وقود تريزو
المحتويات
في البداية، يُعدّ وقود تريزو وقود نووي ثلاثي البنية متساوي الخواص نوعًا من أنواع الوقود النووي الجزيئي الدقيق. يتكون كل جسيم من نواة من ثاني أكسيد اليورانيوم (UO₂) (يُشار إليه أحيانًا بـ UC أو UCO)، مُغطاة بأربع طبقات من ثلاث مواد متساوية الخواص، مُرسبّة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار في طبقة مميعة. صُممت جسيمات وقود تريزو بحيث لا تتشقق بفعل الإجهادات الحرارية أو الميكانيكية عند درجات حرارة تصل إلى 1600 درجة مئوية. °C، وبالتالي يمكن أن تحتوي على نواتج الانشطار المشعة حتى أثناء الحوادث الخطيرة . ونتناول فيما يلي مزيدًا من التفاصيل.
علاوةً على ذلك، تُغطى كل جسيمة بطبقة عازلة مسامية مصنوعة من الكربون تمتص ارتدادات نواتج الانشطار، تليها طبقة داخلية كثيفة من الكربون البيروليتي الواقي (PyC)، ثم طبقة خزفية من كربيد السيليكون (SiC) لاحتجاز نواتج الانشطار عند درجات حرارة مرتفعة ولإعطاء جسيمة تريزو مزيدًا من التماسك الهيكلي، وتُغلق بطبقة خارجية كثيفة من الكربون البيروليتي. فيما بعد، تُدمج جسيمات تريزو النهائية في مصفوفة من الجرافيت لتشكيل عناصر وقود كروية أو أسطوانية.
علاوةً على ذلك، تاريخياً، استُخدمت أقراص وقود في مفاعلات الغاز المبردة ذات درجة الحرارة العالية (HTGR)، بنوعيها: مفاعل الكتل المنشورية ومفاعل الحصى. وكان مفاعل دراغون أول مفاعل يستعمل أقراص تريزو، بينما كانت محطة فورت سانت فرين للطاقة النووية أول محطة تجارية تستعملها، وهي مفاعل HTGR من نوع الكتل المنشورية. وبحلول عام 2026، استُخدمت أقراص وقود تريزو في بعض المفاعلات التجريبية، مثل مفاعل HTR-10 في الصين ومفاعل الاختبار الهندسي عالي الحرارة في اليابان، فضلًا عن استخدامها تجاريًا في مفاعل HTR-PM ذي الحصى بقدرة 100 ميغاواط.
إنتاج
وعلى صعيد آخر، يُصنع وقود تريزو في الغالب باستخدام عملية سول-جل، التي طُوّرت في مختبر أوك ريدج الوطني في الولايات المتحدة. أولًا، يُذاب اليورانيوم أو الثوريوم باستخدام حمض النيتريك، ويُستعمل الأمونيا للترسيب. أو يُرش محلول ثاني أكسيد الثوريوم عبر سائل عضوي ساخن، حيث يُشكّل التوتر السطحي كريات هلامية دقيقة. ولتكوين أكسيد الكربون فائق النقاء (UCO)، يُوزّع الكربون عبر الهلام لتعزيز تكوينه. ثم يُستعمل الترسيب الكيميائي للبخار في طبقة مميعة على عدة مراحل لتطبيق طبقات الكربون المسامي، والكربون الحراري الداخلي، وكربيد السيليكون، والكربون الحراري الخارجي. فيما بعد، تُدمج جزيئات تريزو
- انظر كذلك
- مفاعل ذو قاعدة حجرية
- طاقة الثوريوم النووية
تاريخ
وعلى صعيد آخر، في الوقت نفسه، جرى العمل على وقود الجسيمات المغلفة في الولايات المتحدة لدى لجنة الطاقة الذرية. وحدة بيتش بوتوم 1، وهي وحدة تبلغ مساحتها 40 يستعمل مفاعل HTGR التجريبي MW e وقودًا من الجسيمات المغلفة المنشورية يتكون من كربيد اليورانيوم عالي التخصيب (HEU) ممزوج بكربيد الثوريوم ومغلف بطبقة واحدة من الكربون المحلل حراريًا في قلبه الأول. نتيجةً لتصدع طبقة الكربون الحراري، أُضيفت طبقة عازلة من الكربون المسامي منخفض الكثافة قبل طبقة الكربون الحراري الكثيفة لامتصاص ارتدادات نواتج الانشطار واستيعاب انتفاخ غاز الانشطار. استُخدم هذا التصميم الجديد في قلب المفاعل الثاني، وسُمّي تصميم الجسيمات ثنائي الطبقات بوقود عازل متجانس الخواص أو ثنائي البنية متجانس الخواص (BISO) في ألمانيا، اُستعمل مفاعل AVR التجريبي - كان وقود، ولكن على شكل حصى كروية بدلًا من كتل موشورية. وقد استُبدل هذا الوقود بوقود تريزو في أواخر سبعينيات القرن العشرين. استعمل مفاعل تي إتش تي آر 300 (THTR 300) التجاري اللاحق وقود أكسيد BISO مماثلًا كوقود AVR، وعمل من عام 1983 إلى عام 1988.
