بازطراحی و پایش رآکتور اراک

توافق ایران و پنج قدرت جهانی در چارچوب آنچه «برنامه جامع اقدام مشترک» (برجام) نامیده می‌شود، این روزها محل بحث و تفسیرهای فراوانی شده است؛ بحث و تفسیرهایی که خاصه بر بار حقوقی و سیاسی التزامات مکتوب طرفین تمرکز دارند. اما در اکثریت قریب به اتفاق این تفاسیر، ابعاد فنی تعهدات طرف ایرانی یا به‌کلی تحت‌الشعاع ستانده‌های سرنوشت‌ساز وی از ۱+۵ قرار می‌گیرد، یا خلاصه می‌شود به محدودسازی آمار سانتریفیوژهای فعال در نطنز و فُردو.

لذا در نگاه نخست این‌طور به نظر می‌رسد که توافق اخیر، علی‌رغم اهمیت سیاسی‌اش، از پشتوانه فنی چندان شاخص و پیچیده‌ای برخوردار نبوده تا بیانگر عزم راسخ و تخصّص طرفین مذاکره برای رسیدن به این نقطه حساس بوده باشد؛ و صرفاً ایران تعهد کرده تا در قبال رفع تحریم‌ها، به کاهش آمار سانتریفیوژهای فعال خود تن بدهد.

سازوکار حقوقی نسبتاً سریع تمهید دیده‌شده برای بازگشت احتمالی طرفین به شرایط پیش از توافق، و حساسیت‌ها به همین موضوع هم تاکنون به چنین قضاوت‌های سطحی‌ای دامن زده است.

اما نگاهی به رهیافت هوشمندانه تیم مذاکره‌کننده ایرانی برای شفاف‌سازی عملکرد رآکتور آب سنگین اراک مصداق روشنی به دست می‌دهد از جدّیت مذاکره‌کنندگان (اعم از ایرانی و خارجی) برای رسیدن به نقطه‌ای عینی‌تر از یک قرارداد سیاسی صرف. در این مقاله خواهم کوشید تا کلّیات بحث بازطراحی و روند پایش آژانس بین‌المللی انرژی اتمی از این رآکتور را در بافت مفاهیم فنی و دستاوردهای اخیر شاخه فیزیک هسته‌ای مدنظر قرار بدهم، و بدین‌وسیله دورنمایی از حُسن نیت و عیار علمی تعهدات طرف ایرانی ارائه کنم.

چرا «آب سنگین»؟

عملکرد مطلوب یک رآکتور هسته‌ای به‌معنای مدیریت صحیح مسیر و انرژی نوترون‌های آزادشده در جریان واپاشی عناصر رادیواکتیو به‌کاررفته در جایگاه «سوخت» رآکتور است – فرآیندی که از ناپایداری ذاتی عناصر رادیواکتیو ناشی می‌شود. این ناپایداری را بر حسب شاخص «نیمه‌عمر» می‌سنجند؛ بدین‌معنا که چنانچه نیمه‌عمر عنصری ۱ سال باشد، این بدین‌معناست که ۱ سال طول می‌کشد تا نصف مقدار معینی از آن عنصر به‌طور طبیعی به عناصر سبک‌تر از خودش واپاشیده شود.

اما چنین شاخصی معلوم نمی‌کند که یک هسته معیّن از عنصری رادبواکتیو تا کی به وضعیت پایدار خود ادامه خواهد داد یا کی فروپاشیده خواهد شد، چراکه نیمه‌عمر در واقع شاخصی آماری است و دلالت بر «مجموعه»ای از اتم‌ها دارد.

