في أكتوبر/تشرين الأول، اجتمع كبار المدراء والباحثين والمهندسين في روساتوم في مؤتمر الطاقة النووية الجديدة لمناقشة التطورات الرئيسة في تكنولوجيا المفاعلات في روسيا. أحدها هو تعديل تصميم VVER الذي أثبت فعاليته عبر الزمن للمفاعلات الكبيرة والمتوسطة الحجم. إليكم حسابنا عن VVER-S، وهو مفاعل طاقة مبرد بالماء ومُهدأ بالماء مع التحكم في التحول الطيفي.

خلفية

في الثمانينيات، نظر الباحثون في جميع أنحاء العالم في مفهوم التحكم في التفاعل من خلال تخفيف طيف النيوترونات عن طريق زيادة حجم الوسيط. يمكن زيادة الحجم بطريقتين، إما باستخدام قضبان الإزاحة المستخرجة من القلب أثناء عملية الاحتراق أو عن طريق تخفيف المبرد بالماء الثقيل. كان يُنظر إلى التحكم في التحول الطيفي على أنه إحدى طرائق توفير الوقود من خلال إنتاج النظائر الانشطارية.

ثم استُبعدت الفكرة، ولم تعد إلى الواجهة حتى العام 2005. وبدأ فريق بقيادة فلاديمير أسمولوف (يشغل حاليًا منصب مستشار المدير العام لشركة روساتوم) العمل على تطوير “super VVER “. ومن بين أمور أخرى، ركزوا على تطوير مفاعل للتحكم في التحول الطيفي، فقد اختاروا له تصميم مفاعل متوسط الحجم بقدرة طاقة تبلغ 600 ميغاواط. كان عامل التكاثر المقدر لـ VVER-S هو 0.7 إلى 0.8، في حين أن مفاعلات VVER التقليدية لها عامل 0.35 إلى 0.4. وقد أرست النتائج التي تم الحصول عليها خلال مرحلة البحث والتطوير الأولى الأساس لعملية التطوير التالية. وفي 2019-2020، استمر العمل على مفهوم VVER. وأثبت البحث الذي أجراه الفريق إمكانية بناء محطة نووية فعالة من حيث التكلفة بمفاعل VVER-S.

تهدف أنشطة البحث والتطوير الحالية في مشروع VVER-S إلى حل خمس مهمات. الأولى هي خفض استهلاك اليورانيوم الطبيعي في دورة الوقود النووي المفتوحة. والمهمة الثانية هي التأكد من أن المفاعل يمكن أن يعمل بكفاءة بنواة كاملة من اليورانيوم والبلوتونيوم وعامل تكاثر يتراوح بين 0.7 إلى 0.8 في دورة وقود نووي مغلقة. ثالثًا، سيكون المفاعل قادرًا على العمل في وضع التحميل التالي في النطاق اليومي 100-40-100%. رابعًا، يجب تقليل وقت البناء والتكلفة من خلال حلول تصميم جديدة بشكل أساسي. والمهمة الخامسة هي تقليل كمية النفايات المشعة.

يعتمد مفهوم VVER-S على الخبرة المكتسبة من تشغيل وحدات مفاعل VVER التقليدية. على الرغم من أنه لا يمكن الادعاء بأن الحلول التي تم النظر فيها لـ VVER-S جديدة تمامًا، فقد درس الباحثون والمهندسون والمصممون مجموعة واسعة من المقترحات التي قد تعمل على تحسين أداء المفاعل. ومع مجموعة من الحلول المبتكرة، يمكن أن يكون التصميم الجديد واعدًا جدًا للأسواق المحلية والدولية.

تم تضمين تقنية VVER-S في استراتيجية التنمية النووية الروسية 2050 وآفاق 2100 التي وافق عليها مجلس إشراف روساتوم في عام 2021.

كيف يعمل؟

يشرح فيكتور موخوف، رئيس مكتب ادارة مشروع VVER-S، قائلًا: “توفر تقنية VVER التقليدية هامش التفاعل الأولي للتحكم في الاحتراق والامتصاص ليتم تعويضه بواسطة نظام البورون، أي عن طريق تغيير تركيز حمض البوريك في المبرد الأولي“.

