مفاعل دون حرج يعمل بالمسرع

المفاعل دون الحرج المُدار بواسطة مُسرِّع (ADSR) هو تصميم لمفاعل نووي يتكون من ربط قلب مفاعل نووي دون الحرج بشكل كبير بمُسرِّع بروتونات أو إلكترونات عالي الطاقة. ويمكنه استخدام الثوريوم كوقود، وهو أكثر وفرة من اليورانيوم . ^{[ 1 ]}

تُوفّر النيوترونات اللازمة لاستمرار عملية الانشطار بواسطة مُسرّع جسيمات يُنتج النيوترونات عن طريق التفتت النووي أو إنتاج النيوترونات الضوئية. تُنشّط هذه النيوترونات الثوريوم، مما يُتيح الانشطار دون الحاجة إلى جعل المفاعل في حالة حرجة. من مزايا هذه المفاعلات قصر عمر النصف لنفاياتها النووية. أما في مُسرّعات البروتونات، فيصطدم شعاع البروتونات عالي الطاقة بهدف من الرصاص المنصهر داخل قلب المفاعل، مُفتتًا أو "مُقشّرًا" النيوترونات من نوى الرصاص. تُحوّل نيوترونات التفتت هذه الثوريوم الخصب إلى بروتاكتينيوم-233 ، وبعد 27 يومًا إلى يورانيوم-233 قابل للانشطار ، وتُحفّز تفاعل الانشطار في اليورانيوم. ^{[ 1 ]}

تستطيع مفاعلات الثوريوم توليد الطاقة من مخلفات البلوتونيوم التي تخلفها مفاعلات اليورانيوم. لا يتطلب الثوريوم تكريراً كبيراً، على عكس اليورانيوم، ويتميز بإنتاجية نيوترونية أعلى لكل نيوترون ممتص.

يستخدم مُضخِّم الطاقة في البداية مُسرِّع جسيمات (مثل المُسرِّع الخطي ، أو السنكروترون ، أو السيكلوترون ، أو مُسرِّع الجسيمات ذي الطورين الحرين ) لإنتاج حزمة من البروتونات عالية الطاقة (النسبية). تُوجَّه هذه الحزمة للاصطدام بنوى هدف من معدن ثقيل، مثل الرصاص أو الثوريوم أو اليورانيوم. ينتج عن التصادمات غير المرنة بين حزمة البروتونات والهدف عملية التفتت النووي ، التي تُنتج ما بين عشرين إلى ثلاثين نيوترونًا في كل حدث. ^{[ 2 ]} قد يكون من الممكن زيادة تدفق النيوترونات باستخدام مُضخِّم نيوتروني ، وهو عبارة عن غشاء رقيق من مادة انشطارية يُحيط بمصدر التفتت النووي؛ وقد اقتُرح استخدام تضخيم النيوترونات في مفاعلات كاندو . على الرغم من أن تصميم كاندو حرج، إلا أنه يُمكن تطبيق العديد من المفاهيم على نظام دون حرج. ^{[ 3 ] [ 4 ]} تمتص نوى الثوريوم النيوترونات، مما يؤدي إلى إنتاج اليورانيوم-233 القابل للانشطار ، وهو نظير لليورانيوم لا يوجد في الطبيعة. وتؤدي النيوترونات المعتدلة إلى انشطار اليورانيوم-233، مطلقةً طاقة.

قبل ظهور مفهوم المفاعل النووي وتحقيق أول حالة حرجة في مفاعل شيكاغو بايل-1 ، عمل الفيزيائيان إنريكو فيرمي وهربرت ل. أندرسون من جامعة كولومبيا في جامعة برينستون مع الفيزيائيين روبرت ر. ويلسون وإدوارد كرويتز ، على تطوير مفاعل A-12، وهو تجربة دون حرجة تُشبه مُضخِّم الطاقة. تم تضمين تسعة كيلوغرامات من أكسيد اليورانيوم في عمود من الجرافيت يزن 490 كيلوغرامًا، واستُخدم تفتت البريليوم بواسطة البروتونات من سيكلوترون برينستون كمصدر للنيوترونات. استخدمت معظم تجارب المفاعلات الأخرى في تلك الفترة، في كل من الولايات المتحدة وألمانيا، مصادر انبعاث جسيمات ألفا مثل مصادر الراديوم-بريليوم أو الرادون-بريليوم. ^{[ 5 ]}