با این وجود، احتمال واپاشی یک اتم از نوع ایزوتوپ‌هایی مشخص (از قبیل اورانیوم ۲۳۵) – که به «ایزوتوپ‌های شکافا» معروف‌اند – در صورت واکنش دادن با تعداد مشخصی نوترون آزاد می‌تواند افزایش یابد؛ اتفاقی که در صورت وقوع، خود با تولید مقادیر بیشتری نوترون همراه خواهد بود. از این موضوع چنین نتیجه می‌شود که: چنانچه با تزریق باریکه‌ای از نوترون‌ها با یک انرژی جنبشی مشخص بتوان هسته ناپایدار یک ایزوتوپ شکافا را به‌طور مصنوعی شکافت، نوترون‌های آزادشده در جریان همین واپاشیْ خوداخود به تحریک هسته‌های مجاور خواهند پرداخت و چنین فرآیندی به شکل یک زنجیره‌ی تقویت‌شونده درخواهد آمد (کمترین مقدار لازم مواد شکافا برای تحریک این واپاشی زنجیره‌ای اصطلاحاً «جرم بحرانی» نامیده می‌شود).

احتمال پیشرفت و تثبیت روند واپاشی زنجیره‌ای، بستگی به عوامل متعددی از جمله سرعت نوترون‌های آزادشده در جریان واپاشی‌ها، و درصد خلوص ایزوتوپ‌های شکافا در سوخت رآکتور دارد. اگرچنانچه بتوان سرعت نوترون‌های آزادشده را به‌طور مصنوعی کاهش داد، روند واپاشی زنجیره‌ای را هم می‌توان در حد معقولی کنترل کرد. این کار با پُر کردن فضای بین میله‌های سوخت با ماده‌ای موسوم به «آرام‌کننده نوترونی» (neutron moderator) انجام می‌شود؛ افزودنی‌ای که انرژی جنبشی نوترون‌های آزادشده در جریان واپاشی را تا حد قابل توجهی کاهش می‌دهد.

مولکول‌های آب (H2O)، آرام‌کننده‌های نوترونی ایده‌آلی به شمار می‌روند، چراکه جرم اتم هیدروژن موجود در ساختارشان (یعنی جرم یک الکترون + جرم یک پروتون) تقریباً معادل جرم یک نوترون است، و لذا برخورد نوترون‌ها به اتم‌های هیدروژن موجود در مولکول‌های آب چیزی شبیه برخورد آزادانه توپ‌های بیلیارد به همدیگر است، که در جریان آن انتقال تکانه بین نوترون‌ها به بهینه‌ترین شکل انجام می‌شود. اما آب به‌واسطه ساختار شیمیایی‌اش، در عین حال استعداد قابل توجهی برای جذب و مهار نوترون‌ها نیز دارد؛ به‌طوری‌که رفته‌رفته دیگر نوترون چندانی را برای امتداد بخشیدن به واپاشی زنجیره‌ای باقی نخواهد گذاشت.

راهکار فیزیکدانان برای عبور از این مانع، ارتقای خلوص مواد شکافا در سوخت رآکتور است، تا بدین‌وسیله با بیشتر کردن احتمال برخورد یک نوترون آزاد با یک هسته ناپایدار در طول مسیرش، کمبود ناشی از کاهش تدریجی جمعیت نوترون‌ها در نتیجه جذبشان توسط آب جبران شود. این ارتقای خلوص مواد شکافا در سوخت رآکتور اصطلاحاً «غنی‌سازی» نامیده می‌شود.

خلوص طبیعی ایزوتوپ شکافای اورانیوم ۲۳۵ در نمونه‌های استخراجی از معادن اورانیوم فقط هفت‌دهم درصد است، و سهم ۹۹ درصدی مابقی این نمونه‌ها، به ایزوتوپ نه‌چندان کارآمد اورانیوم ۲۳۸ و مقادیر ناچیزی هم اورانیوم ۲۳۴ اختصاص دارد.

از رایج‌ترین شیوه‌های غنی‌سازی و ارتقای خلوص ایزوتوپ‌های شکافا، استفاده از مزیت اختلاف جرم ناچیز بین ایزوتوپ‌های یک عنصر (نظیر اورانیوم ۲۳۵ و ۲۳۸، که معادل اختلاف تنها سه نوترون است)، و جداسازی‌شان از طریق اعمال مستمر مقادیر قابل توجهی نیروی گریز از مرکز است. (به همین منظور ابتدا ضرورت دارد تا یک ترکیب «گازی» از اورانیوم خام – که غالباً گاز هگزافلوراید اورانیوم، یا UF6 – است را فرآوری کرد تا بتوان چنین نیرویی را بدون هیچ مانعی بر روی نمونه‌های معدنی اورانیوم اعمال نمود). اصطلاح «سانتریفیوز» (centrifuge؛ به‌معنای «مرکزگریز») اشاره به تأسیسات لازمه به‌منظور پیش‌برد همین فرآیند زمان‌بر و ضروری دارد.

