پایان عصر زغال‌سنگ؟ سوختی که آینده انرژی صنعتی را تغییر می‌دهد

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، آزمایشگاه ملی آیداهو (INL) اعلام کرده است که با موفقیت نخستین محموله سوخت برای پروژه آزمایشی «راکتور کلرید مذاب» ایالات متحده موسوم به MCRE را تولید کرده است. این دستاورد یک نقطه عطف مهم برای این پروژه به شمار می‌رود و می‌تواند انقلابی در تولید انرژی، به‌ویژه در کشور‌هایی مانند ایالات متحده، ایجاد کند.

راکتور‌هایی مانند MCRE مدت‌هاست به‌عنوان «چیز بزرگ بعدی» در صنعت انرژی هسته‌ای معرفی می‌شوند، اما پیاده‌سازی عملی آنها تاکنون دست‌نیافتنی بوده است. اکنون MCRE این مفهوم را وارد مرحله اجرا کرده و برای نخستین بار یک راکتور سوخت مایع با طیف نوترونی سریع را به‌طور عملی مورد آزمایش قرار داده است.

MCRE چیست؟

پروژه MCRE نخستین تلاش سازمان‌یافته در جهان برای توسعه یک بستر آزمایشی عملی برای راکتور‌های هسته‌ای سریع با نمک کلرید مذاب است. در این نوع راکتورها، سوخت به‌صورت یک مایع داغ (نمک غنی‌شده هسته‌ای) استفاده می‌شود، نه میله‌های سوخت جامد که در راکتور‌های شکافت متعارف رایج هستند.

این تغییر بنیادین در نوع سوخت، چالش‌های فنی فراوانی ایجاد می‌کند و تقریباً تمام جنبه‌های طراحی و بهره‌برداری راکتور را دگرگون می‌سازد. هرچند پیش از این نیز آزمایش‌هایی روی راکتور‌های نمک مذاب انجام شده، اما MCRE از چند جهت منحصر‌به‌فرد است.

نخست آن‌که این راکتور از ابتدا برای کار در طیف نوترونی سریع طراحی شده است. بیشتر راکتور‌های مشابه، با استفاده از موادی مانند آب یا گرافیت (کندکننده‌ها)، سرعت نوترون‌ها را کاهش می‌دهند؛ اما MCRE عمداً چنین کاری نمی‌کند.

در نتیجه، نوترون‌ها «سریع» باقی می‌مانند، که این امر امکان استفاده از انواع مختلف سوخت را فراهم می‌کند، پسماند هسته‌ای کمتری تولید می‌شود، چگالی انرژی بالاتر می‌رود و راه برای طراحی راکتور‌های کوچک‌تر و فشرده‌تر باز می‌شود.

سوخت جدید، نه فقط فناوری جدید

یکی دیگر از تفاوت‌های MCRE با نمونه‌های مشابه، استفاده از نمک‌های کلرید به‌جای نمک‌های فلوراید است. در صورت موفقیت کامل این پروژه، MCRE می‌تواند جایگزینی برای بخشی از تولید انرژی مبتنی بر سوخت‌های فسیلی باشد و نیاز‌های انرژی بسیاری از کشور‌های صنعتی بزرگ را تأمین کند.

جیمز کینگ، مدیر پروژه MCRE، در گفت‌و‌گو با IE از طریق ایمیل گفت: «نمک‌های کلرید به ما اجازه می‌دهند به دما‌های بالاتری برسیم و فیزیک طیف سریع را پشتیبانی کنیم. این یعنی استفاده بهینه‌تر از سوخت، طراحی‌های فشرده‌تر و امکان تأمین انرژی فرآیند‌های صنعتی مانند تولید هیدروژن یا صنایع سنگین، در حالی که ویژگی‌های ایمنی ذاتی مانند خنک‌کاری غیرفعال و مقاومت در برابر ذوب‌شدگی حفظ می‌شود.»

اگر اندازه این راکتور به اندازه کافی کوچک شود، می‌تواند در کشتی‌ها یا به‌عنوان منبع انرژی سیار در مناطق دورافتاده نیز مورد استفاده قرار گیرد.

کینگ افزود: «اهمیت این موضوع در آن است که راه را برای راکتور‌هایی باز می‌کند که نه‌تنها پاک‌تر و ایمن‌تر هستند، بلکه انعطاف‌پذیرتر و قابل استقرار در نقاط مختلف‌اند، به‌ویژه در جا‌هایی که می‌توان نیروگاه‌های زغال‌سنگ بازنشسته را با سامانه‌های هسته‌ای نسل جدید جایگزین کرد.»

پروژه MCRE یک طرح عمومی با بودجه دولتی است که با هدف توسعه یک راکتور سریع نمک مذاب عملی اجرا می‌شود. آزمایشگاه ملی آیداهو در این پروژه با شرکت Southern Company، تراپاور (TerraPower)، CORE POWER و وزارت انرژی ایالات متحده همکاری می‌کند.

حل شدن یکی از قطعات پازل

پروژه MCRE از نظر فنی در سطوح مختلف با چالش‌های بزرگی روبه‌رو است، اما تیم INL دست‌کم یکی از قطعات کلیدی این پازل را حل کرده است: سوخت. به گفته INL، آنها اکنون قادرند روزانه حدود ۴۰ پوند (۱۸ کیلوگرم) سوخت تولید کنند.

