تفتح هذه المقالة سلسلة جديدة من المقالات بعنوان “تقنيات المفاعلات”. سنطلعكم، خلال هذا العام، على أنواع جديدة غريبة من المفاعلات النووية التي طورها باحثو ومهندسو روساتوم. سنبدأ بمفاعلات النيوترونات السريعة المحتوية على سبيكة رصاص -بزموت. تم استخدام تقنية الرصاص – البزموت المعروفة منذ فترة طويلة، في البداية في المفاعلات البحرية، ولكن يتم الآن يتم تطبيقها من قبل المهندسين الروس لتطوير تصاميم مفاعلات متباينة الاستطاعة.

ميزات المبرد

تمتلك سبيكة رصاص – بزموت سهلة الانصهار خصائص حرارية مفيدة. تتميز هذه السبيكة بدرجة حرارة انصهار منخفضة نسبيًا تبلغ 123 درجة مئوية (للمقارنة، ينصهر الرصاص عند 327 درجة مئوية)، ولذا ليست هناك حاجة لإنشاء مواد هيكلية مقاومة للحرارة. وعلى النقيض من ذلك، فإن درجة غليانها مرتفعة (1670 ℃)، مما يجعل من الممكن الحصول على بخار شديد السخونة عند ضغط منخفض نسبيًا (يجب أن يؤخذ في الاعتبار الضغط العالي في دارة المبرد الأولية عند تصميم مفاعلات الماء المضغوط، بما في ذلك المفاعلات الماء – مائية (VVER). فكلما ارتفعت درجة حرارة البخار، كلما زادت كفاءة محطة توليد الكهرباء. وعلى عكس الصوديوم، فإن سييكة رصاص – بزموت سهلة الانصهار لا تتفاعل مع الهواء أو الماء، مما يستبعد احتمال حدوث انفجارات أو حرائق ينبعث منها الهيدروجين.

قليل من التاريخ

كانت المفاعلات النيوترونية السريعة تهدف في البداية إلى تصنيع البلوتونيوم، حيث كان من المفترض أن يكون الوقود النووي متجددًا حتى في فجر الصناعة النووية السوفييتية. كان السبب عاديًا – لم تكن هناك رواسب كبيرة من اليورانيوم المكتشفة في الاتحاد السوفييتي في ذلك الوقت، وسعت البلاد جاهدة لتحقيق هدف استراتيجي لتوليد طاقة كافية. “خسرت” سبيكة رصاص – بزموت سهلة الانصهار “المنافسة” مع الصوديوم كمبرد للمفاعلات النيوترونية السريعة، لأن البلوتونيوم كان ينتج بصورة أسرع باستخدام الصوديوم. ومع ذلك، لم يتم نسيان سبيكة رصاص – بزموت. اقترح ألكسندر لايبونسكي، أحد آباء المشروع النووي السوفييتي وكبير الباحثين في برنامج تطوير المفاعل السريع، استخدام السبيكة في المفاعلات النووية للغواصات.

كانت الفكرة مبتكرة، ولكن لم تدرس خصائص سبيكة رصاص – بزموت سهلة الانصهار بدقة. تم بناء العشرات من منشآت الاختبار، بيد أنه تم إجراء البحث والتصميم والبناء لغواصة نووية في وقت واحد تقريبًا نظرا لإلحاح المهمة. لعب نقص المعرفة دوره: كان على المهندسين دراسة خصائص المفاعل أثناء التشغيل، وتحديد المشاكل وإيجاد حلول لها وضبط وثائق الإنتاج والتشغيل “أثناء التنقل”. بقيت ست غواصات نووية، نتيجة لهذه الجهود، مزودة بمفاعلات سبيكة رصاص – بزموت في الخدمة البحرية حتى العام 1996. وبلغت مدة خدمتها الإجمالية ما يقرب من 80 سنة – مفاعلية في أنماط تشغيل مختلفة، مع مزايا تكنولوجية مؤكدة وحلول تصميم أولية مصدق عليها.

النزول إلى اليابسة: SVBR-100

تم في النصف الثاني من التسعينيات تطوير تصميم مخطط لمحطة طاقة ذرية مكوّنة من وحدتين باستطاعة 1600 ميغاواط لكل منهما، مزوّدتين ب 16 مفاعل نيوتروني سريع محتو على سبيكة رصاص – بزموت، باستطاعة 100 ميغاواط لكل منهما. تم تعليق العمل في وقت لاحق، ثم استؤنف في العام 2006، حيث شرع المهندسون في تصميم مفاعل تجريبي. وسرعان ما أسست روساتوم ومنشأة إيركوتسك إنيرغو التي يقع مقرها في مدينة إيركوتسك، شركة AKME الهندسية لتنفيذ المشروع (قيد التطوير حاليًا).

