تحلیل | پیشگامی چین در انقلاب نسل چهارم انرژی هسته‌ای: راکتور نمک مذاب مبتنی بر توریم؛ انرژی نهایی با امیدی فراتر از همجوشی؟
گزارشگر پنگ‌پای: Yang Yang ۱۴ آوریل ۲۰۲۵، ساعت ۲۰:۴۵ منبع: پنگ‌پای ∙ انرژی اخبار تازه‌ای از پروژه کم‌سر‌و‌صدای راکتور نمک مذاب مبتنی بر توریم منتشر شده است. به گزارش Xinhua News Agency، تنها راکتور نمک مذاب مبتنی بر توریم در جهان در شهرستان مینچین واقع در شهر وووی در استان گانسو ساخته شده و به بهره‌برداری رسیده است و روند تجاری‌سازی صنعتی آن در مقیاسی بزرگ‌تر با سرعت پیش می‌رود. این نوع راکتورها با برخورداری از ایمنی ذاتی برجسته، قابلیت تأمین درازمدت سوخت هسته‌ای و توانایی حل معضل پسماندهای هسته‌ای، برای چین که کشوری «غنی از توریم و فقیر از نظر منابع اورانیوم» به شمار می‌رود، اهمیتی راهبردی دارند. Xu Hongjie، پژوهشگر ارشد، رئیس پیشین Shanghai Institute of Applied Physics وابسته به Chinese Academy of Sciences و مسئول پروژه پیشگام سامانه انرژی هسته‌ای راکتور نمک مذاب توریم، اخیراً در نشستی درون‌سازمانی در شعبه شانگهای Chinese Academy of Sciences گفت: «در حال حاضر، همکاری نزدیکی با بخش صنعت کشور داریم تا روند نمایش صنعتی و کاربردی‌سازی این فناوری را شتاب بخشیم. از آنجا که بخش عمده مواد اولیه و فناوری‌های کلیدی را به‌صورت بومی توسعه داده‌ایم، این دستاوردها قابلیت تجاری‌سازی مستقیم و تشکیل زنجیره تأمین داخلی را دارند.» او افزود که تیم پژوهشی بیش از هشت سال بدون انتشار مقاله یا ارائه درخواست برای جوایز علمی، در بیابان‌های گانسو تمرکز خود را بر ساخت راکتور آزمایشی سوخت مایع نمک مذاب توریم با توان ۲ مگاوات حرارتی (2MWt) گذاشتند. Xu Hongjie جدول زمانی این دستاورد را به این شرح اعلام کرد:
- در ۱۱ اکتبر ۲۰۲۳، ساعت ۱۱:۰۸، راکتور آزمایشی ۲ مگاوات حرارتی برای نخستین بار به واکنش بحرانی دست یافت؛
- در ۱۷ ژوئن ۲۰۲۴، ساعت ۱۰:۱۲، برای نخستین بار با ظرفیت کامل به کار گرفته شد؛
- در اکتبر ۲۰۲۴، نخستین آزمایش تزریق توریم به راکتور نمک مذاب در جهان با موفقیت انجام شد و این تأسیسات را به تنها راکتور فعال نمک مذاب مبتنی بر توریم (پلتفرم جامع آزمایشی) در جهان تبدیل کرد.
این راکتور آزمایشی هنوز در مرحله نیروگاه تجاری نیست. راهبرد توسعه سامانه انرژی راکتور نمک مذاب مبتنی بر توریم (TMSR) در چین روندی سه‌مرحله‌ای شامل راکتور آزمایشی، راکتور پژوهشی و راکتور نمایشی (پایلوت صنعتی) را دنبال می‌کند. بر پایه این برنامه‌ریزی، ساخت نخستین راکتور پژوهشی ماژولار کوچک نمک مذاب توریم در گانسو در دستور کار قرار دارد تا برای اعتبارسنجی حرارتی و مهندسی چالش‌های علمی و فناوری‌های کلیدی در شرایط توان بالا و تابش شدید هسته‌ای مورد استفاده قرار گیرد.
پنگ‌پای دریافته است که پروژه راکتور پژوهشی به‌زودی کلید می‌خورد؛ گزارش ارزیابی اثرات زیست‌محیطی تأسیسات پژوهشی راکتور ماژولار کوچک نمک مذاب مبتنی بر توریم (مرحله مکان‌یابی) که سال گذشته توسط Shanghai Institute of Applied Physics وابسته به Chinese Academy of Sciences منتشر شد، نشان می‌دهد که راکتوری با توان الکتریکی ۱۰ مگاوات (10MWe) و حداکثر توان حرارتی طراحی‌شده ۶۰ مگاوات (60MWt) در وووی استان گانسو احداث خواهد شد. هدف‌گذاری این پروژه، آغاز عملیات عمرانی در سال ۲۰۲۵ و دستیابی به نخستین وضعیت بحرانی و کارکرد با توان کامل تا سال ۲۰۳۰ است.
