قدم معهد N. Dollezhal للبحث والتطوير (NIKIET، جزء من روساتوم) في كانون الأول/ديسمبر 2022 مسودة تصميم لمفاعل أبحاث ملح مصهور (MSRR). تم تصميم المفاعل الجديد كمرفق اختبار للتحقق من صحة التقنيات الخاصة بجهاز حرق أكتينيدي صغير على نطاق كامل.

الغرض ومبادئ العمل

يتم في مفاعلات الملح المصهور إذابة الوقود النووي في وسط ملح فلوريد معدني، والذي يعمل أيضًا كمبرد، مشكلا مع مزيج الملح والوقود قلبًا متجانسًا للمفاعل.

تمتلك مفاعلات ملح الوقود المصهور عددًا من الخصائص المميزة. فأولاً، وعلى عكس المفاعلات غير المتجانسة، فإنها لا تحتاج إلى قضبان وقود أو تجميعات وقود.

ثانيًا، مفاعلات الملح المصهور أكثر أمانًا بسبب ردود الفعل السلبية لكل من درجة حرارة وكثافة الوسط الانشطاري. ونظرًا لأن معاملي درجة حرارتها والفراغ سالبان، فلا يمكن وقوع أي حادث خطير على الإطلاق. الضغط في دارة الوقود منخفض، ولكنه كافٍ لضخ وسط الملح المصهور من خلاله. يقلل هذا من كمية الطاقة الكامنة التي يمكن إطلاقها في حالة تلف الدارة أو كسرها. وإذا ما ارتفعت درجة الحرارة في الدارة إلى مستوى خطير، فإنه يتم إطلاق صمام أمان، والذي يعتمد عمله السلبي على القوانين الطبيعية للفيزياء.

الغرض الرئيسي من مفاعل الملح المصهور هو تمكين التحويل المستمر – أو “احتراق” – الأكتينيدات الصغيرة الموجودة في الوقود النووي المنضب من مفاعلات النيوترونات الحرارية. بما أن مفاعلات الملح المصهور تجعل ذلك ممكنًا، فقد عادت روسيا إلى هذا المفهوم بعد انقطاع طويل (تم تعليق الأنشطة البحثية في مفاعلات الملح المصهور في روسيا في أوائل التسعينيات). تعتبر مفاعلات الملح المصهور حاليا جزءا من دورة وقود نووي مغلقة ومكونا مهما في تكنولوجيا إعادة معالجة الوقود النووي المنضب والتخلص منه.

من المبرمج أن يتم بناء MSRR في مباني مصنع التعدين والكيماويات (MCP، جزء من روساتوم) في إقليم كراسنويارسك.  لم يكن الاختيار بمحض الصدفة، لأن MCP متخصص في المرحلة النهائية لإدارة الوقود النووي المنضب وإيقاف التشغيل النووي.

الجدول الزمني لمشروع MSRR

بدأت الدراسات والحسابات الهندسية لـ MSRR في أواخر العام 2019. تمت حتى الآن الموافقة على برنامج البحث والتطوير للمشروع، وأطلقت، بمثابة جزء من هذا البرنامج، دراسات الجدوى في المواد الهيكلية لـ MSRR، ووحدة المفاعل، ووحدة إعادة معالجة الوقود المنضب ومعدات أخرى، وكذلك في تكنولوجيا تحضير الوقود وأملاح التنظيف وعمليات أخرى. يقول إيغور تريتياكوف، كبير مصممي الأبحاث ومفاعلات النظائر في NIKIET: “نعمل الآن على إنشاء حوامل اختبار درجات حرارة عالية لا مثيل لها لتحسين الحلول التقنية لبعض الوحدات والتحقق من رموز البرنامج لوحدة المفاعل المبتكر هذا”.

طوّر المهندسون، كجزء من مسودة التصميم،  الحلول التقنية والهيكلية والتخطيطية الأساسية لوحدة المفاعل والمعدات التي ستحتويها. لا يزال هناك الكثير من الهندسة المتقدمة، بما في ذلك تبرير الاستثمارات، وتطوير تصميم تفصيلي للمفاعل ووحدة إعادة المعالجة، واستكمال برنامج البحث والتطوير، وأخيراً، تطوير الوثائق الفنية التفصيلية والترخيص. يخطط MCP لترخيص MSRR بمثابة موقع في وقت لاحق من هذا العام. يوضح إيغور تريتياكوف: “يعني هذا أنه يجب إجراء جزء كبير من دراسات جدوى البحث والتطوير قبل حلول العام 2024”. من المبرمج أن يحصل MCP على رخصة بناء بحلول العام 2027، وسيتم إنشاء MSRR بحلول العام 2031.

