في أواخر أكتوبر/ تشرين الأول، نظمت روساتوم المؤتمر الخامس لمشروع بروريف (الاختراق) الهادف إلى إغلاق دورة الوقود النووي بمساعدة مفاعلات نيوترونية سريعة. قدّم كبار المدراء والباحثون من روساتوم وشركات أخرى آخر التطورات في المشروع وناقشوا المهام ذات الأولوية.

افتتح أليكسي ليخاتشيوف، المدير العام لشركة روساتوم، المؤتمر منوّهًا إلى أن روسيا ستمتلك كل عناصر التكنولوجيا اللازمة لإغلاق دورة الوقود النووي بطريقة العنصرين، وذلك بحلول عام 2035، الأمر الذي سيجعل النيوترونات الحرارية والمفاعلات النيوترونية السريعة تعمل باندماج. ونتيجة لذلك، ستصبح مرافق التوليد النووي مستقلة عن اليورانيوم الطبيعي وستتبع مبادئ الأمان المُعزّز، وانبعاثات الكربون الصفرية وعدم الانتشار. وقد وصف أليكسي ليخاتشيوف المهمة بأنها “هائلة”. وقد أشار المدير العام لروساتوم إلى أن “التنفيذ الناجح للمشروع سيؤدي إلى تعزيز ريادتنا العالمية في مجال تقنيات الطاقة النووية، وإعطاء ميزة أخرى للطاقة النووية كمصدر للطاقة النظيفة والمستدامة. إنها ذات أهمية استراتيجية لكل من الصناعات النووية الروسية والعالمية” وأضاف أن مشروع بروريف يسير وفق جدول محدد.

سيتم اختبار دورة الوقود النووي المغلقة في منشأة طاقة تجريبية (PDEC)، وهي قيد الإنشاء حاليًا في مصنع سيبيريا للكيماويات (جزء من قسم الوقود في روساتوم) بمنطقة تومسك. ستتألف PDEC من وحدة تصنيع الوقود وإعادة التصنيع (من المقرر أن تكتمل في عام 2023)، ومفاعل نيوتروني سريع مبرد بالرصاص BREST-OD-300 (سيتم تشغيله في عام 2027)، ووحدة إعادة معالجة الوقود المستهلك (سيتم تشغيلها في عام 2030).

يُعدّ مشروع إغلاق دورة الوقود النووي أحد خمسة مشاريع وطنية مدرجة في برنامج تكنولوجيا وأبحاث الطاقة النووية حتى عام 2024، والذي وافقت عليه الحكومة الروسية في وقت سابق من هذا العام. وفقًا لناتاليا إليينا، مديرة برامج ومشاريع البحث والتطوير في روساتوم، سيتم إنفاق 354.7 مليار روبل روسي (5 مليارات دولار أمريكي) على البرنامج بحلول العام 2024. الميزانية المعتمدة لمشروع بروريف هي 64.2 مليار روبل روسي (900 مليون دولار أمريكي).

التبريد بالرصاص والتبريد بالصوديوم

في الصيف الماضي، تم صب الخرسانة الأولى لوحدة مفاعل بريست في مصنع الكيماويات بسيبيريا. وفقًا لفاديم ليميخوف، كبير المصممين في مشروع بروريف، تم تقديم طلبات شراء المكونات الرئيسية لبريست، بما في ذلك مولد البخار ومضخة المبرد الأساسي ووعاء ضغط المفاعل والأجزاء الداخلية للمفاعل، إلى شركات روساتوم. وقد أصبح هذا ممكنًا بعد حصول شركة روساتوم على رخصة بناء لمفاعل بريست في أوائل عام 2021. وبالتالي، فإن بريست- أو دي- 300 هو أول مفاعل من الجيل الرابع قيد الإنشاء في العالم. إنه آمن بطبيعته بسبب الاستخدام الأقصى للخصائص الطبيعية لمواده الإنشائية وحلول التصميم التي تعتمد على مبادئ السلامة السلبية. يستخدم بريست الرصاص كمبرد. فعلى عكس الماء، فإن درجة غليان الرصاص وتصلبه عالية، مما يساعد في تجنب حوادث فقد سائل التبريد والحرائق والانفجارات الكيميائية أو الحرارية، ويوّلد نيوترونات سريعة لإنتاج الوقود. للمفاعل تصميم ثنائي الحلقات: الوقود النووي يسخن الرصاص (حلقة أولية)؛ ثم يتدفق الرصاص إلى مولد البخار وينقل الحرارة إلى الماء في الحلقة الثانوية.

