مستقبل نظم مفاعلات الوقود وإدماجها مع النباتات الموجودة

علوم المواد والإدارة الحرارية

ومن بين التحديات البالغة الأهمية وضع مواد قادرة على تحمل القصف المكثف للنيوترونات وتدفق الحرارة داخل مفاعل للدمج، كما يجري اختبار السبيكات المتقدمة، والمركبات الخزفية، وبطانيات المعادن السائلة، مثلا، لا يستوعب استخدام بطانات الليثيوم النيوترونات فحسب، بل يولد أيضا وقود التريتيوم، ويجب أن تنجو هذه المواد من درجات الحرارة التي تتجاوز 500 كيلوغرام للسنوات عقود جديدة.

التكامل مع محطات الطاقة القائمة: الاستراتيجية المختلطة

وبدلا من انتظار محطات توليد الطاقة القائمة بذاتها تماما، يدعو العديد من الخبراء إلى اتباع نهج تدريجي للتكامل، ويمكن أن تقترن مفاعلات الدمج القائمة، أو محطات الغاز الطبيعي، أو محطات إطلاق الفحم لإنشاء نظم هجينة، مما يقلل من المخاطر المالية، ويعزز الروابط القائمة بالشبكات، والهياكل الأساسية للتبريد، ويوفر " جسرا " لمستقبل الصمامات.

الهجينات من الفوسون

وفي هجينة من الإنشطار، يستخدم مفاعل الاندماج كمصدر نيوترونات لحمل بطانية انشطارية دون حرجة، ويمكن لهذا التصميم أن يحرق النفايات النووية (العناصر العابرة) من المفاعلات التقليدية أو ينتج الوقود الإنشطاري للنباتات القائمة، ولا يحتاج المصدر النيوتروناتي للاندماج إلى الحصول على الكهرباء الصافية - بل يحتاج فقط إلى إنتاج تدفّق شديد في النيترون، وهذا يقلل من القيم الهندسية على الانبعاث (حدّر).

محطة قوة فولاذية مجهزة بالوقود

وثمة مفهوم هجين آخر ينطوي على استخدام حرارة الاندماج في سائل العمل المسبق أو دفع ردود الفعل الكيميائية التي تدوم في النباتات الأحفورية، مثلاً، يمكن لمفاعل الاندماج أن يوفر حرارة عالية الحرارة لمصنع دورة مدمجة للغاز الطبيعي، ويحسن الكفاءة ويخفض الانبعاثات لكل ساعة من ساعات العمل، ويمكن استخدام الدمج لإنتاج الهيدروجين عن طريق نهج الكهرموزيومتر أو دورة التحلل التدريجي للغاز الحراري.

التكامل الحراري ومخلفات النباتات

كما أن إدماج الناتج الحراري لمفاعل الاندماج )نحو ٥٠٠-٦٠٠ درجة مئوية من أجل تصميمات الجيل الأول( مع دورة البخار التقليدية يتطلب أيضاً مبادلات حرارية وتصميماً لتوازن الزرع، كما أن لدى النباتات الموجودة مسخات للمياه التغذوية، وتربينات لشبكات البخار، ومكونات يمكن تكييفها، والمفتاح هو الحفاظ على درجات حرارة وضغوط ثابتة مع إدارة عمليات الصمامات الإلكترونية المتقدمة.

الاعتبارات التقنية والتشغيلية

إمكانية المقارنة بين المجازر والعرض

ويمكن لمفاعلات الوقود، مثل مفاعلات الانشطار، أن تكون مناسبة لعملية تحميل القاعدة، غير أن التشكيلات الهجينة يمكن أن تتيح توليد الحمولة بتحويل الحرارة الزائدة إلى التخزين الحراري أو إنتاج الهيدروجين، كما أن السلامة المتأصلة في الاندماج (لا ردود فعل على الموجات، ولا وجود لسوائل طويلة الأجل) تعني أن المشغلين يمكن أن يديروها بصورة مرنة دون وجود قيود شديدة على الانشطار.

السلامة والرخص للمصانع الهجينة

ومن أكبر العقبات التي تعترض أي تركيبة للدمج الموافقة التنظيمية، وقد كتبت اللوائح النووية القائمة من أجل الإنشطار، وتستلزم مفاعلات الاندماج حالات أمان مختلفة، أما بالنسبة للمصانع الهجينة، فإن وجود بطانية انشطارية يُحدث تعقيداً إضافياً في مجال الترخيص، غير أن الجوهر المتعلق بالتصنيع نفسه آمن في جوهره: فقد العزل يُبطل ببساطة البلازما دون انصهار.

القدرة الاقتصادية على تحمل تكاليف الطاقة على المستوى المطلوب

وتتوقف اقتصادات التكامل في مجال الاندماج على تكلفة رأس المال، والعمر، وعامل القدرة، ويمكن للنظم الهجينة أن تقلل من تكاليف رأس المال عن طريق تقاسم عناصر موازين الزرع مع محطة توليد الطاقة الحالية، فمثلا، يمكن لوحدة دمج الطاقة الكهربائية التي تبلغ ٥٠٠ مليون دولار، إضافة إلى مصنع للفحم المتقاعد أن تعيد استخدام توربين البخاري، وأبراج التبريد، والباحة التحويلية، وتقليص حجم الاستثمار بنسبة ٢٠-٣٠ في المائة.

الآثار البيئية والسياساتية

ويمكن أن يحقق دمج الاندماج مع محطات الطاقة القائمة إزالة انبعاثات عميقة من الكربون مع الحفاظ على فرص العمل وأمن الطاقة، وعلى عكس المتجددات المتقطعة، يمكن أن يوفر الاندماج زائد التخزين قدرة ثابتة ومرسلة، وتشمل البصمة الكربونية لمصنع الإندماج مواد البناء ومناولة ثلاثية التركات، ولكنها قريبة من الصفر أثناء التشغيل، وبالإضافة إلى ذلك، لا تنتج الدمج نفايات مشعة طويلة الأجل؛ ولا تصبح المواد الهيكلية سوى أدوات محفزة ومبسطة في إطار البحث.

خط زمني للانتشار التجاري

وتدخل صناعة الاندماج " حقبة متطورة " حيث يجري بناء مفاعلات عرضية متعددة، ويهدف هذا النظام إلى البلازما الأولى في عام 2025، وإلى توليد الطاقة الكاملة بحلول عام 2035، وقد أعلنت الشركات الخاصة مثل نظم الكومنولث للوقود، والوقود العام، وتكنولوجيات التوليد التقني عن محطات إيضاحية في الإطار الزمني للفترة 2030-2035.() ويمكن بناء نظم الدمج السريع في وقت سابق، مع بعض المفاهيم التي تستهدف المصانع الرائدة.

الاستنتاج: مسار متوازن نحو الأمام

إن مستقبل نظم مفاعلات الاندماج لا يكمن في استبدال مفاجئ لأسطول الطاقة الحالي بل في التكامل المدروس، فبإحداث تضخم في الوقود القريب من الحد، والسلامة المتأصلة في البنية الأساسية لمصانع الطاقة الحالية، يمكننا أن نعجل بعملية الانتقال في الطاقة مع التقليل إلى أدنى حد من المخاطر المالية والتقنية، وسيصبح العقد القادم شبكة محورية: فالتظاهرات الهجينة الصغيرة ستثبت المفهوم، في حين أن مفاعلات الإندماج الكبيرة تقترب من القدرة على الاستمرار التجاري.