يُنسب هذا المفهوم إلى العالم الإيطالي كارلو روبيا ، ^{[ 6 ]} الحائز على جائزة نوبل في فيزياء الجسيمات والمدير السابق لمختبر سيرن الدولي للفيزياء النووية في أوروبا . وقد نشر روبيا مقترحًا لمفاعل طاقة (يُطلق عليه اسم "روبياترون") يعتمد على مُسرِّع بروتونات سيكلوتروني بطاقة حزمة تتراوح بين 800 ميغا إلكترون فولت و1 غيغا إلكترون فولت ، وهدف يستخدم الثوريوم كوقود والرصاص كمبرد . كما استقى روبيا في تصميمه أفكارًا طورتها مجموعة بقيادة الفيزيائي النووي تشارلز بومان من مختبر لوس ألاموس الوطني ^{[ 7 ]} . وفي وقت سابق، تم تناول المفهوم العام لمُضخِّم الطاقة، أي المفاعل دون الحرج الذي يعمل بواسطة مُسرِّع ، في كتاب "العصر النووي الثاني" (1985)، الصفحات 62-64، من تأليف ألفين إم. واينبرغ وآخرين.

كان مُسرِّع "نموذج الإلكترون متعدد التطبيقات" ( EMMA ) نوعًا جديدًا من مُسرِّعات الجسيمات التي تدعم تقنية ADSR. بُني النموذج الأولي في مختبر داريسبري في تشيشاير، المملكة المتحدة. تميز EMMA بكونه مزيجًا فريدًا من السيكلوترون والسينكروترون ، جامعًا مزاياهما في تصميم صغير الحجم واقتصادي. كان EMMA مُسرِّعًا ذو مجال ثابت وتدرج متناوب ( FFAG ) غير قابل للقياس. قام النموذج الأولي بتسريع الإلكترونات من 10 إلى 20 ميغا إلكترون فولت، باستخدام مُسرِّع ALICE الحالي كحاقن. في مُسرِّعات FFAG، يكون المجال المغناطيسي في المغناطيسات المنحنية ثابتًا أثناء التسريع، مما يتسبب في تحرك حزمة الجسيمات شعاعيًا نحو الخارج مع ازدياد زخمها. يسمح مُسرِّع FFAG غير القابل للقياس بتغير كمية تُعرف باسم " ضبط بيتاثرون " دون قيود. في السنكروترون التقليدي، يؤدي هذا التغير إلى فقدان الحزمة عندما يصل الضبط إلى ظروف رنين مختلفة. مع ذلك، في جهاز EMMA، يعبر الشعاع هذه الرنينات بسرعة كبيرة لدرجة أن الشعاع يبقى سليماً. يُسرّع النموذج الأولي الإلكترونات بدلاً من البروتونات، ولكن يمكن بناء مولدات البروتونات باستخدام المبادئ نفسها. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

اشترت مجموعة "أكر سوليوشنز" النرويجية براءة الاختراع الأمريكية رقم 5774514 بعنوان  "مضخم طاقة لإنتاج الطاقة النووية يعمل بواسطة مسرع شعاع جسيمات"، والمملوكة للفيزيائي الحائز على جائزة نوبل كارلو روبيا، وكانت تعمل حتى عام 2013 على مفاعل ثوريوم. تقترح الشركة شبكة من المفاعلات الصغيرة بقدرة 600 ميغاواط، تقع تحت الأرض، ويمكنها تزويد شبكات كهربائية صغيرة، ولا تتطلب منشأة ضخمة للسلامة والأمن. تُقدر تكلفة المفاعل الأول بملياري جنيه إسترليني. ^{[ 10 ]} يصف ريتشارد غاروِن وجورج شارباك مضخم الطاقة بالتفصيل في كتابهما "ميغاواط وميغاطن: نقطة تحول في العصر النووي؟" (2001)، في الصفحات من 153 إلى 163. في وقت سابق، تم تناول المفهوم العام لمضخم الطاقة ، وهو مفاعل دون حرج يعمل بواسطة مسرع، في كتاب "العصر النووي الثاني" (1985)، من تأليف ألفين إم. واينبرغ وآخرين.

