موضوع مقاله: راکتور سریع یکپارچه ( IFR ) | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # راکتور سریع یکپارچه ( IFR ) | مقدمه: راکتور سریع یکپارچه (IFR) که در ابتدا با نام راکتور پیشرفته فلز مایع (ALMR) شناخته می‌شد، یک طراحی برای یک راکتور هسته‌ای با نوترون‌های سریع است که فاقد کندکنندهٔ نوترون است (بنابراین یک «راکتور سریع» محسوب می‌شود). | ## بخش 1: راکتور سریع یکپارچه ( IFR ) | این آزمایش‌ها شرایط از دست رفتن جریان خنک‌کننده را شبیه‌سازی می‌کردند، و حتی زمانی که سیستم‌های خاموشی اضطراری غیرفعال بودند، راکتور به صورت خودکار بدون داغ کردن بیش از حد خاموش شد. در آرگون غرب، فیزیک‌دان‌ها راکتور EBR-II را ساخته بودند و سپس تصمیم گرفته شد که این راکتور به طرح IFR تبدیل شود. چارلز تیل (به‌عنوان رئیس پروژه) و یون چانگ (معاون پروژه) از چهره‌های اصلی این طرح بودند. تاریخچه پس از انتخاب بیل کلینتون به‌عنوان رئیس‌جمهور در سال ۱۹۹۲ و هیزل او’لری به‌عنوان وزیر انرژی، فشار زیادی از سوی مقامات بالادستی برای لغو پروژهٔ IFR به وجود آمد. گزارش جنجالی دربارهٔ سلامت و ایمنی پروژه مخالفان IFR گزارشی از دفتر ایمنی هسته‌ای DOE منتشر کردند که در آن یک کارمند سابق آرگون ادعا کرده بود: · در برابر نگرانی‌هایی که دربارهٔ ایمنی مطرح کرده، · و دربارهٔ کیفیت تحقیقات پروژه IFR، از سوی مدیریت مورد انتقام‌جویی قرار گرفته است. مجلات علمی واکنش‌های متفاوتی داشتند: · مجله Nature تیتر زد: «گزارش از افشاگر حمایت می‌کند» · اما مجله Science مقاله‌ای با عنوان: «آیا افشاگر آرگون واقعاً چیزی برای افشا داشت؟» منتشر کرد. اما BN-800 روسیه، که یک راکتور سریع بسیار مشابه است، با هدف سوزاندن پلوتونیوم مازاد، از سال ۲۰۱۶ وارد بهره‌برداری شده‌است. مرور فنی راکتور سریع یکپارچه (IFR) یک طرح راکتور نوترون سریع نسل چهارمی است که از سوخت فلزی (آلیاژ اورانیوم و پلوتونیوم) و خنک‌کننده فلزی مایع (معمولاً سدیم) استفاده می‌کند. این نوع راکتور از آب به‌عنوان کندکننده‌ (moderator) استفاده نمی‌کند، بنابراین نوترون‌ها در محدوده‌ی انرژی «سریع» باقی می‌مانند. همین ویژگی اجازه می‌دهد که ایزوتوپ‌های سنگین‌تر (ترانس‌اورانیک‌ها) که در راکتورهای حرارتی معمولاً زباله به‌حساب می‌آیند، در اینجا بسوزند و حتی به‌عنوان سوخت استفاده شوند. ویژگی «یکپارچه» در نام IFR به این اشاره دارد که راکتور، تأسیسات بازفرآوری سوخت و ساخت سوخت جدید، همگی در یک سایت و به‌صورت یک چرخه‌ی بسته با هم کار می‌کنند. در این فرایند، اورانیوم، پلوتونیوم و دیگر اکتینیدها از محصولات شکافت جدا شده و به‌شکل سوخت تازه، دوباره قالب‌گیری می‌شوند و وارد راکتور می‌گردند. طراحی IFR معمولاً از آرایش «استخر سدیم» (sodium pool) استفاده می‌کند؛ یعنی قلب راکتور، مبدل‌های حرارتی و پمپ‌های مدار اولیه همگی درون یک مخزن بزرگ از سدیم مایع قرار دارند. این کار باعث می‌شود مدار اولیه در فشار نزدیک به فشار