در شرایطی‌که درصد خلوص ۳ تا ۵ درصدی اورانیوم ۲۳۵ برای عملکرد مطلوب رآکتور یک نیروگاه هسته‌ای تولید برق کفایت می‌کند، افزایش این مقدار تا حد ۹۰ درصد و بیشتر می‌تواند سرعت واکنش زنجیره‌ای واپاشی را تا حد یک واکنش انفجاری افزایش دهد – اتفاقی که اساس انفجارهای هسته‌ای را شکل می‌دهد.

اما راه جایگزینی هم وجود دارد که در آن می‌توان اورانیوم خام را بدون احتیاج به غنی‌سازی درگیر یک واپاشی زنجیره‌ای بهینه کرد: استفاده از آرام‌کننده نوترونی‌ای که بر خلاف آب، نوترون را جذب «نکند» (بلکه صرفاً از انرژی جنبشی‌اش بکاهد): مثلاً ترکیب دوتریوم اکسید (D2O)، معروف به «آب سنگین». این ترکیب به‌واسطه برخورداری از یک نوترون بیشتر نسبت به یک مولکول آب معمولی، آب «سنگین» نامیده می‌شود – و دقیقاً به همین‌واسطه هم تمایل کمتری به جذب نوترون دارد.

از آنجاکه هزینه‌های فرآوری آب سنگین به‌عنوان یک آرام‌کننده نوترونی، بسیار کمتر از ساخت تأسیسات عریض و طویل غنی‌سازی خواهد بود، ساخت رآکتورهای هسته‌ای آب سنگین نیز در مجموع از ساخت همتاهای آب سبکشان ساده‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر است. اما این تمام داستان نیست؛ چراکه احتمال پایین‌تر جذب نوترون توسط مولکول‌های آب سنگین در این نوع رآکتورها، به همان نسبت احتمال درگرفتن یک واکنش حساسیت‌برانگیز در قلب رآکتور را هم بالاتر می‌برد: واکنش اورانیوم ۲۳۸ با یک نوترون در مرحله اول به تولید ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۹ خواهد انجامید که نیمه‌عمر آن تنها ۲۳ دقیقه و نیم است، و سپس از طریق فرآیندی موسوم به «واپاشی بتا»، به ایزوتوپ نپتونیوم ۲۳۹ بدل خواهد شد.

نیمه‌عمر این ایزوتوپ نیز از دو روز و نیم تجاوز نمی‌کند، و از طریق فرآیندی مشابه به ایزوتوپ پلوتونیوم ۲۳۹ با نیمه‌عمر ۲۴ هزار و ۱۰۰ سال بدل خواهد شد – ایزوتوپی که عملاً آن را می‌توان یک ایزوتوپ پایدار نامید.

با این وجود، ایزوتوپ شکافا و پایدار پلوتونیوم ۲۳۹ به‌واسطه برخورداری از کمترین مقدار جرم بحرانی بین ایزوتوپ‌های شکافا (تنها ۱۱ کیلوگرم)، و نیز تولید انرژی قابل توجهی از پی واپاشی خود، گزینه نخست به‌کارگیری در قلب تسلیحات هسته‌ای به شمار می‌آید. تولید «طبیعی» این ایزوتوپ نگران‌کننده به‌عنوان پسماند اصلی رآکتورهای آب سنگین، دلیل عمده ابزار نگرانی جامعه جهانی از تکثیر ساخت رآکتورهای مبتنی بر این طراحی است – کمااینکه بخش اعظم مایحتاج پلوتونیوم به‌کاررفته در تسلیحات هسته‌ای هندوستان، پاکستان، و اسرائیل، از رآکتورهای آب سنگینشان تأمین شده است.