مشروع أوميغا ( خيار صنع مكاسب إضافية من الأكتينيدات ومنتجات الانشطار (オメガ計画) ) قيد الدراسة كإحدى منهجيات نظام الدفع بالمسرعات (ADS) في اليابان. ^{[ 11 ]}

يتمتع هذا المفهوم بالعديد من المزايا المحتملة مقارنة بمفاعلات الانشطار النووي التقليدية :

• على عكس اليورانيوم-235، فإن الثوريوم غير قابل للانشطار، مما يعني أن النيوترون المُدخل يجب أن يحمل كمية كبيرة من الطاقة لإحداث انشطار نووي. كما أن الثوريوم لا يميل إلى التحلل الذاتي، إذ يبلغ عمر النصف له 14.05 مليار سنة (أي 20 ضعف عمر النصف لليورانيوم-235). تتوقف عملية الانشطار عند توقف شعاع البروتونات، كما هو الحال عند انقطاع التيار الكهربائي، لأن المفاعل يكون دون درجة الحرارة الحرجة. تُنتج كميات ضئيلة من البلوتونيوم، ثم تُحرق في المفاعل نفسه. ^{[ 1 ]} مع ذلك، قد يحدث انصهار نووي إذا فُقدت القدرة على تبريد قلب المفاعل.
• يُعدّ الثوريوم عنصراً وفيراً، يفوق وفرته وفرة اليورانيوم بكثير، مما يقلل من مشاكل الإمداد الاستراتيجية والسياسية، ويُغني عن فصل النظائر المكلف والمستهلك للطاقة . يوجد من الثوريوم ما يكفي لتوليد الطاقة لعدة آلاف من السنين على الأقل بمعدلات الاستهلاك الحالية. ^{[ 12 ]}
• سينتج مضخم الطاقة كمية قليلة جدًا من البلوتونيوم ، لذلك يُعتقد أن التصميم أكثر مقاومة للانتشار من الطاقة النووية التقليدية (على الرغم من أنه يجب تقييم مسألة اليورانيوم -233 كمادة سلاح نووي بعناية).
• توجد إمكانية استخدام المفاعل لاستهلاك البلوتونيوم، مما يقلل من المخزون العالمي لهذا العنصر طويل العمر.
• يتم إنتاج كميات أقل من النفايات المشعة طويلة الأمد - حيث تتحلل مادة النفايات بعد 500 عام إلى المستوى الإشعاعي لرماد الفحم .
• لا حاجة إلى علوم جديدة؛ فقد تم إثبات جميع التقنيات اللازمة لبناء مضخم الطاقة. ولا يتطلب بناء مضخم الطاقة سوى جهد هندسي ، وليس بحثًا أساسيًا (على عكس مقترحات الاندماج النووي ).
• قد يكون توليد الطاقة اقتصاديًا مقارنة بتصاميم المفاعلات النووية الحالية إذا تم أخذ دورة الوقود الكاملة وتكاليف إيقاف التشغيل في الاعتبار.
• يمكن أن يعمل التصميم على نطاق صغير نسبياً، ولديه القدرة على تتبع الحمل عن طريق تعديل حزمة البروتونات، مما يجعله أكثر ملاءمة للدول التي لا تمتلك نظام شبكة طاقة متطور .
• إن السلامة المتأصلة والنقل الآمن للوقود قد يجعلان هذه التقنية أكثر ملاءمة للدول النامية وكذلك في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية.
• يمكن استخدام التحويل النووي المرغوب فيه عمداً (بدلاً من كونه نتيجة حتمية للانشطار النووي والتشعيع النيوتروني) إما لتحويل النفايات عالية المستوى (مثل منتجات الانشطار طويلة العمر أو الأكتينيدات الثانوية ) إلى مواد أقل ضرراً، أو لإنتاج النويدات المشعة لاستخدامها في الطب النووي أو لإنتاج المعادن الثمينة من المواد الخام منخفضة السعر.
• النسبة المنخفضة للنيوترونات المتأخرة في انشطار ²³⁹مقارنة بـ ²³⁵لا يُشكل اليورانيوم ، الذي يُعيق استخدام الوقود المحتوي على البلوتونيوم في المفاعلات الحرجة (التي تحتاج إلى العمل في نطاق ضيق من تدفق النيوترونات بين الحالة الحرجة الفورية والحالة الحرجة المتأخرة )، أي مصدر قلق، حيث لا يتم تحقيق أي نوع من أنواع الحرجية أو الحاجة إليها.
• بينما تواجه عملية إعادة معالجة الوقود النووي مشكلة تتمثل في عدم إمكانية إعادة تدوير وقود MOX لاستخدامه في مفاعلات الماء الخفيف الحالية ، وذلك لعدم الوصول إلى تركيز البلوتونيوم اللازم للمفاعل من النظائر الانشطارية بسبب ²⁴⁰في حال تجاوزت شوائب البلوتونيوم المستويات المقبولة، يمكن "حرق" جميع النظائر الانشطارية والخصبة من الأكتينيدات في مفاعل دون حرج، وبالتالي إغلاق دورة الوقود النووي دون الحاجة إلى مفاعلات التوليد السريع.