جیمز کینگ گفت: «این دستاورد فقط ساخت سوخت نبود، بلکه حل مجموعه‌ای از چالش‌های فنی سخت بود که پیش از این هرگز حل نشده بودند.»

وی افزود: «ابتدا باید راهی برای تبدیل فلز اورانیوم به کلرید اورانیوم با بازده بالا پیدا می‌کردیم. تلاش‌های اولیه تنها به بازده حدود ۸۰ درصد می‌رسید، اما با درک بهتر واکنش‌های شیمیایی، به بازده ۹۵ درصد و تولید کامل هر بچ، یعنی ۱۸ کیلوگرم در کمتر از یک روز، دست یافتیم.».

اما این سوخت یک مشکل اساسی دارد: بسیار خورنده است.

کینگ توضیح داد: «نمک‌های کلرید، به‌ویژه در دما‌های بالا و در حضور اکسیژن یا رطوبت، به‌شدت خورنده هستند. به همین دلیل، ما روش‌هایی برای حذف کامل اکسیژن و رطوبت از فرآیند توسعه دادیم. همین موضوع امکان سنتز و جابه‌جایی ایمن این سوخت را در مقیاس صنعتی فراهم کرد.»

تیم پروژه نه‌تنها فرآیند تولید سوخت را اثبات کرده، بلکه اطمینان دارد که این روش قابلیت مقیاس‌پذیری صنعتی را نیز دارد.

وی افزود: «ما خط سنتز نمک سوخت را ساختیم و راه‌اندازی کردیم که امکان گذار از مقیاس آزمایشگاهی به مقیاس تولید را فراهم کرد. این زیرساخت، همراه با دانش ما از فرآیند‌های شیمیایی، مدل‌سازی و آزمایش‌های ایمنی، پایه تولید نخستین سوخت راکتور نمک مذاب با طیف سریع در جهان را بنا نهاد؛ آن هم دقیقاً در INL.»

هنوز راه درازی در پیش است

اگرچه این دستاورد فنی بسیار واقعی و مهم است، اما تنها یک گام در مسیری طولانی برای تجاری‌سازی این فناوری به شمار می‌رود. مت لیتل، بنیان‌گذار و مدیرعامل شرکت Festoon House اظهار داشت: «نمک‌های کلرید مذاب محیطی ایجاد می‌کنند که از بسیاری از فرآیند‌های صنعتی بسیار خورنده‌تر است؛ بنابراین مهندسان باید بر طراحی سامانه‌های مقاوم و بادوام تمرکز کنند، زیرا طول عمر سامانه عامل تعیین‌کننده توجیه اقتصادی تولید انرژی است.»

وی افزود: «قابلیت تجاری این فناوری به توسعه زنجیره تأمین موادی بستگی دارد که بتوانند در مقیاس بزرگ، مواد مقاوم در برابر خوردگی مخصوص این کاربرد را تولید کنند.»

او ادامه داد: «برای اثبات ایمنی نمک‌های مذاب، مهندسان باید نشان دهند که یکپارچگی سامانه پس از چرخه‌های حرارتی و حملات شیمیایی حفظ می‌شود. این آزمایش نقش یک تست فشار واقعی را ایفا می‌کند تا تفاوت میان پتانسیل نظری و واقعیت مهندسی مشخص شود.»

پمپ‌ها را فراموش نکنید

یکی دیگر از چالش‌ها، خطر جامد شدن نمک مذاب در داخل پمپ‌ها یا خطوط فرآیندی در صورت سرد شدن است. پابلو مارتینز-مور، مدیر تجاری و بازاریابی شرکت North Ridge Pumps، توضیح داد: «استفاده از ژاکت بخار نه‌تنها روی شفت پمپ، بلکه روی بدنه آن، تضمین می‌کند که سامانه برای استفاده بلندمدت مهندسی شده و نیاز به تعمیرات به حداقل برسد.»

وی افزود: «نقاط سرد در طراحی پمپ می‌تواند باعث انسداد یاتاقان‌ها و گیرپاژ شود. طراحی پمپ کاملاً ژاکت‌دار این مشکل را برطرف می‌کند.»

آینده روشن است

تیم INL نسبت به آینده پروژه بسیار خوش‌بین است. جیمز کینگ گفت: «میراث MCRE تنها در نقاط عطف فنی خلاصه نمی‌شود، بلکه در در‌هایی است که برای آینده انرژی هسته‌ای باز می‌کند. این پروژه ثابت می‌کند که می‌توان راکتور‌های سریع نمک مذاب با سوخت کلرید ساخت و بهره‌برداری کرد؛ چیزی که پیش از این هرگز انجام نشده بود.»

او افزود: «این یک تغییر بنیادی است که امکان ساخت راکتور‌هایی پاک‌تر، فشرده‌تر و چندمنظوره را فراهم می‌کند؛ از تأمین حرارت صنعتی گرفته تا مراکز داده عظیم هوش مصنوعی و حتی پیشرانش دریایی.»

کینگ تأکید کرد که این فناوری هم‌اکنون توجه شرکت‌های برق، نهاد‌های دفاعی و شرکای بین‌المللی را به خود جلب کرده است و آن را مسیری تعیین‌کننده برای آینده انرژی می‌داند.