توليد التريتيوم

خطوات الاستخدام

أدخل نسبة تكاثر التريتيوم من الليثيوم-6 (Li6 TBR): تمثل هذه القيمة كفاءة تفاعل الليثيوم-6 مع النيوترونات لإنتاج التريتيوم. تعتمد هذه النسبة على تصميم المفرخ (بلانكت) وطاقة النيوترونات. عادةً ما تكون أعلى من 0.8 في التصاميم الحديثة، ويتم حسابها من محاكاة النقل النيوتروني.

أدخل نسبة تكاثر التريتيوم من الليثيوم-7 (Li7 TBR): تمثل هذه القيمة كفاءة تفاعل الليثيوم-7 مع النيوترونات عالية الطاقة لإنتاج التريتيوم. تعتمد هذه النسبة على طيف النيوترونات وتصميم المفرخ، وتكون عادةً أقل من Li6 TBR وقد تتراوح بين 0.1 و0.5.

أدخل نسبة الليثيوم-6 في خليط الليثيوم (Li6 Fraction): هذه هي الكسر المولي أو الكتلي للنظير Li6 في الليثيوم الطبيعي أو المخصب. تبلغ نسبة Li6 الطبيعي حوالي 7.5%، ولكن يمكن تخصيبها حتى 90% لتحسين الأداء. يتم إدخالها كرقم عشري بين 0 و1.

الأسئلة الشائعة

تعتبر نسبة تكاثر التريتيوم (Tritium Breeding Ratio) من أهم المعايير في تصميم مفاعلات الاندماج النووي، خاصة تلك التي تعتمد على دورة الوقود DT (ديوتيريوم-تريتيوم). التريتيوم هو وقود نادر لا يتوفر بشكل طبيعي بكميات كبيرة، ويجب إنتاجه داخل المفاعل نفسه لضمان استمرارية التشغيل. تشير TBR إلى متوسط عدد ذرات التريتيوم المنتجة لكل نيوترون ناتج عن التفاعل الاندماجي. لكي يكون المفاعل مكتفياً ذاتياً، يجب أن تكون TBR ≥ 1.0. أي قيمة أقل من 1 تعني أن المفاعل سيستهلك تريتيوم أكثر مما ينتج، مما يستلزم مصدراً خارجياً للتريتيوم، وهو أمر غير مستدام اقتصادياً للتشغيل طويل الأمد. تعتمد TBR على عدة عوامل: تصميم المفرخ (بلانكت) المحيط بالبلازما، نسبة نظائر الليثيوم (Li6 وLi7)، طاقة النيوترونات، ومواد التبريد. يتم تحسين TBR عبر استخدام ليثيوم مخصب بـ Li6 وتصاميم متطورة للمفرخ تزيد من التفاعل النيوتروني مع الليثيوم. كما أن TBR تؤثر على حجم احتياطي التريتيوم اللازم لبدء تشغيل المفاعل، حيث أن المفاعلات التجارية تهدف إلى TBR بين 1.1 و1.5 لتعويض الفقد أثناء الاستخراج والمعالجة.

الليثيوم الطبيعي يتكون من نظيرين: Li6 (حوالي 7.5%) وLi7 (حوالي 92.5%). كلا النظيرين يمكن أن ينتجا التريتيوم عند تعرضهما للنيوترونات، ولكن بطرق مختلفة. التفاعل مع Li6: Li6 + n → T + He4 + 4.8 MeV، وهو تفاعل طارد للحرارة ويحدث مع النيوترونات الحرارية (منخفضة الطاقة). بينما Li7: Li7 + n → T + He4 + n' (نيوترون ثانوي)، وهو تفاعل ماص للحرارة ويتطلب نيوترونات عالية الطاقة (فوق 2.5 MeV). لذلك، فإن زيادة نسبة Li6 تعزز إنتاج التريتيوم عند الطاقات المنخفضة، مما يجعلها أكثر كفاءة في المفرخات التي تستخدم وسائط (مثل البريليوم) لإبطاء النيوترونات. في المقابل، Li7 يساهم بشكل أكبر في النيوترونات السريعة. بزيادة نسبة Li6، يمكن تحقيق TBR أعلى باستخدام كميات أقل من الليثيوم الكلي، مما يقلل حجم المفرخ وتكلفته. ومع ذلك، فإن تخصيب Li6 يستهلك طاقة وموارد، لذا يجب الموازنة بين درجة التخصيب وتكلفته مقابل الزيادة في TBR. في معظم تصاميم المفاعلات التجارية، يتم استخدام ليثيوم مخصب بنسبة 60-90% Li6 للحصول على TBR بين 1.1 و1.2 مع هوامش أمان كافية.