تتراوح استطاعة الطاقة المتوقعة لمفاعل نيوتروني سريع محتو على سبيكة رصاص – بزموت (الذي يُشار إليه اختصارًا باسم SVBR باللغة الروسية) من 100 إلى 130 ميغاواط. يمكن أن يعمل المفاعل إما على اليورانيوم أو على مزيج اليورانيوم – البلوتونيوم، وهما على الترتيب وقودان أكسيدي ونتريدي،. يمكن أيضًا تحميل SVBR-100 بمجموعات وقود محتوية على عدة درجات مئوية من الأكتينيدات الثانوية. من المبرمج أن يتم وضع المفاعل في صندوق مغلق، وستوضع جميع أنظمته في غلاف واق بجدران، يبلغ ارتفاعها 1.5 مترا.

كما تعمل روساتوم بشكل مستقل على تطوير مفاعلين آخرين مبردين بسبيكة رصاص – بزموت، هما SVET-M وSVGT-1.

المفاعل SVET-M

يعني SVET-M باللغة الروسية “مفاعلا معياريا رصاص – بزموت طبيعي الدوران”. إنه مفاعل نيوتروني سريع متكامل: أنظمة التبريد الأولية الخاصة به موضوعة داخل امحتو واحد بدون أنابيب وتركيبات دارة أولية – ببساطة ليست هناك حاجة إليها. إن الدوران الطبيعي للمبرد هي ميزته الأساسية. هذا يعني أن المفاعل لا يحتوي على مضخات تدوير وأنه يتم تشغيل المبرد بسبب اختلاف الضغط في المنطقة النشطة من المفاعل الساخن ومولد البخار “البارد” نسبيًا. وبما أن درجة حرارة سبيكة رصاص – بزموت تختلف اختلافًا كبيرًا في الأقسام الساخنة و”الباردة” من الدارة، فإن هذا يولّد ضغطًا أعلى (مقارنة بمبردات أخرى) ويسمح بخفض ارتفاع المفاعل ومن ثم توفير المواد الهيكلية.

يتم تطوير SVET-M في عدد من التصاميم التي تتراوح استطاعتها من الطاقة الكهربائية من 1 إلى 50 ميغاواط، وأكثرها تطوراً هو تصميم 10 ميغاواط. تصل درجة حرارة البخار الخارج من جهاز التسخين إلى 445 درجة مئوية. تزيد درجة الحرارة المرتفعة من كفاءة وحدة المفاعل. يمكن، على غرار SVBR-100، تشغيل SVET-M إما على اليورانيوم أو على مزيج اليورانيوم – البلوتونيوم، وهما على الترتيب وقودان أكسيدي ونتريدي. تم تطوير SVET-M في OKB Gidropress (جزء من قسم الهندسة في روساتوم: أتوم إنيرغ ماش (Rosatom AtomEnergoMash)). تم الانتهاء من التصميم التخطيطي للمفاعل في العام 2022.

المفاعل SVGT-1

يرمز SVGT-1 إلى “مفاعل رصاص – بزموث توربيني غازي باستطاعة 1 ميغاواط”. لقد تم تطويره في معهد لايبونسكي للفيزياء وهندسة الطاقة (جزء من قسم الأبحاث التابع لروساتوم)، وهو ينتمي إلى المفاعلات الدقيقة على نطاق الوكالة الدولية للطاقة الذرية. إنه مزيج من مفاعل رصاص – بزموت ومحطة توربينات غازية، أوضح أنطون فيربتسكي، رئيس مخبر تقييم السلامة وبرمجيات المفاعلات السريعة في معهد لايبونسكي، في مقابلة مع بوابة Atominfo.ru. يتميز SVGT-1 بتصميم دوران طبيعي، فهو أيضا لا يحتوي على مضخات. إن المفاعل حاليا هو في المرحلة الأولية من التطوير. تم إعداد خطة لمتابعة الدراسات الهندسية اللازمة لتطوير التصميم التفصيلي. سيبدأ المهندسون، في حالة الموافقة على الخطة، العمل على التصميم التفصيلي في غضون ثلاث سنوات. ستستغرق دورة التصميم بأكملها، وفقًا للتقديرات الأولية، من سبع إلى عشر سنوات.

يعتقد جميع المطورين أن لمفاعلات رصاص – بزموت آفاق جيدة على خلفية الاهتمام المتزايد بمحطات الطاقة الذرية الصغيرة والأمان المتأصل في دوران المبرد.