محیط کار کند و احتمال از دست‌رفتن ناگهانی خنک‌کننده (LOCA) به‌شدت کم شود. خنک‌کننده‌ی فلزی مایع، رسانایی گرمایی بالایی دارد و اجازه می‌دهد گرما به‌طور مؤثر از قلب راکتور به مدار ثانویه منتقل شود. برای کاهش خطر برخورد مستقیم آب و سدیم (که می‌تواند باعث آتش‌سوزی یا انفجار شود)، معمولاً از یک مدار فلز مایع واسط (مدار ثانویه‌ی سدیم یا سرب) بین راکتور و مدار بخارِ توربین استفاده می‌شود. در IFR، سوخت فلزی (ترکیبی از اورانیوم، پلوتونیوم و گاهی زیرکونیوم) رسانای بسیار خوبی برای حرارت است. به‌علت رسانایی خوب و چگالی بالای انرژی، حجم سوخت در قلب راکتور نسبتاً کم است، اما همچنان می‌توان گرما را به‌طور کارآمد به خنک‌کننده منتقل کرد. | ## بخش 2: راکتور سریع یکپارچه ( IFR ) | طراحی IFR همچنین طوری است که ویژگی‌های ایمنی ذاتی (passive safety) داشته باشد؛ یعنی در صورت افزایش دما، انبساط سوخت و سازه‌ها باعث می‌شود نوترون‌های بیشتری از قلب فرار کنند و شدت واکنش زنجیره‌ای کاهش یابد. این مکانیسمِ ضریب دمایی منفی واکنش‌پذیری، به‌صورت خودکار توان راکتور را پایین می‌آورد. مزایا بهره‌وری بالای سوخت و چرخه‌ی سوخت در راکتورهای آب سبک معمولی (LWR) با چرخه‌ی سوخت یک‌بار گذر، کمتر از ۱٪ اورانیوم طبیعی واقعاً می‌سوزد و تبدیل به انرژی می‌شود؛ بقیه یا مصرف‌نشده باقی می‌ماند یا به ایزوتوپ‌های سنگین‌تر تبدیل می‌شود و به‌عنوان زباله‌ی پرتوزا ذخیره می‌گردد. در مقابل، یک راکتور سریع پرورش‌دهنده مثل IFR می‌تواند به‌صورت نظری تا حدود ۹۹٫۵٪ اورانیوم را (به‌مرور و با بازفرآوری مکرر) به شکافت و انرژی تبدیل کند؛ چون: با نوترون‌های سریع کار می‌کند و می‌تواند طیف وسیعی از اکتینیدها را بسوزاند؛ با بازفرآوری پیرُوفرایندی، اکتینیدها (شامل پلوتونیوم و اکتینیدهای جزئی) را از محصولات شکافت جدا و دوباره به سوخت تبدیل می‌کند؛ این فرایند در محل نیروگاه انجام می‌شود، بنابراین چرخه‌ی سوخت تقریباً بسته است و نیاز به استخراج و غنی‌سازی مداوم اورانیوم تازه بسیار کاهش می‌یابد. کاهش حجم و عمر خطرناک پسماند هسته‌ای در IFR، تقریباً همه‌ی اکتینیدها (اورانیوم، پلوتونیوم و اکتینیدهای جزئی) دوباره به راکتور برمی‌گردند و می‌سوزند؛ بنابراین: پسماند نهایی عمدتاً محصولات شکافت هستند، نه اکتینیدها با نیمه‌عمرهای بسیار طولانی. حجم پسماند واقعی (فقط محصولات شکافت) حدود ۱/۲۰ حجم سوخت مصرف‌شده‌ی LWR با توان معادل است. حدود ۷۰٪ محصولات شکافت یا پایدارند یا نیمه‌عمر زیر یک سال دارند و به‌سرعت فروکش می‌کنند. بدون اکتینیدهای بلندعمر، رادیوتوکسیسیته‌ی باقی‌مانده در بازه‌ی حدود ۲۰۰–۴۰۰ سال به سطحی کمتر از اورانیوم طبیعی (در مقایسه‌ی گرم به گرم) می‌رسد و بعد از آن هم رو به کاهش است. این یعنی مسئله‌ی «هزاران تا میلیون‌ها سال مراقبت از زباله» به‌طور چشمگیری کاهش پیدا می‌کند؛ چون بخش سختِ پسماند (اکتینیدها) اساساً سوزانده و حذف می‌شود. ایمنی ذاتی و عملکرد غیرفعال (Passive