راکتورهای نسل چهارم (Generation IV) مجموعه‌ای از شش طرح پیشرفته نیروگاه‌های هسته‌ای هستند که هدف آن‌ها غلبه بر چالش‌های فنی، اقتصادی و محیط زیستی راکتورهای موجود (نسل‌های دوم و سوم) است. این طرح‌ها توسط مشارکت بین‌المللی نسل چهارم (Generation IV International Forum - GIF) که شامل 14 کشور است، از سال 2001 مورد مطالعه و توسعه قرار گرفته‌اند. هدف نهایی، دستیابی به سامانه‌های هسته‌ای است که هم ایمنی را به شدت بالا ببرند و هم استفاده از منابع سوختی را بهینه سازند.
۱. اهداف اصلی راکتورهای نسل چهارم
تمامی شش طرح Gen IV برای برآورده ساختن چهار هدف کلیدی مشترک توسعه یافته‌اند:
- پایداری و مدیریت منابع: به حداکثر رساندن بهره‌وری از سوخت هسته‌ای، به حداقل رساندن تولید پسماند رادیواکتیو با عمر طولانی، و توانایی استفاده از سوخت‌های بازیافتی.
- اقتصاد رقابتی: ارائه هزینه‌های ساخت و تولید برق رقابتی با سایر فناوری‌های تولید برق و نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری.
- ایمنی و قابلیت اطمینان: افزایش ایمنی تا حدی که نیاز به تخلیه اضطراری مردم به دلیل سوانح بزرگ را حذف کند (ایمنی ذاتی و غیرفعال).
- عدم اشاعه و امنیت فیزیکی: دشوار ساختن استفاده از مواد شکافت‌پذیر هسته‌ای برای مقاصد نظامی.
۲. معرفی و مقایسه شش طرح اصلی Gen IV
راکتورهای نسل چهارم از نظر سوخت، خنک‌کننده و طیف نوترونی (سریع یا حرارتی) متفاوت هستند. سه طرح از این شش طرح، راکتورهای نوترون سریع هستند که می‌توانند مواد پسماند با عمر طولانی را مصرف کنند و سوخت بیشتری تولید کنند.
نوع راکتور | خنک‌کننده | طیف نوترونی | دمای عملکرد | مزیت کلیدی |
راکتور سریع خنک‌شونده با گاز (GFR) | گاز هلیوم | سریع | بالا (850^circC) | راندمان حرارتی بالا، امکان استفاده در فرآیندهای صنعتی. |
راکتور سریع خنک‌شونده با سرب (LFR) | سرب مذاب | سریع | بالا (550^circC) | ایمنی ذاتی بسیار بالا، قابلیت مصرف پسماند هسته‌ای. |
راکتور سریع خنک‌شونده با سدیم (SFR) | سدیم مایع | سریع | متوسط (550^circC) | فناوری نسبتاً تثبیت شده، استفاده کارآمد از سوخت. |
راکتور با دمای بسیار بالا (VHTR) | گاز هلیوم | حرارتی | بسیار بالا (1000^circC) | تولید هیدروژن و گرمای صنعتی، ایمنی ذاتی. |
راکتور نمک مذاب (MSR) | نمک فلوراید مذاب | حرارتی یا سریع | بالا (700^circC) | سوخت به شکل مایع (نمک مذاب است)، انعطاف‌پذیری سوختی بالا. |
راکتور آبی فوق بحرانی (SCWR) | آب تحت فشار فوق بحرانی | حرارتی یا سریع | بالا (510^circC) | ساده‌سازی طراحی توربین (شبیه نیروگاه‌های سوخت فسیلی)، راندمان حرارتی بالا. |
۳. ویژگی‌های فناورانه نوآورانه
الف) سوخت‌ها و چرخه‌های بسته
بیشتر طرح‌های Gen IV، به ویژه راکتورهای سریع (مانند SFR و LFR)، از یک چرخه سوخت بسته حمایت می‌کنند. این به آن معناست که پسماندهای رادیواکتیو با عمر طولانی (مانند پلوتونیوم و اکتینیدهای فرعی) که در راکتورهای نسل دوم تولید می‌شوند، می‌توانند به عنوان سوخت در این راکتورها سوزانده و تبدیل به مواد با عمر کوتاه شوند. این امر حجم و خطر پسماند نهایی را به شدت کاهش می‌دهد.
ب) خنک‌کننده‌های غیرآبی
بسیاری از این طرح‌ها از خنک‌کننده‌های غیرآبی مانند گاز (هلیوم)، فلزات مایع (سدیم، سرب) یا نمک‌های مذاب استفاده می‌کنند. استفاده از این مواد، فشار عملیاتی راکتور را کاهش می‌دهد و دمای کارکرد را به شدت بالا می‌برد. دمای بالاتر به معنای راندمان حرارتی بالاتر (تبدیل حرارت به الکتریسیته با کارایی بیشتر) و همچنین امکان استفاده از گرما در فرآیندهای صنعتی است.
ج) ایمنی غیرفعال (Passive Safety)
طراحی‌های LFR و MSR به گونه‌ای است که در صورت بروز هرگونه اختلال یا از دست دادن توان، فرآیندهای فیزیکی طبیعی (مانند گرانش، انبساط حرارتی) به صورت خودکار راکتور را خاموش کرده و آن را خنک می‌کنند. به عنوان مثال، در MSRها، در صورت افزایش بیش از حد دما، سوخت مایع به طور خودکار به یک مخزن زیرزمینی ایمن تخلیه می‌شود.
۴. چالش‌ها و افق زمانی
اگرچه راکتورهای نسل چهارم پتانسیل زیادی دارند، اما هنوز در مراحل مختلف طراحی و نمونه‌سازی قرار دارند و با چالش‌های بزرگی روبه‌رو هستند:
- موادشناسی (Materials Science): دمای عملیاتی بسیار بالا (800 تا 1000^circC) در راکتورهایی مانند VHTR و GFR نیازمند توسعه مواد جدیدی (مانند سرامیک‌ها و آلیاژهای پیشرفته) است که بتوانند در برابر این گرما و تشعشعات شدید مقاومت کنند.
- مهندسی سیستم‌های جدید: خنک‌کننده‌هایی مانند سرب مذاب یا نمک‌های فلوراید، پیچیدگی‌های مهندسی خاص خود را دارند که نیازمند طراحی قطعات جدید و پروتکل‌های ایمنی متفاوت است.
- هزینه‌های توسعه: هزینه تحقیق، توسعه و ساخت نمونه‌های اولیه این راکتورها بسیار بالاست و نیازمند تعهد طولانی‌مدت دولت‌ها و بخش خصوصی است.
پیش‌بینی می‌شود که اولین نمونه‌های تجاری از طرح‌های پیشرفته‌تر مانند SFR و MSR تا دهه 2030 یا 2040 به مرحله بهره‌برداری برسند و نقش مهمی در تأمین انرژی پایدار قرن 21 ایفا کنند.
