الابتكارات في مجال تعزيز القدرة على إعادة التصنيع وتعزيز القدرات

وقد شهدت محطات الطاقة النووية في السنوات الأخيرة تقدما كبيرا في زيادة كفاءتها وقدرتها، وهذه الابتكارات في زيادة الطاقة المفاعلية وتعزيز القدرات لها أهمية حاسمة في تلبية الطلب العالمي المتزايد على الطاقة مع الحفاظ على معايير السلامة والبيئة، حيث أن العديد من المفاعلات القائمة تقترب من منتصف العمر أو ما بعده، توفر معدلات الارتفاع وسيلة فعالة من حيث التكلفة لضغط المزيد من الكهرباء من نفس البنية التحتية، مما يقلل الحاجة إلى بناءات جديدة وتخفيض الانبعاثات الحقيقية للكربون.

فهم تصاعد السلطة

وينطوي ارتفاع الطاقة على زيادة إنتاج الطاقة القصوى لمفاعل نووي يتجاوز طاقته الأصلية المرخصة، وهذه العملية تتيح للمفاعلات القائمة توليد المزيد من الكهرباء دون بناء مرافق جديدة، مما يجعلها خيارا جذابا اقتصاديا للمرافق، وتمتد عادة إلى فئتين عامتين: تلك التي تتطلب تعديلات تشغيلية طفيفة فقط، وتلك التي تتطلب تعديلات كبيرة في المعدات والموافقة التنظيمية، وتُعرِّف لجنة الرقابة النووية التابعة للولايات المتحدة عدم التيقّض الطاقة بأنها إما

ويقود الاهتمام العالمي بالزيادة عدة عوامل: الهياكل الأساسية للمنشآت القديمة التي لا تزال يمكن رفع مستواها بتكلفة أقل من المباني الجديدة، وتحسين أداء الوقود الذي يتيح زيادة حروقها، ونظم المراقبة الرقمية المتقدمة التي تتيح إدارة أكثر دقة للمفاعلات، فعلى سبيل المثال، وافقت الهيئة الوطنية للإنشاء والتعمير على أكثر من 170 تعديلا منذ السبعينات، مما يضيف بصورة جماعية إلى الأسطول الأمريكي.

أنواع زيادة الطاقة

وتصنف الزيادة في الطاقة بحجم الزيادة ومدى التعديلات المطلوبة، ولكل نوع متطلبات تقنية وتنظيمية متميزة.

التحسينات التشغيلية

وتشتمل الزيادات التشغيلية، التي تسمى أحيانا زيادة الطاقة المتجددة، على زيادات صغيرة في ناتج الطاقة تقل عادة عن 7 في المائة، وتتحقق هذه الزيادات من خلال تحسين الممارسات التشغيلية، وتحسين معايرة الأجهزة، وإدخال تعديلات طفيفة على نقاط النباتات، ولا يلزم إدخال تغييرات كبيرة على المعدات، وترشيد الموافقة التنظيمية، فعلى سبيل المثال، يلاحظ معهد الطاقة النووية أن الكثير من المفاعلات التي ترخص لها.

توسيع نطاق السلطة

وتستلزم زيادة الطاقة الموسعة زيادات أكبر، من 10 في المائة إلى 20 في المائة أو أكثر في كثير من الأحيان، وتستلزم هذه الزيادة تعديلات كبيرة في المعدات، بما في ذلك مولدات البخار المحسنة، والتربينات العالية الضغط، ومضخات التبريد، وسخانات المياه العذبة، وقد حقق الاستعراض التنظيمي أكثر صرامة، ويتضمن تحليلات تفصيلية للسلامة، وتقييمات سريعة الدراية، وزيادة في تقديرات المخاطر المحتملة في منطقة فلوريدا.

Measurement Uncertainty Recapture Uprates

وثمة فئة ثالثة، هي استعادة عدم التيقن في قياسها، تشمل استخدام أجهزة أكثر دقة لقياس معدلات التدفق الأساسية، وبخفض الاحتراس في قياسات التدفق، يمكن للنباتات أن تزيد إنتاج الطاقة بنسبة تصل إلى 2 في المائة دون حدوث تغييرات مادية، وقد استفادت العديد من محطات الولايات المتحدة العاملة في مجال الأسلحة البيولوجية والمركبات العضوية الثابتة من زيادة أسعار الصرف كخيار منخفض التكلفة.

