمة.

ينبع اسم "الشمعة " للصنف الأول من حقيقة أن ما يشبه الوقود. ببساطة ، إنها بلاطة كبيرة من اليورانيوم المستنفد مع سدادة من اليورانيوم المخصب عالقة في نهاية واحدة. عندما يبدأ التفاعل النووي ، يقوم اليورانيوم المخصب "بإشعال " البلاطة عن طريق بدء رد فعل يحول الـ U-238 إلى Pu-239 ، وهو نظير للبلوتونيوم يمكن أن ينشطر ويولد الطاقة. يحترق هذا التفاعل على طول البلاطة بمعدل سنتيمتر واحد تقريبًا في السنة ، مما يخلق البلوتونيوم ويحرقه أثناء سيره. إنها عملية قد تستغرق سنوات ، بل وحتى عقود ، حيث يذوب المفاعل عند درجة حرارة تبلغ حوالي 1000 درجة فهرنهايت (550 درجة مئوية) بينما يبرد بواسطة سبيكة الصوديوم أو الرصاص أو سبيكة الرصاص البزموت.

وتسمى النسخة الأخرى "موجة دائمة" ، والمبدأ هو نفسه ، إلا أنه بدلا من بلاطة كبيرة ، يتكون المفاعل من قضبان وقود من U-238 وبدأ التفاعل في المركز. مع تقدم التفاعل إلى الخارج ، يتم تعديل القضبان المستنفذة من قبل المشغلين حتى يتم استهلاك كل الوقود. والنتيجة الرئيسية لذلك هي أن مفاعل الموجات المتنقل يستخدم الوقود بشكل أكثر كفاءة ويمكن أن يستمر لمدة 60 عامًا دون إعادة التزود بالوقود. من الناحية النظرية ، يمكن أن تستمر لمدة 200 سنة.

مع أي من النوعين ، فهي أيضا غير عادية في أنها لا يوجد لديها وسيط ، والاعتماد على التبريد السلبي ، ويمكن بناؤها في المصانع وليس لها أجزاء متحركة. فهي قريبة من القابس واللعب كما يمكن أن تحصل عليها المفاعلات النووية.

هايبريون

Hyperion هو مفاعل نموذجي صغير جدا ينتج 25 ميجاوات فقط ، ولكن ما ينقصه في الطاقة التي يعوض عنها في قابلية النقل. يبلغ قطر المفاعل 8 أقدام (2.5 م) وطول 5 أمتار (1.5 م) ، ولا يوجد به أجزاء متحركة ويمكن أن يستمر لمدة عشر سنوات دون إعادة التزود بالوقود. عند الحاجة إلى إعادة التزود بالوقود ، يعاد المفاعل إلى المصنع ويستبدل بدلاً منه بطريقة زجاجة الغاز. هذا التكوين لا يجعل من الممكن بناء محطات طاقة متعددة المفاعلات فحسب ، بل يمكن أيضًا استخدام المفاعلات الفردية للتطبيقات مثل توفير الحرارة لاستخراج النفط من الأسرة الصخرية ، والبخار للاستخدامات الصناعية ومحطات التحلية العاملة.

نشور زجاجي

مفاعل الطاقة المبتكر وحدة صغيرة مبتكرة (PRISM) هو تصميم GE-Hitachi. يبرد الصوديوم ، يركب تحت الأرض ويولد 311 ميجاوات مع إعادة التزود بالوقود كل ست سنوات. إن قدرتها على حرق البلوتونيوم واليورانيوم المستنفد تجعلها ذات أهمية كبيرة للمملكة المتحدة ، التي تتفاوض على أن يتم تركيبها في منشأة سيلافيلد النووية حيث سيتم استخدامها لحرق مخزونات النفايات النووية. هذا أكثر من مجرد حل للتخلص من النفايات. ويقدر أنه إذا نجح هذا ، يمكن أن توفر النفايات الكهرباء لبريطانيا لمدة 500 سنة.

مفاعلات الملح المصهور

في هذا النوع من SMR ، يكون سائل التبريد والوقود واحدًا في نفسه. المبرد هو خليط من أملاح الليثيوم والفلوريد البريليوم. في هذا يتم حل الوقود ، والتي يمكن تخصيب اليورانيوم والثوريوم أو U-233. يمر هذا المحلول الملحي المصهور عند ضغط منخفض نسبيًا ودرجة حرارة تصل إلى 1،300 درجة فهرنهايت (700 درجة مئوية) من خلال قلب الجرافيت. عند حرق الوقود ، يتم إزالة مخلفات النفايات من المحلول ويتم إضافة الوقود الطازج.

Flibe

فليب (ملح الفلوريد من الليثيوم والبيريليوم) هو نوع من المفاعل في صندوق. يريد الجيش الأمريكي تطوير مفاعلات صغيرة يمكن تركيبها بسهولة في قواعد بعيدة. لتحقيق هذه الغاية ، تم تصميم Flibe حول محطة توليد الطاقة التي تحتوي على مجموعة من حاويات البضائع. وتتمثل الفكرة في التمسك بالمفاعل في الأرض ، وإنشاء آلية التوليد وتغطية المصيد بمبنى. لا يحتاج الأمر الأخير إلى أن يكون أي شيء مثل بناء الاحتواء لمفاعل تقليدي لأن المفاعل ليس فقط مسخنًا سلبيًا ، بل إنه يحتوي أيضًا على قابس ملح يحتاج إلى تبريد فعال في جميع الأوقات. إذا ما عانى المفاعل من الانهيار وبدأ المفاعل في التسخين الزائد ، يندفع القابس ويخرج مزيج الملح / الوقود المصهور إلى خزان تصريف. يتم تصنيف خرج الطاقة عند 20 إلى 50 ميجاوات ويستخدم U-233 والثوريوم للوقود. هذا لا يزيل فقط قضايا الانتشار (لا U-233 ولا الثوريوم غير مناسب تمامًا للأسلحة) ، ولكنه أيضًا يفتح مصدرًا رخيصًا للطاقة يمكن الحصول عليه بسهولة.