تم تطوير مفاعل نيوتروني سريع مبرد بالصوديوم، BN-1200M، كجزء من مشروع بروريف. منذ فترة طويلة، تم اختبار تكنولوجيا المفاعل السريع المبرد بالصوديوم وتجريبها في روسيا في محطة بيلويارسك للطاقة النووية، التي تشغل مفاعلين من هذا النوع، BN-600 وBN-800. كما قال سيرغي شيبليف، كبير المصممين للمفاعلات النيوترونية السريعة في OKBM Afrikantov (جزء من روساتوم)، إن الهدف الرئيس من ترقية BN-1200 إلى BN-1200M (M تعني “modernized” أي”التحديث”) هو جعلها قادرة على المنافسة مع مصادر الطاقة الأخرى، بما في ذلك محطات التوربين الغازي للدورة المركبة. ستكون المؤشرات الرئيسة لـ BN-1200M أفضل من تلك الخاصة بـ BN-800: حيث سيكون للمفاعل الذي تمت ترقيته وزن نوعي أقل، وسيتم توحيد التصميمات الإنشائية والتخطيطية لنواة وقود MUPN (نيتريد اليورانيوم والبلوتونيوم المختلط) ووقود MOX (أكسيد مختلط)، وما إلى ذلك. حاليًا، يعمل المهندسون على تحسين بعض معاييرها الفنية وكفاءة التكلفة الإجمالية والقيام بما يلزم حسابات لتقييم جدوى التصميم.

تصنيع الوقود وإعادة معالجته

سيتم تجهيز PDEC بمرافق في الموقع لمعالجة الوقود النووي محليًا. ستشمل هذه المرافق وحدتين أساسيتين هما وحدة تصنيع الوقود وإعادة التصنيع (FRM)، ووحدة إعادة معالجة الوقود، ولكلّ منهما نظام مشترك لمعالجة النفايات المشعة. ستكون FRM أول منشأة في العالم لتصنيع وقود النيتريد المختلط من البلوتونيوم المستخدم في الطاقة واليورانيوم المستنفد عن طريق التخليق الكربوني الحراري. يتيح الجمع بين وظائف التصنيع وإعادة التصنيع في وحدة واحدة إمكانية استخدام كل من مواد المصدر والوقود المستهلك المعاد معالجته من بريست- أو دي- 300، فضلًا عن دمج الأكتينيدات الصغيرة في الوقود من أجل تحويلها لاحقًا.

قال يوري موتشالوف، كبير مسؤولي التكنولوجيا في مشروع بروريف، في المؤتمر إن أكثر النتائج إثارة للإعجاب قد تحققت في تطوير وقود MUPN العالي الكثافة. أثبتت مجموعات الوقود التجريبية المصنعة في المصنع الكيميائي بسيبيريا أنها فعالة في سلسلة من الاختبارات داخل المفاعل ودراسات ما بعد التشعيع. ومن أجل إنتاج وقود MUPN، سيتم تجهيز وحدة FRM بوحدات متعددة الأغراض لا مثيل لها للتخليق الحراري للكربون وتحبيب الوقود وبمعدات مساعدة متطورة. “نقوم الآن بتجميع وتركيب المعدات لـ FRM. وستبدأ مرحلة ما قبل الجاهزية الفعلية في عام 2022، على أن يتبعها بدء التشغيل واختبار تجريبي لخط تصنيع الوقود في عام 2023” حسبما شرح موتشالوف. في PDEC، سيتم تصميم FRM لصنع الوقود خصيصًا لبريست، ولكن يمكن تعديله بسهولة لتزويد BN-1200M بالوقود. سيتبع التعديل مسارَ “من الأتمتة إلى التشغيل الآلي”.

يخدم نظام معالجة النفايات المشعة تصنيع الوقود وإعادة معالجة الوقود المستهلك، وهو مصمم لاستخراج أكبر عدد ممكن من عناصر ما بعد اليورانيوم من النفايات المشعة السائلة. حيث قال يوري موتشالوف: “لقد بنينا نموذجًا أوليًا بالحجم الكامل لمنشأة تزجيج النفايات المشعة العالية المستوى الناتجة عن عمليات المعالجة المعدنية المائية والكيمائية الحرارية للوقود المستهلك”.

