مهندسان در تلاشند تا راکتور نمک مذاب را که آمریکا در دهه ۱۹۷۰ از استفاده از آن دست کشید، احیا کرده و آن را با منبع بی‌نهایتی از انرژی بدون کربن، یعنی توریم،در مسیر حل مشکل بحران انرژی زمین، مورد بهره‌برداری قرار دهند.

غزال زیاری– طبق برآوردهای انجام شده، جمعیت کره زمین در سال ۲۰۴۰، احتمالا از مرز ۹ میلیارد نفر عبور خواهد کرد و این در حالی است که جمعیت کره ما در سال ۲۰۱۶، حدود ۷.۳۶ میلیارد نفر برآورد شده بود. در این میان محققان بر این باورند که این رشد جمعیت، به منزله رشد ۴۸ درصدی در مصرف انرژی خواهد بود.

البته سوخت‌های فسیلی عطش دنیا برای تامین انرژی را از بین می‌برند ولی مشکل اینجاست که سوزاندن این سوخت‌ها، باعث تشدید تغییرات اقلیمی و تهدید جان میلیون‌ها نفر خواهد شد. همین سوخت‌ها نیز راهکاری موقتی هستند؛ چرا که طبق برآوردها ذخایر موجود سوخت‌های فصلی تا یک الی دو قرن آینده به اتمام خواهند رسید. در همین حال، انرژی‌های تجدیدپذیر مثل باد و انرژی خورشیدی، گرچه به‌نوعی راهکاری برای حل این مشکل هستند ولی گزینه‌های ایده‌آلی به شمار نمی‌آیند، مخصوصا اگر دنیا بخواهد به ضرب‌الاجل تعیین شده در توافق‌نامه پاریس برای سال ۲۰۵۰ متعهد بماند.

کرک سورنسن، مدیر ارشد فناوری استارت‌آپ انرژی هسته‌ای Flibe Energy دراین باره گفته:« شما باید قادر باشید تا به شیوه قابل اعتمادی انرژی تولید کنید و باید بتوانید طبق نیازها این کار را انجام دهید. این کار از عهده باد و خورشید بر نمی‌آید و هرگز قادر به انجام این کار نخواهید بود.»

راکتورهای هسته‌ای با این شرایط مطابقت دارند؛ آنها در حجمی بالا انرژی تولید کرده و قابل‌اعتماد هستند و برخلاف تصورات موجود، کربن منتشر نمی‌کنند و در بین امن‌ترین منابع انرژی کره زمین قرار دارند. در حال حاضر راکتورهای هسته‌ای، ۲۰% از انرژی آمریکا را تامین می‌کنند ولی طبق گزارش آزمایشگاه ملی آیداهو که در سال ۲۰۱۶ منتشر شد، این آمار ممکن است تا سال ۲۰۴۰ با کاهش حدودا پنجاه درصدی مواجه شود؛ چرا که کمپانی‌ها تدریجا راکتورهای قدیمی‌شان را از رده خارج می‌کنند.

خوشبختانه حالا یک راه حل قدرتمند و تقریبا ناشناخته ممکن است به کمک حل این مشکل بیاید: استفاده از هواپیماهای دوران جنگ سرد:" بمب‌افکن جت NB-۳۶H یا "Crusader" که درحالی که یک راکتور هسته‌ای را در داخل خود حمل می‌کردند، بر فراز آسمان دو ایالت از ایالات متحده آمریکا پرواز کرده بودند. این تلاش، بخشی از برنامه پیشرانه هسته‌ای هواپیما (ANP) بود که اگرچه در نهایت لغو شد، ولی ANP توانست نوع جدیدی از نیروگاه به نام "راکتور نمک مذاب" را تولید کند.

در حال حاضر مهندسانی مثل سورنسن در تلاشند تا راکتور نمک مذاب را که آمریکا در دهه ۱۹۷۰ از استفاده از آن دست کشید، احیا کرده و آن را با منبع بی‌نهایتی از انرژی بدون کربن، یعنی توریم مورد بهره‌برداری قرار دهند.