تبقى التحديات

ومثيرة للإعجاب مثل العديد من هذه المفاعلات الصوتية ، فإن معظمها لا يزال في مرحلة أو أخرى من التطوير أو الموافقة. إنه طريق طويل من هناك لقلب التبديل ومشاهدة الأنوار. معظم هذه التصاميم لها جذور تعود لأكثر من نصف قرن.

في عام 1950 ، أشار الأدميرال هايمان ريكوفير ، مهندس الأسطول النووي الأمريكي ، إلى أن المفاعلات البحثية الصغيرة ، التي هي مقدمة لمركبات SMRs ، كان لديها الكثير من المزايا. كانت بسيطة ، صغيرة ، رخيصة ، خفيفة الوزن ، سهلة البناء ، مرنة جداً في التصميم وتحتاج إلى تطوير قليل جداً. من ناحية أخرى ، يجب أن تبنى المفاعلات العملية في الموعد المحدد ، وتحتاج إلى قدر كبير من التنمية التي تنفق على "أمور تافهة ظاهريًا " ، غالية الثمن ، كبيرة ، ثقيلة ومعقدة. وبعبارة أخرى ، هناك فجوة كبيرة بين ما وعدت به التكنولوجيا في مرحلة التصميم وما ينتهي بها بمجرد أن يتم بناؤها.

لذلك هو الحال مع مستقرة الحالية من SMRs. كثيرون يحملون وعدًا كبيرًا ، لكنهم لم يثبتوا بعد أنفسهم. أيضا ، فإنها تثير العديد من الأسئلة. هل يحتاج SMR إلى أشخاص أقل لتشغيله؟ ما هي معايير السلامة الخاصة به؟ هل سيفي باللوائح الحالية؟ هل يجب تغيير الأنظمة لتتناسب مع طبيعة الشركات الصغيرة والمتوسطة؟ هل يجب تغيير مناطق الإخلاء أو تغطية التأمين أو المعايير الأمنية؟ ماذا عن اللوائح المتعلقة بالزلازل؟

في الواقع ، في الأنظمة الحكومية أن المفاعلات النمطية تواجه أكبر تحدياتها. مهما كانت الحقائق حول الحوادث النووية من Windscale إلى Fukushima ، فإن نسبة كبيرة من الجمهور ، خاصة في الغرب ، متوترة للغاية بشأن الطاقة النووية بأي شكل من الأشكال. هناك جماعات ضغط قوية تعارض أي مفاعلات نووية تعمل والأنظمة التي كتبتها الحكومات تعكس هذه الظروف. ويرجع جزء كبير من تكلفة بناء المحطات النووية إلى تلبية جميع اللوائح ، وتوفير أنظمة السلامة والأمن ، ومجرد التعامل مع جميع الحواجز القانونية والأوراق التي يمكن أن تستغرق سنوات وملايين الدولارات للتغلب عليها. وتتميز المفاعلات النمطية بكونها مبنية بسرعة وبتكلفة منخفضة ، الأمر الذي يجعلها أقل خطورة من الناحية المالية ، ويعني تصنيع المصانع أن المفاعل المخصص لمصنع يفتقد الموافقة يمكن بيعه إلى عميل آخر في مكان آخر. وبعض SMRs متشابهة بما فيه الكفاية للمفاعلات التقليدية التي لا تواجه عبء أن تكون تقنية "جديدة " تحت التدقيق المتشكك. ومع ذلك ، لا يزال الشريط الأحمر شيئاً حقيقياً.

الوقت وحده هو الذي سيحدد ما إذا كان المفاعل الصغير يصبح مشهدا مألوفا على شبكاتنا الكهربائية ، إذا سقط على جانب الطريق مثل الأحلام التكنولوجية الأخرى ، أو إذا وقع ضحية كتاب حكم البيروقراطيين.

تم تصميم مفاعل الفلترة النموذجي ليتم نقله في حاويات البضائع (الصورة: Flibe)

مفهوم الفن لمفاعل فليب النووي النموذجي المثبت في القاعدة العسكرية (الصورة: Flibe)

كوتاواي من تركيب مفاعل هايبريون (الصورة: Hyperion Power Generation)

المقطع العرضي لمنفذ mPower (الصورة: Babcock و Wilcox)

رسم تخطيطي لمفاعل NuScale (صورة: KVDP)

رسم بياني ل Westinghouse SMR تظهر عليه ميزات مختلفة (الصورة: Westinghouse)

الطاقة النووية التقليدية: محطة Tricastin للطاقة النووية في فرنسا

Gizmag يأخذ نظرة متعمقة على المفاعلات النووية الصغيرة والمعاجم إذا كان لديهم مفتاح حل تحديات الطاقة والنفايات النووية في العالم (الصورة: Shutterstock)

موصى به اختيار المحرر