رآکتور Superphénix بزرگترین رآکتور سریع پرورشدهنده (Fast Breeder Reactor) ساختهشده در اروپا و دومین رآکتور بزرگ از این نوع در جهان پس از BN-800 روسیه بود. این رآکتور در سایت کرایس-مالویل (Creys-Malville) در کنار رود رُن فرانسه بین سالهای ۱۹۷۶ تا ۱۹۸۶ ساخته شد و در ۱۴ ژانویه ۱۹۸۶ برای اولین بار به بحرانی رسید. توان حرارتی آن ۳۰۰۰ مگاوات و توان الکتریکی خالص ۱۲۴۲ مگاوات بود که در زمان خود آن را به یکی از قدرتمندترین رآکتورهای جهان تبدیل کرد. پروژه توسط کنسرسیوم اروپایی NERSA (شامل EDF فرانسه ۵۱٪، ENEL ایتالیا ۳۳٪ و SBK شامل آلمان، بلژیک و هلند ۱۶٪) مدیریت میشد و هدف اصلی آن اثبات امکان تولید برق تجاری با فناوری بریدر سریع سدیمخنک بود.
سوپرفنیکس Superphénix از سال ۱۹۸۶ تا ۱۹۹۷ تنها ۱۷۴ روز در توان کامل کار کرد و در مجموع حدود ۳۲۰ روز بحرانی بود. با وجود طراحی پیشرفته، این رآکتور به دلیل مشکلات فنی مکرر، هزینههای بالای نگهداری و فشارهای سیاسی شدید در نهایت در سال ۱۹۹۷ برای همیشه خاموش شد و در سال ۱۹۹۸ به طور رسمی تعطیل اعلام گردید. با این حال، رآکتور بریدر Superphénix همچنان به عنوان مرجع اصلی فناوری رآکتورهای سریع نسل چهارم در اروپا شناخته میشود و دادههای عملیاتی آن در طراحی رآکتور ASTRID و پروژههای جدید روسیه و چین مورد استفاده قرار گرفته است.
رآکتور بریدر چیست؟
رآکتور بریدر نوعی رآکتور هستهای است که در آن علاوه بر تولید انرژی، سوخت جدیدی نیز پرورش داده میشود. در رآکتورهای معمولی آبخنک (LWR) تنها حدود ۱ تا ۲ درصد اورانیوم ۲۳۵ موجود در سوخت مصرف میشود، اما در رآکتورهای بریدر با استفاده از نوترونهای سریع، اورانیوم ۲۳۸ (که ۹۹٫۳ درصد ذخایر طبیعی اورانیوم را تشکیل میدهد) به پلوتونیوم ۲۳۹ تبدیل میشود و این پلوتونیوم خود شکافتپذیر است. به این ترتیب یک رآکتور بریدر میتواند ضریب تبدیل سوخت (breeding ratio) بزرگتر از ۱ داشته باشد، یعنی سوخت بیشتری تولید کند تا مصرف کند.
در عمل، ضریب پرورشدهندگی Superphénix حدود ۱٫۲ تا ۱٫۳ بود، یعنی به ازای هر ۱۰۰ کیلوگرم ماده شکافتپذیر مصرفشده، حدود ۱۲۰ تا ۱۳۰ کیلوگرم ماده جدید تولید میکرد. این ویژگی باعث میشود که با فناوری بریدر، ذخایر اورانیوم جهان برای هزاران سال کفایت کند، در حالی که با رآکتورهای فعلی تنها برای چند دهه کافی است. رآکتورهای بریدر سریع معمولاً با سدیم مایع خنک میشوند زیرا سدیم نوترونها را کند نمیکند و اجازه میدهد چرخه سریع نوترونی برقرار بماند.
معرفی رآکتور Superphénix
رآکتور بریدر Superphénix یک رآکتور سریع نوترونی سدیمخنک (Sodium-cooled Fast Reactor) با توان حرارتی ۳۰۰۰ مگاوات و توان الکتریکی ۱۲۴۲ مگاوات بود که در سال ۱۹۸۵ به بهرهبرداری رسید. این رآکتور از نوع استخر سدیمی (pool-type) بود، یعنی تمام مدار اولیه شامل مخزن رآکتور، پمپها و مبدلهای حرارتی در یک مخزن بزرگ سدیم قرار داشت. قلب رآکتور شامل ۵۵۷ مجموعه سوخت MOX (مخلوط اورانیوم و پلوتونیوم اکسید) بود که هر مجموعه شامل ۱۶۹ میله سوخت با غنای پلوتونیوم ۱۷ تا ۲۲ درصد بود.