رآکتور آب سنگین اراک؛ گره‌ای کور در مسأله هسته‌ای ایران

طبق گزارشی که ایران در سال ۲۰۰۳ تسلیم آژانس بین‌المللی انرژی اتمی کرد، رآکتور آب سنگین اراک (با نام رسمی IR-40) به‌عنوان جایگزینی برای رآکتور تحقیقاتی فرسوده تهران، و به‌عنوان یک مرکز مطالعاتی برای تولید ایزوتوپ‌هایی با کاربری صنعتی و پزشکی طراحی و احداث شده است. احتیاج به رآکتورهای تحقیقاتی، به‌واسطه تولید ایزوتوپ‌هایی نظیر مولیبدن ۹۹ که نقش تعیین‌کننده‌ای در درمان سرطان دارند، از حقوق مشروع ایران به شمار می‌رود؛ چراکه به رغم واردات فعلی این ماده رادیواکتیو از روسیه، بخش قابل‌توجهی از آن به‌واسطه نیمه‌عمر کوتاهش (کمی بیش از ۲ روز) در جریان نقل و انتقالات از بین می‌رود.

هرچند که اطلاعات چندانی از جزئیات فنی و طراحی رآکتور اراک در دست نیست، اما پیش از تعلیق عملیات ساخت آن به موجب مفاد برنامه اقدام مشترک (که در ۲۰ ژانویه ۲۰۱۴ به امضای ایران و ۱+۵ رسید)، این رآکتور عملاً آماده سوخت‌گیری بوده است. با این وجود ایران موقتاً متعهد شد تا فعالیت رآکتور را به حال تعلیق درآورد، و از انتقال سوخت یا ذخیره آب سنگین به محل رآکتور، تولید مقادیر بیشتری از این مواد اولیه، و همچنین نصب قطعات باقیمانده در تأسیسات رآکتور اجتناب ورزد؛ اقداماتی که در فوریه ۲۰۱۴ به تأیید آژانس هم رسید. اما رآکتور IR-40، همچون هر رآکتور آب سنگین دیگری، علاوه بر امکان برخورداری از قابلیت‌های پیش‌گفته‌ای که به بخشی از نگرانی‌های بین‌المللی دامن زده است، مهره تعیین‌کننده‌ای در بازی مذاکرات ایران و ۱+۵ هم به شمار می‌رفت.

تهدیدات مرتبط به برنامه هسته‌ای ایران هم‌اینک بر دو توان بالقوه تمرکز دارند: توان تولید اورانیوم غنی‌شده با خلوص بالا (یا به اختصار HEU) به کمک سانتریفیوژهای مستقر در تأسیسات نطنز و فردو؛ و توان تولید مستقیم پلوتونیوم ۲۳۹ به‌عنوان پسماند رآکتورهای منحصربه‌فردی از نوع  IR-40. طراحی اولیه رآکتور اراک بر مبنای استفاده از سوخت اورانیوم خام (غیرغنی‌شده)، و آب سنگین به‌عنوان آرام‌کننده نوترونی بوده است؛ همان طراحی نگران‌کننده‌ای که می‌تواند به تولید مایحتاج پلوتونیومی تسلیحات هسته‌ای هم بیانجامد. اگرچنانچه طراحی این رآکتور به نحوی می‌بود که از سوخت اورانیوم غنی‌شده با خلوص پایین (یا به اختصار LEU) استفاده می‌کرد، آهنگ تولید پلوتونیوم آن هم به‌واسطه کاهش ناگزیر غلظت آرام‌کننده نوترونی‌اش، به طرز قابل‌توجهی (تا حتی ۹۵ درصد) کاهش می‌یافت.