پرواز با انرژی هسته‌ای

دولت آمریکا در سال ۱۹۴۶ ، ANP را به‌عنوان تلاشی برای توسعه جت بمب‌افکن هسته ای آغاز کرد. این ابزاری برای دستیابی به یک هدف مرگبار و البته کاربردی بود؛ قابلیت پرواز به مسافت دست‌کم ۲۵ هزار کیلومتر بدون نیاز به سوختگیری، این جت را تبدیل به گزینه‌ای ایده‌آل برای حملات نظامی می‌کرد. فیزیکدانی به نام آلوین واینبرگ که معروف‌ترین راکتور هسته‌ای آب سبک (LWR) را در سال ۱۹۴۵ اختراع کرد، به‌عنوان مدیر آزمایشگاه ملی ORNL در تنسی مسئولیت این پروژه را برعهده گرفت. البته او قصد نداشت تا LWR را در داخل یک هواپیما به کار بگیرد

راکتورهای LWR که امروزه ۱۰۰% انرژی هسته‌ای آمریکا را تامین می‌کنند، برپایه سوخت هسته‌ای جامد که معمولا حاوی اورانیوم ۲۳۵ است کار می‌کنند. اگر این ایزوتوپ شکافت‌پذیر اورانیوم، مورد اصابت یک نوترون قرار بگیرد، شکافته شده و میزان زیادی انرژی آزاد کرده و نوترون‌های بیشتری را به بیرون پرتاب خواهد کرد. این فرآیند شکافت نام دارد. اگر در مکانی سوخت کافی وجود داشته باشد، نوترون‌های کافی در اطراف به پرواز در می‌آیند تا یک واکنش زنجیره‌ای شکافت ادامه پیدا کند.

مشکل اینجاست که سوخت هسته‌ای جامد بسیار ناکارآمد است. در عمل، LWR تنها درصد کمی از سوخت را قبل از آنکه نیاز به تعویض داشته باشد، مورداستفاده قرار می‌دهد؛ به همین خاطر هم مواد زاید به آرامی در سوخت انباشت شده، نوترون‌های بیشتر و بیشتری را جذب کرده و همین فرآیند شکاف را مسموم کرده و با مشکل روبرو می‌کند.

از همین رو واینبرگ، به فکر توسعه ایده‌ای افتاد که در زمان کار کردن در پروژه منهتن با آن آشنا شده بود: راکتوری که سوخت خود را از مایعی از نمک مذاب تامین می‌کند.

بیشتر بخوانید:

• هیچ‌کس نمی‌داند گرانقیمت‌ترین پارچه جهان چطور بافته می‌شود!/عکس
• اندازه باورنکردنی مغز انسان نئاندرتال‌/ عکس

راکتورهای نمک مذاب، شبیه به هیچ یک از نیروگاه‌های هسته‌ای تجاری امروزی نیستند. آنها به جای استفاده از سوخت هسته‌ای جامد، سوخت هسته‌ای را در یک سیال پایدار و شعله‌ور، حل می‌کنند. استفاده از سیال، کارآیی پروسه شکافت هسته‌ای را بالا خواهد برد؛ چرا که محصولات شکافت را به سادگی از جریان فرآیند حذف کرده و در عین حال تقریبا تمام سوخت هسته‌ای را سوزانده و تولید انرژی را افزایش می‌دهد.

چنین راکتورهایی اساسا ضدذوب هستند؛ به این دلیل که سوخت آنها از قبل مذاب شده است. در عین حال نمک برای ذوب شدن به حرارت بیرونی نیاز دارد و سرد کردن آن، باعث جامد شدن و انبساط مواد شده و اتم‌های شکافت‌پذیر را از هم دور کرده و در نتیجه روند شکاف را کند می‌کند.

واینبرگ و همکارانش دریافتند که این بازدهی به مهندسان کمک خواهد کرد تا راکتور کوچکی ساخته و بتوانند آن را در داخل هواپیما مورد استفاده قرار دهند. در نتیجه او و تیمش در ORNL راکتور نمک مذاب کوچکی را به‌عنوان بخشی از یک برنامه فرعی ساختند که ARE (آزمایش راکتور هواپیما) نام گرفت.

تولید راکتور نمک مذاب

درسال ۱۹۵۴، واینبرگ و تیمش، نمونه اولیه این راکتور را ساختند: یک نیروگاه ۲.۵ مگاواتی که از مقدار کمی اورانیوم ۲۳۵ حل شده در نمک مذاب ساخته شده از فلوئور، سدیم و زیرکونیوم استفاده می‌کرد و این اولین راکتور نمک مذابی بود که تا آن زمان ساخته شده بود.

در داخل سوخت نمک مذاب ARE، اورانیوم، به یک واکنش زنجیره‌ای شکافت، نیرو می‌دهد. گرمای اتمی، یک حلقه خنک‌کننده ۳۰۰ درجه‌ای را از سدیم مذاب تشکیل می‌دهد . هوای ورودی، سدیم را سرد کرده و پمپ‌ها آن را برای گرم شدن مجدد به هسته راکتور دارای سوخت مایع بر می‌گردانند.

واینبرگ در سال ۱۹۹۴ در زندگینامه‌اش که به نام "اولین دوره هسته‌ای" منتشر شد نوشت:« نیروی هوایی از آزمایش راکتور هواپیما به شدت هیجان زده شد؛ دما تا حدی بالا بود که می‌توانست موتورهای جت را به حرکت دربیاورد.»