اهمیت این راکتور پژوهشی در یکپارچه‌سازی سامانه‌ها و اعتبارسنجی آن‌ها نهفته است که داده‌ها، تجارب فنی و مهندسی لازم را برای ساخت راکتورهای تجاری در مقیاس بزرگ فراهم می‌کند. تنها پس از راه‌اندازی راکتورهای پژوهشی و نمایشی است که بستر لازم برای احداث راکتورهای تجاری در سایر استان‌ها ایجاد خواهد شد.
توریم و راکتور نمک مذاب ترکیبی ایده‌آل به شمار می‌روند؛ راکتور نمک مذاب مناسب‌ترین سازه برای بهره‌برداری کارآمد از سوخت هسته‌ای بر پایه توریم است. فناوری راکتور نمک مذاب توریم در دسته راکتورهای زاینده نوترون حرارتی جای می‌گیرد و توانایی تبدیل توریم به اورانیوم-۲۳۳ با قابلیت شکافت را دارد.
داده‌های رسمی حاکی از آن است که ذخایر صنعتی شناسایی‌شده توریم در چین نزدیک به ۲۸۰ هزار تن است. برآوردهای اولیه نشان می‌دهد در صورت بازیافت و چرخه کامل سوخت هسته‌ای توریم، این منابع می‌توانند نیاز انرژی چین را برای چند هزار سال تأمین کنند و خودکفایی انرژی کشور را رقم بزنند. در مقیاس جهانی نیز کل ذخایر توریم ۳ تا ۴ برابر اورانیوم برآورد می‌شود و استفاده بهینه از آن اهمیتی راهبردی برای آینده انرژی جهان دارد.
افزون بر ذخایر فراوان، راکتورهای نمک مذاب مبتنی بر چرخه توریم-اورانیوم ویژگی‌های برجسته‌ای در حوزه منع اشاعه سلاح‌های هسته‌ای و کاهش پسماندهای اتمی دارند. شکافت اورانیوم منجر به تولید عناصر فرااورانیومی با نیمه‌عمر طولانی می‌شود، در حالی که راکتورهای توریم پسماندهای بسیار کمتری از این دست تولید می‌کنند. علاوه بر این، این راکتورها با تکیه بر فناوری سرمایش بدون آب کار می‌کنند و برای فعالیت تنها به مقادیر ناچیزی آب نیاز دارند؛ موضوعی که آن‌ها را گزینه‌ای ایده‌آل برای استقرار در مناطق خشک و بیابانی می‌سازد.
از این رو، راکتورهای نمک مذاب مبتنی بر توریم به عنوان گزینه‌ای جدی در میان راکتورهای نسل چهارم، با مزایایی چون ایمنی ذاتی بالا، پسماند اندک، مقاومت در برابر اشاعه و صرفه اقتصادی، به کانون توجه تحقیقات نوین هسته‌ای جهان بدل شده‌اند؛ هرچند این فناوری دهه‌ها به حاشیه رانده شده بود.
توسعه راکتورهای نمک مذاب در اواخر دهه ۱۹۴۰ در ایالات متحده و با هدف ارتش آن کشور برای دستیابی به پیشرانه هسته‌ای در بمب‌افکن‌ها آغاز شد. ویژگی‌هایی نظیر ظرفیت گرمایی بالا، هدایت حرارتی مناسب، نقطه جوش بالا و فشار بخار پایین در خنک‌کننده نمک فلورایدی، مزیت‌های چشمگیری در ایمنی ذاتی و صرفه اقتصادی به این راکتورها می‌بخشید. در سال ۱۹۵۴، Oak Ridge National Laboratory نخستین دستگاه آزمایشی راکتور نمک مذاب موسوم به ARE را با توان ۲٫۵ مگاوات راه‌اندازی کرد. با توسعه سریع موشک‌های بالستیک راهبردی، توجیه نظامی بمب‌افکن‌های هسته‌ای از میان رفت و تحقیقات راکتور نمک مذاب در دهه ۱۹۶۰ به سمت کاربردهای غیرنظامی متمایل شد.
این آزمایشگاه در سال ۱۹۶۵ راکتور آزمایشی نمک مذاب با سوخت مایع را راه‌اندازی کرد که تنها راکتور سوخت مایع جهان و یگانه نمونه‌ای بود که با سوخت پایه توریم (اورانیوم-۲۳۳) فعالیت کرد. با این حال، به دلیل محاسبات حاکم بر دوران جنگ سرد، توسعه راکتورهای با کاربرد غیرنظامی متوقف شد و این طرح در آمریکا کنار گذاشته شد. چین نیز در اوایل دهه ۱۹۷۰ راکتورهای نمک مذاب توریم را به عنوان نقطه آغازین برنامه صلح‌آمیز هسته‌ای خود در نظر گرفت، اما با توجه به محدودیت‌های علمی، صنعتی و مالی آن دوره، مسیر خود را به سوی راکتورهای آب تحت فشار تغییر داد که نتیجه آن پروژه فاز یک Qinshan بود.