طراحی رآکتور بریدر Superphénix بر پایه تجربه رآکتورهای قبلی فرانسه یعنی Rapsodie (۴۰ مگاوات حرارتی، ۱۹۶۷) و Phénix (۵۶۳ مگاوات حرارتی، ۱۹۷۳) بود. هدف اصلی پروژه اثبات امکان ساخت رآکتور بریدر در مقیاس صنعتی و تجاری بود تا فرانسه بتواند در بلندمدت از واردات اورانیوم غنیشده بینیاز شود. در زمان ساخت، Superphénix گرانترین پروژه هستهای غیرنظامی فرانسه بود و هزینه نهایی آن بیش از ۹ میلیارد یورو (به قیمت سال ۱۹۹۷) برآورد شد.
ویژگیهای کلیدی طراحی رآکتور
طراحی رآکتور Superphénix بر پایه مفهوم استخر سدیمی بود که تمام اجزای مدار اولیه در یک مخزن بزرگ به قطر ۲۱ متر و ارتفاع ۲۰ متر قرار داشت و حدود ۳۳۰۰ تن سدیم مایع در آن گردش میکرد. قلب رآکتور در مرکز مخزن قرار داشت و چهار مبدل حرارتی میانی (IHX) و شش پمپ اولیه در اطراف آن توزیع شده بودند. طراحی باعث میشد که حتی در صورت نشت سدیم، سطح سدیم همچنان قلب را بپوشاند و خنککاری ادامه یابد.
یکی از ویژگیهای مهم، وجود سیستم کنترل میلههای جذبکننده نوترون دوگانه بود: ۲۱ میله کنترل اصلی و ۶ میله پشتیبان که در صورت از کار افتادن سیستم اصلی، به صورت گرانشی سقوط میکردند. همچنین یک سیستم تزریق بور مایع به عنوان آخرین خط دفاع در نظر گرفته شده بود. رآکتور دارای سه مدار خنککاری مجزا بود: مدار اولیه و ثانویه سدیمی و مدار سوم آبی که بخار را به توربین میرساند.
نوع سوخت و چرخه سوخت پرورشدهنده
سوخت Superphénix از نوع MOX بود که شامل ۲۰ تا ۲۲ درصد پلوتونیوم اکسید و بقیه اورانیوم تهیشده (depleted uranium) بود. هر مجموعه سوخت شامل ۱۶۹ میله با پوشش فولاد ضدزنگ بود و طول فعال آن ۱ متر بود. چرخه سوخت به صورت سهمرحلهای طراحی شده بود: یک سوم قلب هر سال تعویض میشد و مجموعههای سوخته پس از ۳۶۰ روز کارکرد کامل (حدود ۱۰۰٬۰۰۰ مگاوات-روز بر تن) خارج میشدند.
در چرخه پرورشدهنده، نوترونهای سریع باعث تبدیل اورانیوم ۲۳۸ به پلوتونیوم ۲۳۹ میشدند و همچنین در پتوهای جانبی (blanket) اطراف قلب، اورانیوم تهیشده به پلوتونیوم تبدیل میشد. در مجموع، Superphénix در طول عمر کوتاه خود حدود ۱٫۶ تن پلوتونیوم خالص تولید کرد که معادل ۲۰ درصد سوخت مصرفی آن بود.
نقش پلوتونیوم در فرآیند بریدر
پلوتونیوم ۲۳۹ عنصر کلیدی در چرخه بریدر است زیرا هم شکافتپذیر است و هم از تبدیل اورانیوم ۲۳۸ به دست میآید. در رآکتور بریدر Superphénix، پلوتونیوم اولیه از رآکتورهای آبخنک فرانسه تأمین میشد و پس از بازفرآوری در کارخانه لا هاگ، به صورت MOX به رآکتور بازمیگشت. این چرخه بسته باعث میشد که پلوتونیوم به عنوان سوخت استراتژیک انباشته شود و وابستگی به اورانیوم غنیشده کاهش یابد.