در حال حاضر دو تأسیسات هسته‌ای در ایران فعال‌اند که برای ادامه حیاتشان به ذخایر LEU محتاج‌اند: نیروگاه بوشهر، و رآکتور تحقیقاتی تهران. سوخت نیروگاه بوشهر هم‌اینک به موجب قراردادی ده‌ساله، توسط روسیه تأمین می‌شود (سوختی مختص رآکتورهایی با طراحی VVER، وابسته به شرکت روسی OKB Gidropress، که در حال حاضر ایران از تکنولوژی تولیدش برخوردار نیست)؛ و سوخت رآکتور تحقیقاتی تهران را هم اورانیوم غنی‌شده با خلوص ۷۵ / ۱۹ درصد شکل می‌دهد. از آنجاکه ایران آن مقدار سوخت لازمه برای فعال نگه داشتن رآکتور تحقیقاتی تهران به مدت دست‌کم یک دهه را عملاً از قبل برنامه غنی‌سازی بومی‌اش در اختیار دارد، و ضمناً طرح‌های بومی بهره‌برداری از نیروگاه‌های نسل آتی  متکی بر سوخت LEU هم تا دست‌کم یک دهه آتی به ثمر نخواهد نشست، هیچ راهی جز انباشت مقادیر بلااستفاده LEU در کشور باقی نخواهد ماند.

در این‌صورت چنانچه ایران قصد تولید سلاح هسته‌ای کند، به تنها ۳ ماه فرصت احتیاج دارد تا بخشی از ذخیره LEU خود که کفاف فعال‌سازی رآکتور بوشهر به مدت تنها یک هفته خواهد داد را به کمک ده‌هزار سانتریفیوژ نسل اول خود (از نوع IR-1)، به ماده اولیه تولید یک سلاح هسته‌ای تبدیل کند.

این در حالی است که امکان تولید مواد اولیه سلاح هسته‌ای از طریق ذخیره LEU موجود در ایران، فقط در صورت صادرات این ذخایر به خارج از کشور، یا مصرف درازمدتشان به‌عنوان سوخت رآکتور اراک منتفی خواهد شد. در حالت دوم، رآکتور اراک را می‌بایست از رآکتوری با سوخت اورانیوم خام، به رآکتوری با سوخت LEU بدل کرد تا بتواند این ذخیره را مصرف کند (اقدامی که طبق توضیحات فوق، ماهیت تهدیدآمیز این رآکتور را هم عوض خواهد کرد). لذا بازطراحی رآکتور اراک می‌تواند (در کنار کاسته شدن از آمار سانتریفیوژهای فعال در نطنز و فردو) نه‌تنها به مبنای قابل اعتمادی برای محدودسازی برنامه غنی‌سازی ایران بدل شود، بلکه بدین‌وسیله صلح‌آمیز بودن فعالیت‌های تحقیقاتی خود را هم تضمین کند و در فضای اعتماد بین‌المللی به فعالیت خود همچنان ادامه دهد.

با این‌همه، شرایط خاص و دشواری‌های فیزیکی بازطراحی رآکتورهای آب سنگین، پتانسیل تبدیل شدن این گزینه به یک اهرم فشار سیاسی نزد ایران را هم داشت. در ادامه به بررسی همین موضوع، و نقش تعیین‌کننده آن در مذاکرات ایران و ۱+۵ خواهم پرداخت.

تغییر ماهیت، یا وقت‌کُشی؟

بازطراحی یک رآکتور آب سنگین (به‌منظور جایگزینی سوخت LEU با اورانیوم خام)، به‌طور معمول می‌تواند از دو طریق انجام شود: کاستن از تعداد میله‌های سوخت فعال در رآکتور، یا تعویض قلب رآکتور و طراحی مجدد آن. اما هر دوی این رهیافت‌ها چندان به مذاق سیاست‌پیشگان کشور میزبان خوش نخواهد آمد، چراکه راهکار اول مستلزم تغییر در زیرساخت‌های نیروگاه، و دومی تغییر ماهیت رآکتور است – اقداماتی که هر دو به منزله کوتاه آمدن از مواضع اولیه تلقی خواهند شد. کاهش تعداد میله‌های سوخت، افزایش تراکم حرارتی رآکتور را به دنبال دارد، که در این‌صورت باید آهنگ پمپاژ مواد خنک‌کننده در لوله‌های سیستم سردسازی را به همان نسبت افزایش داد؛ امری که تعویض سیستم لوله‌کشی نیروگاه، استفاده از سیستم‌های نظارتی پیچیده‌تر، و راهبردهای ایمنی متفاوتی نسبت به طراحی اولیه رآکتور را می‌طلبد. از طرفی اهداف تحقیقاتی اولیه رآکتور هم می‌تواند تحت‌الشعاع طراحی جدید آن قرار گیرد، چراکه ماهیت فرآورده‌های ایزوتوپی یک رآکتور (از جمله ایزوتوپ‌هایی با مصارف پزشکی) را شار نوترونی رآکتور است که تعیین می‌کند – به‌طوری‌که بازطراحی تأسیسات زیربنایی آن منجر به تغییر در فرآورده‌های بالقوه رآکتور نیز خواهد شد. از این موضوع عموماً با عنوان «تغییر ماهیت رآکتور» یاد می‌شود.