من جانب آخر، يستعمل مفاعل الاختبار التجريبي ذو درجة الحرارة العالية في اليابان، الذي تم بناؤه عام 1998، مواد موشورية وقود تريزو. قامت جامعة تسينغهوا ببناء 10 طُور النموذج الأولي لمفاعل HTGR ذي الطبقة الحصوية بقدرة ميغاواط، وهو HTR-10، في سنة 2000. كان يستعمل حصى تريزو التي تحتوي على يورانيوم منخفض التخصيب، وقد استعملت كنموذج أولي للنموذج الأكبر 100 مفاعل MW e HTR-PM المعياري الصغير، الذي دخل حيز التشغيل في ديسمبر 2021. اعتبارًا من عام 2026، هو المفاعل الوحيد الذي يعمل بوقود تريزو في التشغيل التجاري.
كذلك، في الولايات المتحدة، يجري استكشاف استخدام مادة تريزو في مفهوم المفاعل ذي درجة الحرارة العالية جدًا، وهو أحد أنواع تصميمات المفاعلات الستة ضمن مبادرة الجيل الرابع التي تسعى إلى الوصول إلى درجات حرارة أعلى عند مخرج مفاعل HTGR. ويخطط مفاعل X-energy Xe-100 ذو الطبقة الحصوية HTGR لاستخدام حصى كروية تحتوي على جزيئات تريزو التي تحتوي على زيت الوقود غير المحترق (UCO) بينما تقوم شركة كايروس باور ببناء 50 مفاعل الملح المنصهر ذو الطبقة الحصوية MW e باستخدام وقود UCO TRISO الذي يحتوي على يورانيوم عالي التخصيب ومنخفض التخصيب.
وفي هذا الصدد، كان أول مفاعل HTGR تجاري، وأول مفاعل تجاري يستعمل تريزو، هو 330 محطة فورت سانت فرين للطاقة النووية بقدرة ميغاواط . استعملت كتلًا موشورية - مشابهة لـ Peach Bottom، إلى جانب خصوبة قيد التحضير لدراسة دورة وقود الثوريوم الكاملة باستخدام -. استعمل هذا الوقود طلاًء كاملًا من أربع طبقات من مادة تريزو، وقد تفوق أداء عناصر الوقود على توقعات مصمميها. ومع ذلك، عانى المصنع من مشاكل خطيرة في مكوناته الميكانيكية ، ولا سيما أجهزة تدوير الهيليوم، ولم يحقق سوى نسبة جاهزية بلغت 14.6% أدت التجربة في البرنامج الأمريكي مع وقود الكربيد إلى التحول إلى مزيج بنسبة 80٪- , 20%- يُعرف باسم أوكسي كاربيد اليورانيوم (UCO)، وذلك بسبب احتفاظه الفائق بنواتج الانشطار مقارنةً بكربيد اليورانيوم النقي.
ومن ناحية أخرى، طُوِّرت أنواع الوقود الخزفي المُغلَّف في البداية في المملكة المتحدة كجزء من مشروع مفاعل دراغون. خلال تطوير مفاعل دراغون، انتاب مصمميه قلقٌ بشأن ضرورة التخلص من نواتج الانشطار الغازية من قلب المفاعل واحتمالية انتقالها إلى أجزاء أخرى منه. أدى هذا القلق إلى اختيار الوقود المُغلَّف، حيث يُصنع الوقود من جزيئات صغيرة من اليورانيوم تُغلَّف بالكربون المُحلَّل حراريًا. اقترح د. ت. ليفي لأول مرة استخدام كربيد السيليكون كحاجز انتشار في سنة 1961، بهدف تحسين احتجاز نواتج الانشطار.
وقود كوادريسو
كذلك، وقود كوادريسو هو مفهوم قائم على وقود تريسو، يتضمن طبقة من مادة سامة للنيوترونات قابلة للاحتراق ( أكسيد اليوروبيوم أو أكسيد الإربيوم أو الكربيدات ) تُحيط بنواة وقود تريسو العادية، وذلك للتحكم بشكل أفضل في فائض التفاعل. أثناء تشغيل المفاعل، يؤدي تشعيع المادة السامة بالنيوترونات إلى احتراقها أو تحولها تدريجيًا إلى نظائر غير سامة، مما يُقلل من تأثيرها السام ويُتيح المزيد من النيوترونات لاستمرار التفاعل المتسلسل. تُعوض هذه الآلية تراكم المواد السامة للنيوترونات غير المرغوب فيها، والتي تُعد جزءًا لا مفر منه من نواتج الانشطار، إلى جانب النضوب الطبيعي للوقود الانشطاري. وقد طُور هذا المفهوم في مختبر أرغون الوطني.
📝 هل في هذه المقالة خطأ؟
إذا وجدت معلومة تحتاج تصحيحاً أو إضافة، أو أردت حذف المقالة، أرسل لنا طلباً وسنراجعه.
ما رأيك في هذه المقالة؟