نیروی هوایی آمریکا بلافاصله جت بمب افکن B-۳۶ (Crusader) را به یک راکتور هسته‌ای مجهز کرد و بودجه بعدی راکتور نمک مذاب ORNL نیز تامین شد. البته نیروی هوایی در سال ۱۹۵۷، ART را لغو کرد تا بتواند هزینه‌ها را کاهش داده و به جای، آن راکتور متفاوتی را به آسمان بفرستد.

این راکتور، یک راکتور نمک مذاب نبود؛ بلکه راکتور آب سبک بود که هرگز به موتورهای هواپیما متصل نشد؛ چرا که جت Crusader تنها برای تست محافظ تشعشع درنظر گرفته شده بود و نیروی هوایی درنظر داشت تا بعدها این راکتور آب سبک را در یک بمب‌افکن هسته‌ای هدفمند به نام WS-۱۲۵ بگنجاند.

Crusader در بین سال‌های ۱۹۵۵ تا ۱۹۵۷، چهل وهفت پرواز نمایشی را برفراز نیومکزیکو و تگزاس انجام داد؛ وزن آن درحالتی که کامل بارگیری شده بود به ۱۸ تن می‌رسید و مجموعا ۲۱۸ ساعت پرواز کرد و راکتور نزدیک به ۹۰ ساعت کار کرد.

اما جان اف کندی، رئیس جمهور آمریکا به دلیل مواجه شدن با هزینه‌هایی گزاف (حدود ۷ میلیارد دلار) و از آنجا که اولویت‌های دیگری مثل ساخت موشک‌های بالستیک قاره‌پیما و مسابقات فضایی را پیش‌رو می‌دید، تمام پروژه‌های مرتبط با پیشران هسته‌ای هواپیما را در سال ۱۹۶۱ به تعلیق در آورد. تا آن زمان، واینبرگ یک میلیارد دلار و سال‌ها تحقیقات ارزشمند برروی راکتورهای نمک مذاب را در اختیار گرفته بود.

در دهه ۱۹۶۰ و با سرمایه‌گذاری دولت آمریکا بر توسعه نیروگاه‌های هسته‌ای تجاری، واینبرگ تمام دانشش را در آزمایش راکتور نمک مذاب (MSRE)به کار گرفت و تا سال ۱۹۶۹، هزاران ساعت برق تولید کرد و نتایج موفقیت‌آمیزی داشت. گام بعدی توسعه MSRE به چیزی به نام راکتور پرورش دهنده بود.

مرگ رویاهای واینبرگ

راکتورهای پرورش‌دهنده به لطف فرآیندی به نام جذب نوترون (که یک اتم بارور است که می‌تواند از شکافت، نوترون دیگری را به خود جذب کرده و سپس به سوخت تجزیه شود)، می‌توانند سوخت بیشتری را نسبت به آنچه از طریق شکافت می‌سوزانند، تولید کنند. در ادامه می‌توان این سوخت را برای تولید سوخت بیشتری شکافت کرد و همین روش را ادامه داد.

تا زمانی که ماده باروری در دسترس باشد، این روند ادامه خواهد یافت ولی روند پرورش تنها با چند ایزوتوپ رادیواکتیو کار می‌کند؛ چرا که برای فعالیت به نوترون‌های زیادی نیازمند است.

یکی از آنها، اورانیوم ۲۳۸ است؛ یک ایزوتوپ بارور که بیش از ۹۹% سنگ معدن اورانیوم را تشکیل می‌دهد و می‌توان آن را به پلوتونیوم ۲۳۹ که سوختی با قابلیت شکافت و مواد تسلیحاتی است تبدیل کرد.

عنصر دیگر توریوم است که می‌تواند به اورانیوم ۲۳۳ تبدیل شود؛ یک سوخت شکافت‌پذیر دیگر که البته کار کردن با آن یا تبدیل آن به یک ماده به درجه بمب، بسیار سخت است.

سورنسن دراین باره گفته:« درحال حاضر ما توریم را به‌صورت غیرعمد و از استخراج خاک‌های کمیاب به دست می‌آوریم و به دنبال نئودیمیم و دیگر خاک‌های کمیاب هستیم؛ در این فرآیندها مقدار زیادی توریم به دست می‌آید که درحال حاضر مورد استفاده نیست و مثل زباله دور ریخته می‌شود.»