الخصائص المميّزة ل MSRR

تبلغ استطاعة MSRR الحرارية 10 ميغاواط. ستكون مادته الهيكلية الأولية عبارة عن سبيكة تحتوي على 80٪ من النيكل. من المبرمج أن تُستخدم هذه السبيكة في صنع وعاء ضغط المفاعل، وأنابيب وقود الدارة (بمصطلحات أكثر شيوعًا، المبرد الأولي)، ومعدات حرارية. قال إيغور تريتياكوف: “لقد درس الباحثون كيفية تفاعل هذه المادة مع ملح الوقود وسلوكه المسبب للتآكل، واختاروها في الوقت الحالي – الموعد النهائي للتصميم الهندسي ضيق للغاية، لذلك علينا أن نسلك الطريق الأقصر. من الممكن تمامًا، مع ذلك، أن تدفعنا نتائج البحث والتطوير إلى التفكير في مواد أخرى وأملاح أخرى”.

من المفترض أن يتم سحب حوالي 10٪ من الملح المصهور من درة الوقود على فترات زمنية معينة، مع إضافة مزيج وقود جديد بدلاً من ذلك. ليس من الضروري، من الناحية النظرية، إغلاق المفاعل للتزود بالوقود، ولكن هذا يحتاج إلى البحث والتحليل والإثبات تجريبياً.

من المحتمل أنه سيتم بناء المفاعل في الجزء ما تحت الأرضي من MCP. ستعزل الكتلة الصخرية، بالإضافة إلى ذلك، المفاعل عن البيئة. سيتم، إلى جانب ذلك، وضع دارة الوقود وبعض قطع المعدات الأخرى في صندوق مغلق يعمل كحاجز أمان.

من المقرر، من أجل حماية العاملين، أن تتم معظم أعمال الصيانة في MSRR بآليات روبوتية، يتم تطويرها حاليا أيضًا.

بضع كلمات عن الوقود

تم تطوير وقود MSRR وطرق إعادة معالجته في معهد الأبحاث الروسي للمواد غير العضوية (VNIINM جزء من روساتوم). سوف يستخدم MSRR الفلوريدات المنصهرة من عدة معادن كوقود. ستتكوّن المادة الانشطارية في المصهور من فلوريد الأكتينيدات الصغيرة التي سيتم تحويلها، ومن البلوتونيوم طبعا في المرحلة الأولى من التشغيل.

إحدى المهام التي يعمل عليها VNIINM هي تطوير تقنية لإنتاج فلوريدات أكتينيد صغير. قال ألكسي أنانييف، كبير الباحثين في VNIINM، في مقابلة مع صحيفة Strana : “عملية تركيب الفلوريدات ليست صعبًة بشكل خاص – لطالما كانت طرقها معروفة. من أجل استخدام هذه المركبات كوقود في MSRR، يجب أن تفي بمتطلبات تقنية صارمة، في المقام الأول من حيث محتوى الأكسجين”.

يخطط VNIINM لاستخدام فلوريدي الليثيوم والبريليوم كأساس لتكوين الوقود. فهما أقل تفاعلًا مع المواد الإنشائية من فلوريدات الصوديوم والليثيوم والبوتاسيوم (FLiNaK). المهمة الثانية لـ VNIINM هي الحصول على الأملاح بالجودة المطلوبة.

تتمثل مهمته الثالثة في إزالة التريتيوم الذي يتشكل من الليثيوم أثناء عملية التشعيع. اختار VNIINM بالفعل مواد ماصة لاستخراج التريتيوم ووضعت مسودة تصميم لنظام تنقية الغاز؛ التجارب جارية حاليا. يقوم المصممون، في الوقت نفسه، بتطوير معدات تكنولوجية لتحضير الوقود ووحدات إعادة معالجته وأنظمة تنقية الغاز.

يتقدم العمل لبناء وحدة MSRR وإعادة معالجة الوقود، على الرغم من أنه لا يخلو من صعوبات كامنة في كل تقنية جديدة. سيتم استخدام MSRR لإجراء تجارب من شأنها أن تسهم في تطوير تقنية حرق الأكتينيدات الصغيرة من الوقود النووي المنضب، والتي ستكون خطوة كبيرة إلى الأمام لإغلاق دورة الوقود النووي.