با توجه به توضیحات فوق، پیشنهاد بازطراحی رآکتور آب سنگین اراک تحت فشار قدرت‌های خارجی می‌توانست عملاً هزینه‌ای سیاسی را به ایران تحمیل کند؛ اما در عین حال این واقعیت هم که بازطراحی یک رآکتور آب سنگین «در صورت آغاز به کار آن» دیگر ممکن نخواهد بود، بالعکس، می‌توانست امتیازی سیاسی نزد ایران به شمار آید: قلب رآکتورهای آب سنگین در صورت آغازبه‌کارشان رادیواکتیو خواهند شد و اعمال تغییر در آن‌ها فوق‌العاده خطرناک خواهد بود. همین ویژگی  یک رآکتور آب سنگین می‌توانست اهرم فشاری در دست ایران باشد تا با خریدن زمان از طرفین مذاکره به نفع روند ساخت رآکتور اراک و شروع سوخت‌گیری آن، نهایتاً طرف خارجی را در مقابل عمل انجام‌شده قرار دهد و بدین‌وسیله او را وادار به پذیرش سیاست‌های ولو خصمانه خود کند.

اما خودداری ایران از این تصمیم در همان آغاز دور جدید مذاکرات هسته‌ای در دولت روحانی، موجبات شگفتی متخصصین غربی را فراهم کرد. اسکات کمپ، استادیار فیزیک و مهندسی هسته‌ای در دانشگاه MIT، که سابقاً مقاله‌ای را راجع به امکان‌پذیری بازطراحی رآکتور اراک هم منتشر کرده بود، در یادداشتی مربوط به آوریل ۲۰۱۴، می‌نویسد: " … در سپتامبر گذشته [۲۰۱۳] ظریف با ابراز تمایل بی‌سروصدایش به درنظرگرفتن گزینه‌هایی برای محدودسازی تولید پلوتونیوم، مذاکره‌کنندگان غربی را به شگفتی واداشت. این [شگفتی] با تن دادن وی به اصرار دولت فرانسه برای تعلیق فعالیت ایران در رآکتور اراک در طول دوره توافق موقت [ایران و ۱+۵] حتی بیشتر هم شد".

کمپ در ادامه توضیح می‌دهد که: "عظمت تصمیم ظریف احتمالاً بر جامعه غیرمتخصصان پوشیده است. چنانچه ایران به برنامه‌هایش ادامه می‌داد، ظریف می‌توانست ادعا کند که رآکتور [اراک هم‌اینک] به یک عمل انجام‌شده بدل شده است [و دیگر امکان تعلیق فعالیت آن وجود ندارد]. برخلاف برنامه [غنی‌سازی با] سانتریفیوژ که در آن می‌توان تعداد ماشین‌هاها [ی فعال] را بسته به اوضاع سیاسی کم و زیاد کرد، این رآکتور  یکدست فقط قبل از آغازبه‌کارش امکان بازطراحی دارد. بعد از آن، به‌شدت رادیواکتیو می‌شود و اصلاح آن فوق‌العاده سخت خواهد بود. ظریف می‌توانست از این استدلال فنّی برای حفظ توانمندی پلوتونیومی [ایران] استفاده کند. [اما] در عوض او با امکان‌پذیر ساختن اصلاح رآکتور به سمت و سویی صلح‌آمیزتر، تصمیم گرفت که از مذاکرات حمایت کند. این تصمیم از آنجایی قابل توجه است که مشاور فنی ارشد ظریف یکی از طراحان همین رآکتور است، و به احتمال زیاد این مشاور ترجیح می‌داده تا رآکتور را هرچه‌زودتر به بهره‌برداری برساند".

