تريجا

تريغا ( التدريب، البحث، النظائر، جنرال أتوميكس ) هو نوع من مفاعلات الأبحاث النووية صممته وصنعته شركة جنرال أتوميكس . قاد فريق تصميم تريغا، الذي ضم إدوارد تيلر ، الفيزيائي فريمان دايسون . تم بناء عدة نماذج من المفاعل، حيث تم تركيب 66 مفاعلاً في 24 دولة. تتميز هذه المفاعلات بقدرة حرارية ثابتة تتراوح بين 0.1 و16 ميغاواط، ويمكن رفع قدرتها إلى 22000 ميغاواط عند التشغيل النبضي.

TRIGA هو مفاعل حمام سباحة يمكن تركيبه بدون مبنى احتواء ، وهو مصمم للاستخدام في البحث والاختبار من قبل المؤسسات العلمية والجامعات لأغراض مثل التعليم الجامعي والدراسات العليا، والبحث التجاري الخاص، والاختبار غير المدمر وإنتاج النظائر .

يستخدم مفاعل تريغا وقود هيدريد اليورانيوم والزركونيوم (UZrH)، الذي يتميز بمعامل تفاعل حراري سلبي كبير وسريع ، ما يعني أنه مع ارتفاع درجة حرارة قلب المفاعل، ينخفض ​​التفاعل بسرعة. وبفضل هذه الخاصية الفريدة، تم تشغيله بأمان بنبضات طاقة تصل إلى 22000 ميغاواط. ^{[ 1 ]} يرتبط الهيدروجين الموجود في الوقود بالبنية البلورية لهيدريد اليورانيوم والزركونيوم بطاقة اهتزازية تبلغ 0.14 إلكترون فولت. ^{[ 2 ]} تمتلئ هذه المستويات عندما يسخن الوقود، وتنقل الطاقة إلى النيوترونات الحرارية، مما يجعلها أكثر طاقة، وبالتالي أقل عرضة للتسبب في الانشطار النووي. صُمم مفاعل تريغا في الأصل ليعمل بوقود اليورانيوم عالي التخصيب ، ولكن في عام 1978، أطلقت وزارة الطاقة الأمريكية برنامجها "تقليل التخصيب لمفاعلات الاختبار البحثية" ، الذي شجع على تحويل المفاعلات إلى وقود اليورانيوم منخفض التخصيب . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

ابتُكر مفهوم مفاعل تريغا في صيف عام 1956، عندما دعا فريدريك دي هوفمان ، رئيس شركة جنرال أتوميكس حديثة التأسيس ، مجموعةً من 30 إلى 40 عالمًا نوويًا (معظمهم من خريجي مشروع مانهاتن) لدراسة أنواع المفاعلات الواعدة تجاريًا. ركز العمل الاستكشافي على ثلاثة مفاهيم: "مفاعل السفن" (لتسيير السفن التجارية)، و"مفاعل الاختبار" (لتشعيع أجزاء من مفاعلات الطاقة النووية تجريبيًا)، و"مفاعل الأمان" (الذي أصبح فيما بعد مفاعل تريغا). خلال الفترة من يونيو إلى سبتمبر، وضع العلماء تصاميم المفاعلات الثلاثة، وفي نهاية الصيف، اختار دي هوفمان مفاعل تريغا للتطوير التجاري. ^{[ 5 ]}

قاد إدوارد تيلر فريق عمل "المفاعل الآمن" ، الذي اقترح أن تقتحم شركة جنرال أتوميكس السوق بتطوير مفاعل أكثر أمانًا من منافسيها. وبحسب تيلر، يجب أن يكون المفاعل آمنًا "حتى في أيدي طالب دراسات عليا شاب" ^{[ 6 ]} ، أو كما قال فريمان دايسون "حتى في أيدي شخص ذكي بما يكفي لتجاوز نظام التحكم بالكامل وتفجير قضبان التحكم بالديناميت" ^{[ 5 ]} . ضم فريق العمل عشرة فيزيائيين وكيميائيين ومهندسين، من بينهم فريمان دايسون (الذي عمل على النظرية الرياضية) ومسعود ط. سمند (الذي طور كيمياء الوقود). وفي نهاية الصيف، سُلم التصميم الأولي إلى فريق أصغر من علماء جنرال أتوميكس، وهم تيد تايلور وستان كوتز وأندرو ماكرينولدز، لتطويره بشكل مفصل. تم تشغيل النموذج الأولي للمفاعل النووي TRIGA (TRIGA Mark I) في 3 مايو 1958 في حرم شركة General Atomics في سان دييغو واستمر في العمل حتى إغلاقه في عام 1997. وقد تم تصنيفه كمعلم تاريخي نووي من قبل الجمعية النووية الأمريكية .