• يحتاج كل مفاعل إلى منشأة خاصة به ( مسرّع جسيمات ) لتوليد حزمة البروتونات عالية الطاقة، وهو أمر مكلف للغاية. وباستثناء مسرّعات الجسيمات الخطية ، باهظة الثمن، لم يُبنَ أي مسرّع بروتونات بقدرة وطاقة كافيتين (أكثر من 12 ميغاواط عند 1 غيغا إلكترون فولت) . حاليًا، يستخدم مصدر النيوترونات بالتفتيت حزمة بروتونات بقدرة 1.44 ميغاواط لإنتاج النيوترونات، مع خطط لتطويره إلى 5 ميغاواط. ^{[ 13 ]} شملت تكلفته البالغة 1.1 مليار دولار أمريكي معدات بحثية غير ضرورية لمفاعل تجاري. قد تُطبّق وفورات الحجم إذا أصبحت مسرّعات الجسيمات (التي نادرًا ما تُبنى حاليًا بالقدرات المذكورة أعلاه، ولأغراض البحث فقط) تقنية أكثر شيوعًا. ويمكن ملاحظة تأثير مماثل عند مقارنة تكلفة مشروع مانهاتن حتى بناء مفاعل شيكاغو بايل-1 بتكاليف مفاعلات البحث أو الطاقة اللاحقة.
• يجب اختيار مادة الوقود بعناية لتجنب التفاعلات النووية غير المرغوب فيها. وهذا يستلزم وجود محطة إعادة معالجة نووية متكاملة مرتبطة بمضخم الطاقة. ^{[ 14 ]}
• إذا تجاوز تدفق النيوترونات، لأي سبب كان، المواصفات التصميمية بما يكفي لوصول المفاعل إلى حالة التشغيل الحرجة ، فقد يحدث حادث حرج أو ارتفاع مفاجئ في الطاقة. ^{[ 15 ]} على عكس المفاعل "العادي"، فإن آلية الإيقاف الطارئ لا تتطلب سوى "إيقاف" مصدر النيوترونات، وهو ما لن يُجدي نفعًا إذا كان إنتاج النيوترونات يفوق استهلاكها باستمرار (أي حالة التشغيل الحرجة)، إذ لا توجد آلية لزيادة استهلاك النيوترونات بسرعة، مثلاً عن طريق إضافة مادة سامة للنيوترونات . ^{[ 16 ]}
• إن استخدام الرصاص كمبرد له عيوب مماثلة لتلك المذكورة في المقال المتعلق بالمفاعلات السريعة المبردة بالرصاص
• تعتمد العديد من مصادر النيوترونات الحالية المستخدمة في الأبحاث، والتي تعتمد على التفتت النووي، على النبضات، أي أنها تُنتج تدفقات نيوترونية عالية جدًا لفترات زمنية قصيرة جدًا. أما في مفاعلات الطاقة، فيُفضّل تدفق نيوتروني أقل ولكن أكثر ثباتًا. سيكون مصدر التفتت النووي الأوروبي أقوى مصدر نيوتروني في العالم (قياسًا بذروة التدفق النيوتروني)، ولكنه لن يكون قادرًا إلا على إنتاج نبضات قصيرة جدًا (في حدود أجزاء من الألف من الثانية). ^{[ 17 ]} ويعود ذلك أساسًا إلى تصميمها، وليس إلى قيود فيزيائية. وتجري حاليًا أعمال بناء مسرعات الموجة المستمرة بهذا الحجم، وهي ليست عاملًا مُقيِّدًا من الناحية التقنية. ^{[ 18 ]}

• مفاعل الثوريوم بالفلوريد السائل
• مضخم طاقة
• ميرها
• الطاقة البديلة
• دورة وقود الثوريوم
• مفاعل التوليد ، وهو نوع آخر من المفاعلات النووية التي تهدف إلى تحقيق ربح من الطاقة عن طريق إنتاج مواد انشطارية أكثر مما تستهلكه.
• الطاقة النووية القائمة على الثوريوم
• أسر الميون
• التحول النووي

• الطاقة النووية في العصر الجديد: مقال عن مضخمات الطاقة | مجلة كوزموس
• براءة الاختراع الأمريكية رقم 5160696  : بومان، سي (1992) "جهاز للتحويل النووي وإنتاج الطاقة باستخدام تدفق النيوترونات الحرارية المكثف الناتج عن مسرع الجسيمات"
• نحو مستقبل نووي بديل، بقلم البروفيسور روبرت سيونسكي على يوتيوب