بازطراحی رآکتورهای آب سنگین در عین حفظ ماهیتشان، عملیاتی نسبتاً دشوار و بر مبنای تازه‌ترین دستاورهای فیزیک هسته‌ای امکان‌پذیر خواهد بود. متأسفانه از جزئیات عملیات بازطراحی  توافق‌شده بین ایران و ۱+۵ در رآکتور اراک اطلاع چندانی در دست نیست؛ اما به‌طور کلی چنین عملیاتی می‌تواند شامل یکی از این دو گزینه، یا تلفیقی از هردوی‌شان باشد: کاهش غلظت ایزوتوپ‌های شکافا با افزودن ناخالصی‌هایی موسوم به «سوخت پاشنده» (dispersion fuel)، نظیر آلومینیوم خالص به سوخت LEU؛ یا جذب مازاد نوترون‌های تولیدی از پی تزریق سوخت LEU به رآکتور. در حالت دوم، معمولاً عناصری نظیر بور، گادولینیوم، یا اربیوم – که به «سم سوختنی» (burnable poison) معروف‌اند – به سوخت غنی‌شده اضافه می‌شود (سوختی که در خصوص رآکتور اراک، خلوصی معادل حداکثر ۶۷ / ۳ درصد خواهد داشت) تا از پیشرفت بیش از حد واپاشی زنجیره‌ای در آن جلوگیری شود.

از آنجاکه در جدول مندرج در ضمیمه مربوط به بازطراحی رآکتور اراک در متن برجام (تحت عنوان: «طراحی مفهومی اراک»، صفحه ۴۶)، در مقابل گزینه «سم سوختنی»، عبارت "بله؛ اگر نیاز شد" آمده است، امکان این وجود دارد که اولویت طراحان ایرانی با استفاده از یک «سم غیر سوختنی» برای کنترل مازاد نوترون‌ها باشد: مثلاً مقادیر اندکی آب سبک. اگر چنانچه ایران بخواهد از طریق افزودن مقادیری آب سبک (یا همان آب معمولی) به ذخیره آب سنگین رآکتور اراک، اضافات نوترونی‌اش را مهار کند، حتی حسن نیّت بیشتری هم از خود در برابر طرف خارجی نشان داده، چراکه در این صورت بازگشت به شرایط پیش از بازطراحی رآکتور دیگر کار چندان راحتی نخواهد بود (و در واقع تعویض کامل ذخیره آب سنگین رآکتور را می‌طلبد، آن‌هم در شرایطی که قلب رآکتور عملاً رادیواکتیو شده است).

با این وجود علی‌اکبر صالحی، رئیس سازمان انرژی اتمی ایران، در گفتگویی که از پی اعلام تفاهم لوزان با تلویزیون دولتی ایران داشت، از طرح‌های مفهومی بومی‌ای برای بازطراحی رآکتور اراک سخن گفت که بخش اعظمی از مذاکرات فنی لوزان صرف اثبات امکان‌پذیری‌شان نزد طرف خارجی شده بود (و کما این‌که در متن برجام هم می‌خوانیم، عملیات بازطراحی اساساً مبتنی بر "یک طرح توافقی" خواهد بود). لذا چندان نمی‌توان با اطمینان گفت که عملیات بازطراحی رآکتور اراک چگونه از پیش خواهد رفت؛ اما قطعاً این تصمیمْ منفعت مضاعفی را برای ایران خواهد داشت، چراکه تأسیسات اراک را – به یمن همکاری‌های بین‌المللی و نظارت آژانس – به یکی از پیشروترین مراکز تحقیقات هسته‌ای بدل خواهد ساخت.