در عمل، Superphénix نشان داد که میتوان با ضریب پرورشدهندگی ۱٫۲۵، به تدریج از پلوتونیوم تولیدشده خود استفاده کرد و در بلندمدت به خودکفایی سوخت رسید. این ویژگی باعث میشد که یک کشور با ذخایر اورانیوم محدود بتواند برای قرنها انرژی هستهای تولید کند.
سیستم خنککاری با سدیم مایع
سدیم مایع به عنوان خنککننده انتخاب شد زیرا نقطه جوش بالایی (۸۸۳ درجه سانتیگراد) دارد و اجازه میدهد رآکتور در فشار نزدیک به اتمسفری کار کند. دمای ورودی سدیم به قلب ۳۹۵ درجه و دمای خروجی ۵۴۵ درجه سانتیگراد بود. سدیم همچنین نوترونها را کند نمیکند و طیف نوترونی سریع حفظ میشود که برای پرورشدهندگی ضروری است.
با این حال، سدیم با هوا و آب به شدت واکنش نشان میدهد و این یکی از چالشهای اصلی بود. برای جلوگیری از نشت، تمام مدارها با گاز آرگون پوشانده شده بودند و سیستمهای تشخیص نشت بسیار حساس تعبیه شده بود.
ساختار و طراحی مدارهای اولیه و ثانویه
مدار اولیه شامل مخزن بزرگ سدیم بود که قلب، پمپها و مبدلهای حرارتی میانی در آن قرار داشتند. چهار حلقه ثانویه سدیم غیررادیواکتیو، حرارت را از مدار اولیه دریافت میکردند و به مدار سوم آبی منتقل میکردند. این طراحی سهمرحلهای باعث میشد که در صورت نشت سدیم ثانویه، هیچ ماده رادیواکتیوی به توربین نرسد.
هر حلقه ثانویه شامل یک مبدل حرارتی میانی، یک پمپ و یک ژنراتور بخار بود. کل سیستم با ۵۵۰۰ تن سدیم پر شده بود و پمپهای اولیه هر کدام ۸۰۰۰ لیتر بر ثانیه سدیم را به گردش درمیآوردند.
توان خروجی و عملکرد نیروگاهی
توان حرارتی طراحی ۳۰۰۰ مگاوات و توان الکتریکی خالص ۱۲۴۲ مگاوات بود که بازدهی حرارتی حدود ۴۱ درصد داشت. در بهترین دوره عملکرد خود در سال ۱۹۹۵، رآکتور به توان ۱۲۰۰ مگاوات الکتریکی رسید و برای ۵۳ روز مداوم در توان کامل کار کرد. در مجموع، Superphénix در طول عمر خود حدود ۸٫۵ میلیارد کیلوواتساعت برق تولید کرد که معادل مصرف سالانه یک شهر متوسط بود. با این حال، ضریب بهرهبرداری (capacity factor) آن تنها ۶٫۴ درصد بود که به دلیل توقفهای طولانی ناشی از مشکلات فنی و سیاسی بود.
رآکتورهای سریع سدیمی دارای ویژگیهای ایمنی ذاتی هستند: ضریب خلأ مثبت پایین، گردش طبیعی سدیم در صورت قطع پمپها و امکان تخلیه قلب به مخزن اضطراری. رآکتور بریدر Superphénix دارای سه سیستم خاموشکننده مستقل و یک سیستم تزریق بور مایع بود. همچنین آزمایشهای گسترده روی مدلهای کوچک نشان داد که حتی در بدترین سناریو (ذوب کامل قلب)، سدیم و ساختار مخزن از گسترش حادثه جلوگیری میکند.
با وجود این، نگرانی اصلی واکنش سدیم با هوا یا آب بود که میتوانست منجر به آتشسوزی یا انفجار شود. در عمل، هیچ حادثه جدی هستهای در Superphénix رخ نداد و تمام رخدادها در سطح INES ۰ یا ۱ بودند.