safety) چند نکته‌ی کلیدی در مزیت‌های ایمنی IFR: فشار پایین مدار اولیه (به‌خاطر خنک‌کننده‌ی فلز مایع) خطر حوادثی مانند پارگی لوله تحت فشار بالا و از دست دادن ناگهانی خنک‌کننده را بسیار کم می‌کند. طراحی استخر سدیم و حجم زیاد خنک‌کننده کمک می‌کند حتی در شرایط از دست‌رفتن گردش اجباری، همرفت طبیعی سدیم گرمای پس‌خاموشی (decay heat) را از قلب دور کند. سوخت فلزی و انبساط حرارتی آن باعث می‌شود با افزایش دما، واکنش‌پذیری کاهش یابد (ضریب دمایی منفی) و راکتور به‌طور خودبه‌خود به سمت خاموش‌شدن برود. در آزمایش‌های انجام‌شده روی نمونه‌ی آزمایشی EBR-II (پیش‌درآمد IFR)، سناریوهایی مانند قطع ناگهانی جریان خنک‌کننده و برداشتن سیستم‌های کنترل فعال اجرا شد و راکتور بدون مداخله‌ی اپراتور و بدون آسیب سوخت، خودش پایدار شد. هدف نهایی این طراحی این است که حتی در بدترین حالت‌ها، ذوب‌شدن گسترده‌ی قلب و رهاسازی رادیواکتیویته رخ ندهد. ویژگی‌های بهتر در زمینه‌ی اشاعه‌ی سلاح هسته‌ای (Proliferation resistance) چرخه‌ی سوخت IFR، در مقایسه با بازفرآوری متداول PUREX، ویژگی‌هایی دارد که انحراف مواد برای ساخت سلاح را سخت‌تر می‌کند: در پیرُوفرایند الکتروشیمیایی، پلوتونیوم به‌صورت «خالص» و جدا از بقیه‌ی اکتینیدها و محصولات شکافت به‌دست نمی‌آید، بلکه مخلوطی پرتوزا است که برای کاربردهای تسلیحاتی نامناسب‌تر و از نظر عملیاتی خطرناک‌تر و مشکل‌تر است. راکتور می‌تواند در سوخت با سوختگی بالا (burnup زیاد) کار کند و این باعث می‌شود نسبت ایزوتوپ‌های نامطلوب برای سلاح (مثل Pu-238 و Pu-240 و Pu-242) در مخلوط بالا برود. چون سوخت و اکتینیدها روی سایت باقی می‌مانند و برای بازفرآوری جابجا نمی‌شوند، فرصت‌های بالقوه برای انحراف مواد هسته‌ای کمتر می‌شود. انتشار کربن اندک در طول چرخه‌ی عمر خودِ راکتور IFR مثل سایر راکتورهای شکافت هسته‌ای در زمان کارکرد، CO₂ منتشر نمی‌کند. | ## بخش 3: راکتور سریع یکپارچه ( IFR ) | انتشار گازهای گلخانه‌ای مربوط به: ساخت نیروگاه (بتن، فولاد، ساخت‌وساز) و استخراج و پردازش اولیه‌ی سوخت است. بررسی‌های چرخه‌ی عمر نشان می‌دهند که حتی برای راکتورهای نسلی فعلی، میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای در کل چرخه‌ی عمر تنها کسری از نیروگاه‌های فسیلی است و قابل‌مقایسه با فناوری‌های تجدیدپذیر است. برای راکتورهای سریع پرورش‌دهنده‌ی آینده مثل IFR، انتظار می‌رود این مقدار مشابه یا کمتر از راکتورهای آب سبک باشد، در حالی که مصرف اورانیوم خام هم بسیار کمتر است. امنیت خودکار راکتور IFR از سوخت آلیاژ فلزی (اورانیوم، پلوتونیوم و/یا زیرکونیوم) استفاده می‌کند؛ این نوع سوخت رسانای خوبی برای گرما است، بر خلافِ اکسید اورانیوم که در راکتورهای آب سبک (LWR) – و حتی بعضی راکتورهای سریع پرورش‌دهنده – به کار می‌رود و رسانای ضعیفی برای گرما است و در مرکز قرص‌های سوخت به دماهای بسیار بالا می‌رسد. قلب IFR در زمان کارکرد، نیاز به