فیزیک هسته‌ای در مرز: پایش رآکتور اراک

گذشته از تعهداتی که طرف ایرانی راجع به بازطراحی رآکتور اراک متقبّل شده است، آژانس بین‌المللی انرژی اتمی هم وظایفی را در قبال پایش پایبندی ایران به این تعهدات طی سالیان پیش رو به عهده دارد. بدین‌منظور، بهره‌مندی از ادوات نظارتی  قابل حمل، ایمن، ارزان، با قابلیت کنترل از راه دور، و در عین حال دقیق و مطمئن، امری ضروری به شمار می‌رود. «حسگر پادنوترینو» در حال حاضر بهترین گزینه برای پایش میزان استفاده از سوخت هسته‌ای در قلب رآکتورهای هسته‌ای است؛ فناوری‌ای در شرُف تکمیل، که ملاک قابل اتکایی برای سنجش فعالیت رآکتور اراک هم خواهد بود.

رآکتورهای هسته‌ای عمده‌ترین منابع تولید ذراتی موسوم به «پادنوترینو» در زمین هستند؛ اما برای تشخیص این ذرات فوق‌العاده ریز و گریزپا، باید از مخازن صدها لیتری مخلوطی متشکل از یک حلال ارگانیک و اتم‌های گادولینیوم استفاده کرد، که کاری سخت و هزینه‌بر است. پادنوترینوها با برخورد به پروتون‌های موجود در این مخلوط، منجر به تولید یک نوترون و یک پوزیترون می‌شوند. واکنش بعدی این پوزیترون با یک الکترون، یا مهار آن نوترون توسط اتم‌های گادولینیوم، با تولید مقادیری ناچیزی انرژی نورانی همراه خواهد بود که توسط حسگرهای نوری به ثبت می‌رسند. از این طریق می‌توان به سنجش غلظت پادنوترینوها، و بدین‌وسیله مقدار ایزوتوپ‌های اورانیومی و پلوتونیومی فعال در قلب رآکتور پرداخت و از سطح انرژی نیروگاه اطمینان حاصل کرد.

تا سال گذشته، حسگرهای پادنوترینویی را فقط می‌شده در اعماق زمین کار گذاشت (تا تداخل احتمالی بین پادنوترینوهای کیهانی و همتاهای زمینی‌شان موجب سردرگمی متخصّصان نشود)؛ اما طبق تحقیقات اخیر تیمی از فیزیکدانان ژاپنی، می‌توان با بهره‌مندی از حسگرهای پلاستیکی به جای مخازن مایع، اقدام به سنجش دقیق پادنوترینوهای زمینی، آن‌هم از سطح زمین کرد. رآکتور اراک در آینده می‌تواند از نخستین اماکن آزمایش نسل جدید فناوری‌های پایش رآکتور در جهان باشد.

*
در مجموع می‌توان جدّیت ابعاد فنی مصالحه بر سر مسأله رآکتور اراک را مقیاس قابل اعتنایی برای تخصّص و هوشمندی مذاکره‌کنندگان ایرانی در حل و فصل یکی از حساس‌ترین مسائل سیاسی و امنیتی منطقه در چارچوب یک «توافق خوب»، و با دستاوردی حداکثری تلقی کرد. در شرایطی که این رآکتور در ابتدای سال ۲۰۱۴ عملاً در آستانه سوخت‌گیری و شروع به فعالیت بود (اقدام نه‌چندان بعیدی که می‌توانست اهرم فشار سنگینی برای تثبیت یک سیاست هسته‌ای خصمانه باشد)، طرف ایرانی حاضر شد تا داوطلبانه فعالیت رآکتور را در طول مدت‌زمان توافق‌شده در مذاکرات ژنو تعلیق کند تا ضمن ارائه حسن نیت خود، در نهایت از طریق اتخاذ یک رویکرد هوشمندانه موفق شود بدون تغییر ماهیت رآکتور، عملیات بازطراحی‌اش را با مدیریت متخصصین بومی و همکاری قدرت‌های جهانی از پیش ببرد – اقدامی کم‌سابقه در بین کشورهای در حال توسعه، که می‌تواند آغازگر فصل نوینی در تعاملات علمی ایران و جامعه بین‌الملل هم به شمار آید.