تم إنتاج نماذج مارك 2 ومارك 3 وغيرها من نماذج تصميم مفاعل تريغا، وتم تركيب 33 مفاعلاً من هذا النوع في مواقع مختلفة في الولايات المتحدة. ويجري تحديث وتطوير المفاعلات العاملة منها باستمرار. ^{[ 7 ]} كما تم تركيب 33 مفاعلاً آخر في دول أخرى. وقد حفزت سياسة "الذرة من أجل السلام" التي أطلقها الرئيس الأمريكي أيزنهاور عام 1953 ، والتي سعت إلى توسيع نطاق الوصول إلى الفيزياء النووية ليشمل دولاً تقع ضمن النفوذ الأمريكي، العديد من عمليات التركيب هذه. ونتيجة لذلك، توجد مفاعلات تريغا في 24 دولة، من بينها النمسا ، وبنغلاديش ، والبرازيل ، والكونغو ، وكولومبيا ، والمملكة المتحدة ، وفنلندا ، وألمانيا ، وتايوان ، واليابان ، وكوريا الجنوبية ، وإيطاليا ، وإندونيسيا ، وماليزيا ، والمكسيك ، والمغرب ، والفلبين ، وبورتوريكو ، ورومانيا ، وسلوفينيا ، وتايلاند ، وتركيا ، وفيتنام .

تأسست شركة TRIGA International، وهي مشروع مشترك بين General Atomics و CERCA - التي كانت آنذاك شركة تابعة لشركة AREVA الفرنسية - في عام 1996. ومنذ ذلك الحين، يتم تصنيع جميع مجموعات وقود TRIGA في مصنع CERCA في Romans-sur-Isère ، فرنسا .

ومن بين المنافسين الرئيسيين لشركة جنرال أتوميكس في توريد مفاعلات الأبحاث معهد كوريا لأبحاث الطاقة الذرية (KAERI) في كوريا الجنوبية وشركة INVAP في الأرجنتين .

يُعد نظام الطاقة TRIGA (TPS) محطة طاقة صغيرة ومصدرًا للحرارة مقترحًا، يعتمد على مفاعل TRIGA ووقوده الفريد من نوعه المكون من هيدريد اليورانيوم والزركونيوم، بقدرة حرارية تبلغ 64  ميغاواط تنتج 16  ميغاواط من الكهرباء. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

كان هدف إدوارد تيلر هو تصميم مفاعل "آمن بطبيعته"، بمعنى أنه حتى في حال سحب جميع قضبان التحكم فجأة، سيستقر المفاعل في حالة مستقرة قبل أن يتضرر من الحرارة. ولتحقيق ذلك، يحتاج المفاعل إلى معامل حراري سالب كبير ، أي أن كمية التفاعل يجب أن تنخفض بسرعة مع ارتفاع درجة حرارة المفاعل.

تُظهر معظم المفاعلات النووية معامل درجة حرارة سالبًا إلى حد ما. فمع ارتفاع درجة حرارة الوقود، يُقلل التمدد الحراري من كثافته، مما يُخفض من تفاعليته. إضافةً إلى ذلك، يزداد امتصاص النيوترونات من اليورانيوم-238 (نظير اليورانيوم غير القابل للانشطار) مع ارتفاع درجة الحرارة نتيجةً لتأثير دوبلر ، مما يزيد من امتصاص النيوترونات، وبالتالي يُقلل من عدد النيوترونات المتاحة لاستمرار التفاعل المتسلسل للانشطار.