تعزيز القدرات في مجال التكنولوجيات الابتكارية

وقد مكّنت عدة تكنولوجيات ناشئة من تحسين القدرات بشكل أكثر أمانا وكفاءة، وتعالج هذه الابتكارات الاختناقات الرئيسية في نقل الحرارة، وأد الوقود، ونظم الرقابة.

نظم التبريد المتقدمة

وتولد مستويات أعلى من الطاقة مزيدا من الحرارة، مما يتطلب تحسين قدرات التبريد، وتشمل نظم التبريد المتقدمة تعزيز مبادلات الحرارة، وأبراج التبريد ذات القدرة العالية، وتصميمات التبريد بالبراعة الهجينة، وعلى سبيل المثال، حلت بعض النباتات محل أبراج التبريد القديمة التي لها مشاريع أبراج آلية أكثر كفاءة، مما يسمح بزيادة الرفض الحرفي، وفي مفاعلات المياه المصحوبة، ورفع مستوى جهاز التثبيت، وزيادة دورة المياه التي يمكن أن تدور فيها.

تعزيز تصميمات الوقود

:: إن الوقود النووي الحديث مصمم لمواجهة الاحتراق ودرجات الحرارة العالية مع الحفاظ على السلامة الهيكلية، وتتيح جمعيات الوقود العالية الحرق (060 GWd/tU) للمفاعلات أن تعمل لفترة أطول بين إعادة الوقود وإخراج المزيد من الطاقة لكل قضبان الوقود.

الأجهزة الرقمية والتحكم

ويتيح إصلاح نظم مراقبة الأوبئة باستخدام نظام إيكولوجي رقمي حديث لمراقبة تحديد نقاط المفاعلات على نحو أكثر دقة، والاستجابة السريعة للاضطرابات، وتعزيز رصد البارامترات الرئيسية، ويمكن للنظم الرقمية أن تنفذ خوارزميات متقدمة لإدارة توزيع الطاقة الأساسية، مما يتيح التشغيل على نحو أوثق مع الحدود الحرارية مع زيادة الثقة، كما أنها تيسر التشخيص عن بعد والصيانة التنبؤية، وتخفض من حالات التفوق القسري، وتستثمر العديد من النباتات التي تمر بمرحلة تحديث رقمية في جهود التحديث الرقمية كجزء من ذلك.

ارتفاع درجة الحرارة وتصليح المولدات

ولا يعد الجانب المفاعل إلا نصف المعادلة، إذ يتعين رفع مستوى المولدات الكهربائية، بحيث يتعامل مع زيادة تدفق البخار، وقد ينطوي ذلك على استبدال أجهزة السطو ذات الضغط العالي، أو مصفوفة الضغط، أو مشغل المولدات بكامله بأصاميم أكثر كفاءة، كما أن أجهزة التفكك المتطورة للرطوبة، وتحسين فراغ المكثفات تسهم أيضا في زيادة صافي الإنتاج الكهربائي.

اعتبارات السلامة وإطار التنظيم

السلامة هي الأهم من أجل أي زيادة في الطاقة، يحتاج المُنظمون إلى مُرخصين ليثبتوا أنّ المصنع يمكن أن يعمل بأمان على مستوى أعلى من الطاقة تحت جميع الولايات التشغيلية وظروف الحوادث، وهذا يشمل إعادة تحليلات الهيدروليك الحرارية، والتحقق من أنّ نظم التبريد الأساسية في حالات الطوارئ لديها قدرة كافية، وإعادة تقييم هوامش الضغط على الاحتواء، ويجب الحفاظ على المبادئ المعمقة في مجال الدفاع.