يتم التحكم في التحول الطيفي في مفاعل VVER-S عن طريق تغيير نسبة الماء إلى اليورانيوم أثناء تشغيل المفاعل بالطاقة. ويتحقق ذلك عن طريق الإزالة الميكانيكية لقضبان إزاحة الماء الموجودة في قنوات خاصة لتجميع الوقود في القلب. نظرًا لأن أجهزة الإزاحة مغمورة في قلب المفاعل في بداية دورة الوقود، يكون هناك وسيط أقل في المفاعل ويكون طيف النيوترونات أصعب. وهذا يقلل من المقطع العرضي الانشطاري للنظائر الانشطارية الفردية ويزيد من المقطع العرضي لالتقاط رنين نظائر اليورانيوم 238. يقلل كلا التأثيرين من الانشطار في النواة ويساهمان في تراكم البلوتونيوم 239 الانشطاري، ما يوفر المواد الانشطارية في حمولة الوقود السنوية. كما يوجد تأثير آخر لتصلب الطيف هو وجود نسبة أعلى من الانشطارات في نظير اليورانيوم 238. عند إزالة قضبان الإزاحة، يتحول طيف النيوترونات من الصلب إلى الحراري ويزداد التفاعل.

إن استخدام أدوات الإزاحة للتحكم في التفاعل في عملية الاحتراق يجعل التخلي عن استخدام التحكم في البورون أثناء تشغيل المفاعل بالطاقة ممكنًا. ومع ذلك، يصعب التخلي تمامًا عن التحكم في البورون في المفاعلات من النوع VVER لأن هذا التصميم يتطلب نظامين مستقلين للسلامة يعتمدان على مبادئ فيزيائية مختلفة لاستخدامهما في وضع المفاعل والحفاظ عليه في حالة دون الحرجة.

تفاصيل الوقود والمعدات

يعتقد المطورون أن VVER-S هو تطور لتقنية VVER التي تسهل الانتقال الفعال من دورة الوقود النووي المفتوحة إلى المغلقة.

تم النظر في تصميمين لتجميع الوقود لـ VVER-S. الأول هو من النوع التقليدي، ولكن يحتوي على عدد متزايد من القنوات لقضبان التحكم، مع استخدام بعض قضبان التحكم “الرمادية” للتحكم في التفاعلية. التصميم الثاني تطوري، مع وجود مساحات أصغر بين قضبان الوقود وقنوات الإزاحة، ما يجعل من الممكن تغيير نسبة الماء إلى اليورانيوم في مجمعات الوقود في حدود 1.5 إلى 2.0.

سيتم استخدام الحلول التي أثبتت جدواها بمرور الوقت قدر الإمكان لقضبان الوقود VVER-S وأنظمة المفاعلات الرئيسة. هذه هي الحلول التي اختُبرت واستُخدمت في تصميمات AES-2006 وVVER-TOI. وسيكون للمفاعل قدرة حرارية تصل إلى 1600 ميغاواط، وقدرة كهربائية تصل إلى 650 ميغاواط بمعدل كفاءة 38%. ومن المخطط استخدام وعاء مفاعل كبير مصمم لـ VVER-1000 لاستيعاب الكمية المطلوبة من الوقود وأجهزة الإزاحة.

سيتم تحميل نواة VVER-S بالكامل بوقود اليورانيوم والبلوتونيوم، وبالتالي فإن محطات الطاقة ذات تصميم المفاعل هذا سوف تتلاءم بشكل أكثر فعالية مع مفهوم دورة الوقود النووي المغلقة.

محطة كولا للطاقة النووية

إن سعة الطاقة المتوسطة التي اختيرت لـ VVER-S ستمكن روساتوم من تقديم عرض منافس للعملاء الذين يخططون لاستبدال محطات الطاقة التي تعمل بالفحم أو توفير الطاقة للمناطق ذات البنية التحتية للشبكة المتخلفة أو الشبكات المعزولة.

اختيرت محطة كولا للطاقة النووية لبناء أول وحدة طاقة بمفاعل VVER-S لأن وحدات الطاقة الحالية من الجيل الأول VVER-440 سيتم إيقاف تشغيلها قريبًا. ينص التخطيط العام الحالي لمنشآت الطاقة في الاتحاد الروسي على بناء وحدة VVER-S بحلول عام 2035 إذا كانت حلولها التقنية مبررة وأثبت التصميم أنه قادر على المنافسة مع مفاعلات VVER التقليدية ومصادر الطاقة البديلة. ويمكن أيضًا تقديم وحدات الطاقة VVER-S للعملاء الدوليين بعد اختبار التكنولوجيا في محطة كولا للطاقة النووية والتأكد من كفاءة المفاعل الجديد.

مراحل البحث والتطوير

دخل المشروع في مرحلة هندسية واسعة النطاق مع اكتمال مرحلة البحث والتطوير الأولية، وسيتم خلال هذه المرحلة تطوير حلول التصميم الأساسية لوحدة المفاعل ومحطة الطاقة. ويجري البحث أيضًا لتبرير حلول التصميم المعتمدة لمشروع VVER-S. سيتم إنتاج مجموعة من الوثائق بحلول نهاية عام 2024 لتمكين تقييم التكاليف وآفاق التطوير وما إلى ذلك. ومن المقرر أن يتم تشغيل أول وحدة VVER-S في محطة كولا للطاقة النووية في عام 2035.