ترتبط المخاطر والمشاكل الرئيسة في صناعة الطاقة النووية بالتعامل مع الوقود النووي المشعع والنفايات المشعة وفقًا لأحدث معايير السلامة البيئية. في حديثه في المؤتمر، أوضح فيكتور إيفانوف، كبير أخصائيي الإيكولوجيا الإشعاعية في مشروع بروريف، أنه مع استخدام المفاعلات السريعة لإغلاق دورة الوقود النووي، فإن النفايات المشعة واليورانيوم الطبيعي ستصبح قابلة للمقارنة من حيث إمكانية التسبب في الإصابة بالسرطان بعد 100 عام من التخزين.

كما أشار ديمتري تولستوخوف، كبير الاقتصاديين في مشروع بروريف، إلى عدم إمكانية فصل التنمية المستدامة والتنافسية لصناعة الطاقة النووية عن إغلاق دورة الوقود النووي. وأشار إلى أن حصة الطاقة النووية في مزيج الطاقة الروسي قد تنمو من حوالي 20% حاليًا، لتصل إلى ما يقرب من 31% بحلول عام 2050، واستشهد ببيانات من التنبؤ الذي أعده معهد أبحاث الطاقة التابع لأكاديمية العلوم الروسية. وتنص الخطة الحالية التي وافقت عليها الحكومة على أن تصل المساهمة النووية إلى 25% بحلول عام 2045.

من التجريب إلى التسويق

من المتوقع أن تثبت شركة PDEC جدوى التصميمات والحلول الجديدة، إضافة إلى إمكانية إغلاق دورة الوقود النووي. ومع ذلك، فإن البيانات المتاحة كافية للانتقال إلى تطوير مرافق توليد الطاقة التجارية باستخدام مفاعلات نيوترونية سريعة (اختصارها PEK باللغة الروسية). قال أندريه بيترينكو، كبير المهندسين في مشروع بروريف خلال المؤتمر: “إن الهدف النهائي لمشروع بروريف هو الشروع في بناء ضخم لمحطات الطاقة النووية على أساس المفاعلات السريعة”.

سيكون لدى كل من PDEC وPEK مبادئ تشغيل مماثلة، لكن PEK سيشمل محطة طاقة من وحدتين مع مفاعلين نيوترونيين سريعين بقوة 1200 ميجاوات. لم يتقرر بعد ما إذا كان سيتم تبريدها بالرصاص أو الصوديوم. مثل PDEC، يمكن دمج PEK مع تصنيع الوقود في الموقع ووحدات إعادة المعالجة. ستنتج الوحدة الأولى مجموعات وقود MUPN أو MOX، وستقوم الوحدة الثانية بإعادة معالجة الوقود المستهلك لإعادة تصنيعه في مجموعات وقود جديدة. ومن الممكن أيضًا أن يتم وضع وحدات تصنيع الوقود وإعادة التصنيع بعيدًا عن محطة الطاقة، في مواقع معالجة الوقود التابعة لروساتوم. وفقًا لأندريه بيترينكو، فإن التصميم الأولي لـ PEK جاهز. يجري العمل على إجراء دراسة جدوى للمرحلة الأولية لإغلاق دورة الوقود النووي

الأمان المتأصل من خلال التكنولوجيا

يقلل اللب المتوازن للمفاعلات السريعة من هوامش تفاعل احتراق الوقود، وتستبعد فعليًا تسرّب المفاعلات التي تسببها النيوترونات السريعة، أي الحوادث الشبيهة بحادث تشيرنوبيل. كما يستبعد التصميم المتكامل لقلب المفاعل الحوادث مثل تلك التي وقعت في ثري مايل آيلاند وفوكوشيما. وقد طوّر العلماء الروس وقود نيتريد اليورانيوم والبلوتونيوم عالي الكثافة الذي يجعل من الممكن بناء نواة بنسبة تحويل تقارب الواحد، إضافة إلى تمكين المفاعل السريع من العمل كمولد بدون غطاء يورانيوم. يوفر المبرد المعدني السائل الثقيل دورانًا طبيعيًا يكفي لإزالة الحرارة اللاحقة باستخدام مبادل حراري للهواء.