وتوفر المعايير الدولية، مثل المعايير الواردة من الوكالة الدولية للطاقة الذرية، التوجيه بشأن هوامش السلامة وأفضل الممارسات، وفي موازاة ذلك، وضعت الصناعة نُهجا موحدة لزيادة التنفيذ، مما يقلل من العبء التنظيمي من خلال مدونات ومعايير مثل القسم الحادي عشر من النظام الآلي للبيانات الجمركية، والدليل التنظيمي للمؤسسة الوطنية للتوحيد القياسي 1-136.

دراسات الحالات الإفرادية العالمية لتحسين القدرات الناجحة

وتظهر الأمثلة التالية على العالم الحقيقي جدوى وفوائد زيادة الطاقة عبر مختلف أنواع المفاعلات والبيئات التنظيمية.

الولايات المتحدة: وحدة النقاط التركية 3 و 4

وشهدت محطة فلوريدا النووية لنقاط الطاقة في تركيا (إثنان من وحدات الأسلحة النووية) زيادة في الطاقة تم إقرارها من قبل هيئة الإذاعة الوطنية في عام 2009 وزادت قدرة كل وحدة من 693 ميغاواط إلى نحو 783 ميغاواط، وزاد ربحا بنسبة 13 في المائة، وشملت التعديلات استبدال مولدات البخار، وتحسينات في التربين، وتركيب أبراج جديدة أكثر كفاءة، وكلف المشروع ما يعادل بليون دولار جديد.

السويد: وحدة الرينغهالز 3

Ringhals 3, a Westinghouse three-loop PWR, increased its output from 2775 MWth to 3130 MWth (a 12.8% thermal uprate) through a combination of fuel improvements and IC upgrades. The project involved licensing from the Swedish Radiation Safety Authority and was completed in 2014. The additional capacity helped compensate for the planned phase-out of older reactors in Sweden.

جنوب كوريا: وحدات شين كوري 3 و 4

حققت مفاعلات (آي بي آر بي 1400) في (شين كوري) قدرة معدلة قدرها 1400 ميغاواط، لكن المزيد من التحليلات والخبرة التشغيلية سمحا بزيادة 1425 ميغاواط (زيادة بنسبة 1.8 في المائة تقريبا)، وقد تحقق ذلك من خلال تحسين هوامش التشغيل والتحكم الرقمي، وقد اعتمد المنظمون الكوريون منذ ذلك الحين عملية استعراضية منتظمة للزيادة في جميع المباني الجديدة.

الاتجاهات والتحديات المستقبلية

ومن المرجح أن يؤدي الجيل القادم من مستويات زيادة الطاقة إلى زيادة التوأم الرقمي والتعلم الآلي وشبكات الاستشعار المتقدمة إلى زيادة المفاعلات إلى حد قريب من حدود التشغيل الحقيقية مع الحفاظ على السلامة، ويجري تصميم المفاعلات النموذجية الصغيرة ذات الهامش المتأصل في القدرة على التكرار كجزء من استراتيجيتها المرنة للإنتاج، ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات، كما أن العديد من المصانع القائمة تتأخر، وقد تحد من إمكانيات تحقيق المواءمة فيما بين البلدان.

وثمة فرصة ناشئة أخرى تتمثل في تقريب النباتات النووية مع إنتاج الهيدروجين أو توليده المشترك، مما يسمح باستخدام القدرة الحرارية الزائدة في التطبيقات غير الكهربائية، مما يمكن أن يحسن اقتصاديات النباتات ويوفر تدفقاً بديلاً للإيرادات يكمل إنتاج الكهرباء خلال فترات منخفضة الطلب.

خاتمة

إن زيادة قدرة المفاعلات وتحسين القدرات يوفران مسارا عمليا لزيادة إنتاج الطاقة النظيفة دون أن تكون هناك فترات أولية وتكاليف للبناء النووي الجديد، ومن خلال مزيج من التكنولوجيات المحسنة، وتحليلات السلامة الصارمة، والأطر التنظيمية الداعمة، أظهرت المرافق في جميع أنحاء العالم أن النباتات القائمة يمكن أن تنتج بشكل آمن المزيد من الكيلوواطات في الساعات، ومع تسارع التحول العالمي للطاقة، ستظل الزيادات أداة حاسمة لضمان الاستدامة القصوى للأسطول النووي القائم.