بالإضافة إلى نسب نظائر الليثيوم وكفاءة التفاعل (Li6TBR وLi7TBR)، تؤثر عدة عوامل تصميمية وتشغيلية على TBR الكلية: 1) مواد المفرخ (بلانكت): يجب أن تحتوي على الليثيوم بتركيز عالٍ، وغالباً ما تستخدم مركبات مثل Li2TiO3 أو Li4SiO4 أو سبائك Li-Pb. تؤثر كثافة الليثيوم وهندسة التوزيع على امتصاص النيوترونات. 2) وجود وسيط نيوتروني: مثل البريليوم أو الجرافيت، يعمل على إبطاء النيوترونات السريعة إلى طاقات حرارية لزيادة تفاعل Li6. 3) مواد التبريد: مثل الهيليوم أو الماء أو LiPb، تؤثر على طيف النيوترونات وامتصاصها. 4) سمك المفرخ: كلما زاد السمك، زاد احتمال امتصاص النيوترونات، ولكن قد يزيد أيضاً من حجم المفاعل وتكلفته. 5) التصميم ثلاثي الأبعاد: وجود فراغات، قنوات تبريد، وهياكل داعمة يسبب تسرب نيوتروني ويقلل TBR. 6) استخدام مضاعفات النيوترونات: مثل Pb أو Be، حيث تنتج نيوترونات إضافية (n,2n) تزيد من كمية النيوترونات المتاحة. 7) درجة حرارة المفرخ: تؤثر على مقاطع التفاعل النووي لبعض المواد. يتم حساب TBR عادةً باستخدام كودات نقل نيوتروني متقدمة مثل MCNP أو OpenMC، وتأخذ هذه العوامل بعين الاعتبار. القيمة النظرية القصوى لـ TBR في مفاعل DT هي حوالي 1.9، ولكن عملياً تتراوح بين 1.0 و1.5 بسبب القيود الهندسية.

في سياق مفاعلات الاندماج، تُحسب TBR عادةً على أنها قيمة لحظية تعتمد على الظروف الحالية للمفاعل (توزيع النيوترونات، درجة الحرارة، تركيز الليثيوم، إلخ). ومع ذلك، أثناء تشغيل المفاعل، يتغير تركيب الوقود ونسبة الليثيوم مع مرور الوقت بسبب استهلاك Li6 وتحويل Li7 إلى Li6 عبر تفاعلات (n,γ) ثم اضمحلال بيتا؟ (لا يحدث هذا بشكل كبير). الأهم هو استهلاك Li6 نفسه، حيث أن التفاعل مع النيوترونات يقلل من كمية Li6 المتاحة. لذلك، يجب أن يكون تصميم المفرخ بحيث يحافظ على TBR > 1 طوال دورة التشغيل. يتم حساب TBR المتكامل زمنياً عن طريق محاكاة تطور تركيب النوى بمرور الزمن، باستخدام معادلات معدل التفاعل. في البداية، قد تكون TBR أعلى بسبب وفرة Li6، ولكنها تنخفض تدريجياً. لضمان الاكتفاء الذاتي، يجب أن يظل المتوسط الزمني لـ TBR فوق 1. كما أن هناك مفهوم 'هامش TBR' الذي يمثل الفرق بين TBR الفوري وقيمة 1، ويجب أن يكون كافياً لتعويض الانخفاض مع الزمن. في المفاعلات التجارية، يتم تجديد الليثيوم (استبدال المفرخ) أو إعادة تدويره بشكل دوري للحفاظ على الأداء.

توليد التريتيوم

أدخل القيم

خطوات الاستخدام

أمثلة محلولة

أمثلة محسوبة

الأسئلة الشائعة

أدخل القيم

خطوات الاستخدام

1مثال على مفاعل اندماج تجريبي بحجم ITER باستخدام ليثيوم طبيعي

2مثال على تصميم متقدم لمفاعل اندماج بقدرة 2 جيجاوات مع تخصيب عالٍ

أمثلة محسوبة

الأسئلة الشائعة