دفع گرمای بیشتری به‌ازای واحد حجم قلب نسبت به قلب LWR دارد؛ اما از طرف دیگر، بعد از خاموش‌کردن راکتور، گرمای حبس‌شده‌ی کمتری وجود دارد که هنوز در حال پخش‌شدن است و باید از سیستم خارج شود. با این حال، تولید گرمای واپاشی (decay heat) ناشی از محصولات شکافت کوتاه‌عمر و اکتینیدها در هر دو حالت (IFR و LWR) قابل‌مقایسه است؛ در ابتدا در سطح بالایی شروع می‌شود و با گذشت زمان بعد از خاموشی، کاهش می‌یابد. پمپ‌های سدیمِ مدار اولیه طوری طراحی شده‌اند که مجهز به فلای‌ویل (چرخ طیار) باشند؛ بنابراین اگر برق قطع شود، حدود ۹۰ ثانیه به‌آرامی دورشان کم می‌شود (coast down). اگر به هر دلیلی جریان مدار اولیه‌ی خنک‌کننده ناگهان متوقف شود یا میله‌های کنترلی به‌طور ناگهانی خارج شوند، سوخت فلزی می‌تواند ذوب شود؛ همان‌طور که به‌طور اتفاقی در راکتور EBR-I رخ داد. با این‌حال، سوخت ذوب‌شده سپس در امتداد لوله‌های غلاف فولادی به سمت بالا رانده می‌شود و از ناحیه‌ی فعال قلب خارج می‌گردد که این امر منجر به خاموشی دائمی راکتور شده و دیگر گرمای شکافت تولید نمی‌شود و ذوب بیشتر سوخت رخ نمی‌دهد. خودتنظیمی سطح توان IFR عمدتاً به انبساط حرارتی سوخت بستگی دارد؛ این انبساط اجازه می‌دهد نوترون‌های بیشتری فرار کنند و واکنش زنجیره‌ای تضعیف شود. در راکتورهای آب سبک، اثر انبساط حرارتی سوخت کمتر است (چون بخش زیادی از قلب، کندکننده‌ی نوترون است)، اما آن‌ها دارای پس‌خور منفی قوی از پهن‌شدن داپلر هستند (که روی نوترون‌های حرارتی و اپی‌حرارتی اثر می‌گذارد، نه نوترون‌های سریع) و همچنین ضریب حفره‌ای (void coefficient) منفی ناشی از جوشیدن آبِ کندکننده یا خنک‌کننده؛ یعنی بخار کم‌چگال‌تر، نوترون‌های کمتر و کم‌تر-حرارتی‌شده را به سوخت برمی‌گرداند که آن‌ها هم بیشتر احتمال دارد توسط U-238 جذب شوند تا این‌که شکافت ایجاد کنند. با این حال، ضریب حفره‌ای مثبت IFR را می‌توان با افزودن تکنسیم به قلب راکتور تا سطح قابل‌قبولی کاهش داد؛ در این فرایند، در ضمن، فراورده‌ی شکافتِ بلندعمرِ تکنسیم-۹۹ از طریق دگرگونی هسته‌ای (transmutation) از بین می‌رود. علاوه بر خاموش‌شدن غیرفعال راکتور، جریان همرفت ایجادشده در سیستم خنک‌کننده‌ی اولیه، مانع از آسیب سوخت (ذوب قلب) می‌شود. سدیم در هوا به‌راحتی می‌سوزد و در تماس مستقیم با آب، به‌طور خودبه‌خود شعله‌ور می‌شود. استفاده از یک حلقه‌ی خنک‌کننده‌ی واسط (مدار میانی) بین راکتور و توربین‌ها، ریسک وقوع آتش‌سوزی سدیم در خودِ قلب راکتور را به حداقل می‌رساند. این ایزوتوپ به‌شدت پرتوزاست و یک فوتون گامای پرانرژی با انرژی ۲٫۷ مگاالکترون‌ولت گسیل می‌کند و سپس با واپاشی بتا به منیزیم-۲۴ تبدیل می‌شود. نیمه‌عمر سدیم-۲۴ فقط حدود ۱۵ ساعت است، بنابراین این ایزوتوپ از نظر بلندمدت خطر بزرگی محسوب نمی‌شود. | ## جمع‌بندی | با این وجود، حضور سدیم-۲۴ دلیل دیگری است که ضرورت استفاده از حلقه‌ی خنک‌کننده‌ی واسط بین راکتور و توربین‌ها را تقویت می‌کند.