مشکلات عملیاتی و رخدادهای ثبتشده رآکتور بریدر Superphénix
مهمترین مشکل در مارس ۱۹۹۰ رخ داد که نشت سدیم در یکی از مخازن ذخیره سوخت باعث توقف ۱۸ ماهه شد. در سال ۱۹۹۴ نیز نشت آرگون در مدار ثانویه باعث توقف طولانی شد. چندین بار نیز به دلیل آلودگی سدیم با اکسیژن یا رطوبت، پمپها آسیب دیدند. علاوه بر این، در سال ۱۹۸۷ یک حادثه نشت سدیم در مخزن شستشوی سوخت رخ داد که گرچه رادیواکتیو و مانند نیروگاه فوکوشیما جدی نبود، اما تصویر عمومی پروژه را به شدت تخریب کرد. در مجموع، بیش از ۵۰ رخداد فنی گزارش شد که اکثر آنها مربوط به نشت سدیم یا مشکلات مکانیکی بود. این مشکلات باعث شد که رآکتور بیش از ۹۰ درصد عمر خود متوقف باشد.
در سال ۱۹۹۷، دولت سوسیالیست فرانسه به رهبری لیونل ژوسپن تصمیم به تعطیلی رآکتور Superphénix گرفت. دلایل اصلی شامل هزینه بالای نگهداری (حدود ۳۰۰ میلیون فرانک در سال)، ضریب بهرهبرداری بسیار پایین، اعتراضات گسترده جنبش ضد هستهای و فشار آلمان و ایتالیا برای خروج از پروژه بود. همچنین با کشف ذخایر جدید اورانیوم و کاهش قیمت آن، ضرورت اقتصادی بریدرها زیر سؤال رفت.
در سال ۱۹۹۸، شورای دولتی فرانسه تعطیلی را تأیید کرد و رآکتور برای همیشه خاموش شد. هزینه کل پروژه تا زمان تعطیلی بیش از ۹ میلیارد یورو برآورد شد.
کاربردهای فناوری پرورشدهنده سریع
فناوری Superphénix در پروژههای جدید مانند ASTRID فرانسه (که در سال ۲۰۱۹ متوقف شد)، رآکتورهای BN-800 و BN-1200 روسیه، CFR-600 چین و PRISM آمریکا مورد استفاده قرار گرفت. دادههای عملیاتی آن به ویژه در زمینه رفتار سدیم، سوخت MOX و پرورشدهندگی بسیار ارزشمند بود. همچنین تجربه Superphénix نشان داد که رآکتورهای سریع میتوانند زبالههای بلندمدت را کاهش دهند و پلوتونیوم موجود در سوخت مصرفشده رآکتورهای آبخنک را بازیافت کنند.
بررسی مزایا و معایب چرخه بسته سوخت
چرخه بسته سوخت با بریدر سریع مزایای زیادی دارد: استفاده از ۹۹ درصد اورانیوم طبیعی، کاهش حجم زبالههای پرتوزای بلندمدت تا ۹۰ درصد، تولید پلوتونیوم برای سوخت آینده و کاهش وابستگی به واردات اورانیوم. اما معایب نیز قابل توجه است: هزینه بالای بازفرآوری، خطر گسترش سلاحهای هستهای به دلیل تولید پلوتونیوم، پیچیدگی فنی و هزینه اولیه بسیار بالا. Superphénix نشان داد که از نظر فنی چرخه بسته ممکن است، اما از نظر اقتصادی و سیاسی در شرایط دهه ۱۹۹۰ توجیهپذیر نبود.
پس از تعطیلی رآکتور بریدر Superphénix، عملیات تخلیه سوخت از سال ۱۹۹۸ تا ۲۰۰۸ ادامه داشت و تمام ۶۵۰ مجموعه سوخت به سایت لا هاگ منتقل شد. از سال ۲۰۰۸ تا ۲۰۳۰ برنامه برچیدن تأسیسات (decommissioning) در جریان است. در حال حاضر، مخزن اصلی هنوز پر از سدیم است و عملیات خنثیسازی سدیم با نیتروژن در حال انجام است. هزینه برچیدن تا سال ۲۰۳۵ حدود ۲ میلیارد یورو برآورد شده است.
سایت کرایس-مالویل همچنان تحت نظارت شدید ASN (سازمان ایمنی هستهای فرانسه) است و بخشی از تأسیسات به عنوان موزه صنعتی حفظ شده است.