هرچند که واقعیت چیز دیگری است و بنابرآنچه در کتاب "سوخت فوق‌العاده" که در سال ۲۰۱۳ منتشر شده درباره توریم می‌خوانیم:« توریم تقریبا چهاربرابر اورانیوم فراوانی دارد و مقدار آن به اندازه سرب است. کافی است در پارک یک مشت خاک از روی زمین بردارید؛ در همین یک مشت خاک، دوازده قسمت در میلیون، توریم وجود دارد. طبق برآوردهای آژانس انرژی هسته‌ای آمریکا، این کشور دارای حدود ۴۴۰ هزار تن منابع توریم است و استرالیا غنی‌ترین کشور از این حیث به شمار می‌رود. توریم هم مثل اورانیوم و پلوتونیوم، منبع انرژی متراکم و کارآمدی است: کافی است مقداری شن و ماسه در سواحل مشخصی در هند جمع‌آوری کنید؛ همین میزان خاک برای تامین انرژی شهر بمبئی برای یک سال کافی خواهد بود.»

واینبرگ تخمین زده که توریم می‌تواند برای میلیاردها سال، تمام نیازهای انرژی جهان را تامین کند. آن هم تنها توسط یک راکتور تولید کننده نمک مذاب که تقریبا تمام سوخت خود را سوزانده و صدها برابر کمتر از LWRها ضایعات خواهد داشت. ولی دولت آمریکا در سال ۱۹۷۲، MSRE را لغو کرد و اندکی بعد از آن هم واینبرگ بازنشسته شد و هرگز تحقیقاتش را ادامه نداد.

اخیرا دولت آمریکا برای راکتورهای هسته‌ای‌اش مجددا به سراغ طرح LWR آمده؛ چرا که تعداد زیادی از این راکتورها ساخته شده بودند و ارتش نیز طراحی زیردریایی‌های هسته‌ای را پسندیده و در عین حال، آنها می‌توانستند بدین ترتیب مواد تسلیحات هسته‌ای بسازند.

نسل بعدی انرژی هسته‌ای

در دهه ۲۰۰۰، سورنسن و البته کشورهایی مثل چین و هند، مجددا به سراغ ایده استفاده از راکتورهای نمک مذاب با سوخت توریم رفتند. سورنسن یکی از معدود کارآفرینانی است که در تلاش برای احیا، نوسازی و کسب مجوز برای این نسخه از تکنولوژی که راکتور توریم فلوراید مایع (LFTR) است، رفت.

هانس گوگار، فیزیکدان هسته‌ای آزمایشگاه ملی آیداهو (INL) دراین باره گفته:« این فناوری با دوام است؛ علم این را ثابت کرده.»

البته که کار سختی پیش روست؛ توسعه تکنولوژی انرژی هسته‌ای،به میلیاردها دلار بودجه نیاز دارد و بسیار کند است؛ چرا که پیش از ساخت نیروگاه‌های تجاری در مقیاس بزرگ، باید در چندین مرحله ایمنی آنها را بررسی کرد و LFTR مشابه هیچ سرویس امروزی دیگری نیست.

ریتا بارانوال، مهندس مواد دراین باره گفته:« مانور دادن برروی صدور مجوز یک چالش بزرگ است. در حال حاضر چارچوب نظارتی، برای پشتیبانی از این تکنولوژی‌های نوآورانه جدید، ساده نشده است.»

طبق پیش‌بینی وزارت انرژی آمریکا، صدور مجوز برای یک نیروگاه نمک مذاب در مقیاس کامل و تجاری احتمالا تا سال ۲۰۴۰ یا ۲۰۵۰ طول خواهد کشید. در عین حال، نیروگاه‌های هسته‌ای قدیمی و درعین حال حیاتی آمریکا، بازسازی و به روز نمی‌شوند. به همین خاطر هم هست که تابستان گذشته، INL از بارانوال خواست تا هدایت برنامه جدیدی برای تسریع نوآوری در انرژی هسته‌ای (GAIN) را برعهده بگیرد؛ این یک سیستم شتاب‌دهنده فناوری و پشتیبانی است که برای کارآفرینان هسته‌ای کوچک ایجاد شده است.

سورنسن بر این باور است که هرکسی که این سیستم را بسازد و به هر ترتیبی که ساخته شود، راکتورهای نمک مذاب با سوخت توریم کلید حل مشکلات انرژی کره زمین خواهند بود:« این چیزی است که در آینده به شدت به نفع بشر خواهد بود و عصر جدیدی از موفقیت بشر را رقم خواهد زد. اگر دنیا این تکنولوژی را بخواهد، باید با مسئولان صحبت کرده و آن را درخواست کنند. جوامعی که تصمیم به پذیرش این نوع فناوری بگیرند، در نهایت به مزایا و برتری‌های آن پی خواهند برد.»

منبع: finance.yahoo

۵۸۵۸