در سال ۲۰۱۱، Chinese Academy of Sciences بر پایه نیازهای امنیت انرژی و توسعه پایدار ملی، یکی از نخستین پروژه‌های راهبردی پیشگام علم و فناوری (رده A) را تحت عنوان «انرژی شکافت پیشرفته آینده — سامانه انرژی هسته‌ای راکتور نمک مذاب توریم (TMSR)» به راه انداخت. هدف این پروژه دستیابی به جایگاه نخستین کشور جهان در عملیاتی‌سازی این راکتورها طی یک بازه ۲۰ ساله و ایجاد زنجیره تأمین و نیروی متخصص بومی بود. در آوریل ۲۰۱۷، مقامات وووی در استان گانسو توافق‌نامه چارچوب همکاری راهبردی برای ساخت تأسیسات TMSR در شهرستان مینچین را با این نهاد علمی به امضا رساندند. این پروژه با سرمایه‌گذاری ۲۲ میلیارد یوآن در دو فاز طراحی شد و عملیات اجرایی آن در سپتامبر ۲۰۱۸ آغاز گردید.
چشم‌انداز بهره‌برداری جامع از انرژی هسته‌ای مبتنی بر راکتورهای نمک مذاب توریم
پیش‌تر روزنامه China Science Daily گزارش داده بود که راکتور آزمایشی گانسو در زیر زمین ساخته شده که عملاً نقشی محافظتی و بسیار ایمن برای آن ایفا می‌کند.
به گزارش روزنامه Wenhui Bao، پژوهشگر ارشد Xu Hongjie در نشست مذکور به داستان آشنای مسابقه لاک‌پشت و خرگوش اشاره کرد و گفت: «خرگوش همیشه ممکن است دچار اشتباه شود یا تنبلی کند؛ اینجاست که لاک‌پشت فرصت پیشی گرفتن پیدا می‌کند.» او تصریح کرد که اندوخته علمی آمریکا در حوزه فناوری هسته‌ای همچنان فراتر از دیگر کشورهاست، اما چین در صورت حفظ تمرکز بر اهداف خود می‌تواند این فاصله را جبران کند و راکتور نمک مذاب توریم دقیقاً یکی از همین فرصت‌ها است.
اکنون پیشرفت چین در حوزه راکتورهای نمک مذاب توریم در جایگاه پیشرو جهان قرار دارد. بر پایه برنامه بلندمدت تدوین‌شده، هدف این است که تا حدود سال ۲۰۳۰ فناوری‌ها و دانش علمی مرتبط با این سامانه‌ها به بلوغ کامل برسد، راکتورهای پایلوت صنعتی و تأسیسات نمک مذاب توریم با کربن پایین احداث شوند و فرایند تجاری‌سازی آن کلید بخورد. تا حدود سال ۲۰۴۰ نیز احداث نخستین تأسیسات فرآوری خشک پسماند نمک توریم در مقیاس صد تنی و سامانه‌های جداسازی آنلاین محصولات شکافت برنامه‌ریزی شده است تا چرخه کامل سوخت توریم-اورانیوم محقق شود.
اگرچه این روند نسبت به برآوردهای نخستین حدود چهار سال با تأخیر همراه بوده، اما چین کماکان پیشگام تجاری‌سازی این فناوری در سطح جهان است.
کارشناسان حوزه انرژی بر این باورند که موانع فنی و پیچیدگی تحقق راکتورهای نمک مذاب توریم به مراتب کمتر از همجوشی هسته‌ای (که انرژی نهایی بشر خوانده می‌شود) است. برخلاف همجوشی محصور که دانشمندان جهان دهه‌هاست در پی مهار آن هستند و ورود نیروگاه‌های آن به شبکه تجاری احتمالاً تا افق ۲۰۵۰ به طول خواهد انجامید، راکتورهای نمک مذاب چشم‌انداز دست‌یافتنی‌تری دارند.
در تحولی مرتبط، در دسامبر ۲۰۲۳ شرکت Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd.، وابسته به China State Shipbuilding Corporation، از نخستین و بزرگ‌ترین طراحی کشتی کانتینری ۲۴ هزار کانتینری با پیشرانه هسته‌ای رونمایی کرد. این شناور به سیستم راکتور نمک مذاب نسل چهارم مجهز است؛ ساختاری که در دماهای بالا و فشار پایین کار می‌کند، خطر ذوب‌شدن قلب راکتور در آن منتفی است و الزامات ایمنی ذاتی و عدم اشاعه را برآورده می‌سازد.
طراحی این شناور نیازی به مخازن و خطوط لوله فشار قوی ندارد و در صورت وقوع شکاف، نمک مذاب در دمای محیط بلافاصله منجمد می‌شود. علاوه بر سازوکارهای معمول خاموشی راکتور، امکان تخلیه نمک مذاب از محفظه جهت توقف سریع واکنش و مهار حادثه نیز تعبیه شده است. طبق اعلام Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd.، این سامانه پیشرانه نسبت به سیستم‌های سنتی فضای کمتری اشغال می‌کند، ظرفیت بارگیری بیشتری برای کانتینرها فراهم می‌آورد و با حذف دودکش‌های متداول، موتورخانه هسته‌ای را در بخش میانی بدنه کشتی جای داده است.