يستفيد تصميم مفاعل TRIGA أيضًا من التأثيرات المتعلقة بطاقة النيوترونات الحرارية. ^{[ 10 ]} وكما هو الحال في معظم المفاعلات، يُعد TRIGA مفاعلًا للنيوترونات الحرارية، حيث تُبطئ النيوترونات السريعة الناتجة عن الانشطار بواسطة مُعدِّل نيوتروني حتى تصل إلى حالة التوازن الحراري مع المادة المحيطة. يكون المقطع العرضي لانشطار اليورانيوم-235 أكبر بكثير للنيوترونات منخفضة الطاقة مقارنةً بالنيوترونات عالية الطاقة. ومع ارتفاع درجة حرارة المُعدِّل، يزداد متوسط ​​طاقة النيوترونات الحرارية، مما يقلل من احتمالية إحداثها للانشطار ويزيد من احتمالية تسربها من الوقود (تأثير التسرب) وامتصاصها في مكان آخر. ويمكن الحصول على معامل سلبي أكبر بإضافة مواد ماصة للنيوترونات، مثل الإربيوم، إلى الوقود ^{[ 11 ]} ، والتي تمتص النيوترونات الحرارية عالية الطاقة بشكل تفضيلي.

كان التحدي في استغلال تأثير التسرب هو ضمان توافق درجة حرارة النيوترونات مع درجة حرارة المفاعل. عمومًا، تتناسب الطاقة الحرارية للنيوترونات تناسبًا وثيقًا مع درجة حرارة المهدئ. لكن في المفاعلات التقليدية، يكون المهدئ منفصلًا عن الوقود؛ فعلى سبيل المثال، يستخدم مفاعل الماء الخفيف الماء المجاور لقضبان الوقود كمهدئ للنيوترونات. في حال حدوث ارتفاع مفاجئ في الطاقة في مثل هذا المفاعل، قد ترتفع درجة حرارة قضبان الوقود وتنصهر قبل أن يبدأ الماء بالتسخين. لذلك، سعى مصممو مفاعل TRIGA إلى تصميم "مفاعل متجانس"، حيث يتم دمج المادة الانشطارية والمهدئ في خليط متجانس. ^{[ 10 ]}

تمّت دراسة العديد من المواد المرشحة كمواد مُعدِّلة محتملة يمكن دمجها مع وقود اليورانيوم، بما في ذلك البريليوم، وأكسيد البريليوم، والجرافيت، وهيدريد الليثيوم، وهيدريد الصوديوم، وهيدريد الزركونيوم (ZrHₓ ₎ . وقع الاختيار في النهاية على هيدريد الزركونيوم نظرًا لانخفاض تفاعليته الكيميائية، وانخفاض سميته، وموصليته الحرارية الجيدة، وتكلفته المنخفضة. مع ذلك، لم تكن المعلومات المتوفرة عام 1956 كافية حول خصائص ZrH المعدنية أو النيوترونية، مما استدعى إجراء دراسات تجريبية ونظرية مكثفة. ^{[ 12 ]}

يتكون وقود مفاعل تريغا من سبيكة متجانسة من هيدريد اليورانيوم والزركونيوم. تستطيع مصفوفة الزركونيوم استيعاب عدد كبير من ذرات الهيدروجين (بنسبة H/Zr تقارب 1.6 ^{[ 13 ]} )، ويُعدّ الهيدروجين مُهدئًا جيدًا. يُوفر الماء المُحيط بالوقود تهدئة وتبريدًا إضافيين. ولأن اليورانيوم مُنتشر داخل مصفوفة هيدريد الزركونيوم، فإن درجة حرارة الهيدروجين، وبالتالي النيوترونات الحرارية، تتأثر بشكل فوري ببقية الوقود. باستخدام وقود تريغا القياسي، يُعزى 50% من معامل درجة حرارة المفاعل إلى الطيف الحراري للنيوترونات. ^{[ 11 ]}

• قائمة المفاعلات النووية التجارية
• قائمة مفاعلات الأبحاث النووية
• وحدة طاقة نووية ذاتية التنظيم تعمل بالهيدروجين

• إدوارد تيلر (2001). مذكرات: رحلة في القرن العشرين في العلوم والسياسة . دار نشر بيرسيوس .

• الموقع الرسمي لشركة جنرال أتوميكس TRIGA