ويتكون المشهد العالمي للطاقة النووية من مجموعة متنوعة من تصميمات المفاعلات، كل منها مصمم لتحقيق التوازن بين السلامة والكفاءة وتوافر الموارد، ومن بين أكثر أنواع مفاعلات الطاقة انتشارا، يمثل أورانيوم كوندا ديوتريوم (CANDU) وجهاز معالجة المياه المطبعية مسارين تكنولوجيين متميزين تم صقلهما على مدى عقود، بينما يسخر كلاهما من حرارة الألغاز النووية لإنتاج مواد مصغرة لتوليد الكهرباء.

The Fundamentals of Nuclear Fission Energy

إن قلب أي مفاعل نووي حراري هو رد فعل سلسلة الانشطارات الخاضعة للمراقبة، إذ أن النواة الذرية الثقيلة، عادة اليورانيوم - ٥٣٢ أو البلوتونيوم - ٩٣٩، تستوعب نيوترون وتقسم إلى شظايا أخف، وتطلق طاقة هائلة، وتزيد من النيوترونات، ومنتجات الأنياب المشعة، وتُنقل الطاقة بواسطة مفاعل مبرد، وتتحول في نهاية المطاف إلى كهرباء بواسطة تصميمات منخفضة.

ويخدم المبردات دورا مزدوجا: فهي تزيل الحرارة من قلب المفاعل، وتشارك أيضا في بعض التصميمات في الاعتدال النيوتروني، ويعرف التفاعل بين الموصل والمبرد الاقتصاد النيوتروني للمفاعل - توازن إنتاج وخسارة النيوترونات، ويتيح اقتصاد النيوترونات العالي تشغيل المفاعل على الوقود بمحتوى انشطاري منخفض، مثل اليورانيوم الطبيعي، بينما يتطلب الاقتصاد المنخفض المغذي اليورانيوم المثرى التعويض عن الفقرتان

داخل المفاعل: التصميم والعملية

ويحتوي مفاعل CANDU، الذي تولت قيادته الطاقة الذرية في كندا المحدودة في الخمسينات والستينات، على مفاعل مائي ثقيل مضغط يستخدم أكسيد الديوتريوم (D) الذي يحتوي على أنبوب موصل حراري مطوّر مطوّر، وهو جهاز موصل حراري مُحاط، وهو أكثر سمات مُميزة هو تصميم قناة الوقود الأفقية واحدة،

أما الوقود المستخدم في وحدة مكافحة الأسلحة الكيميائية فهو ثاني أكسيد اليورانيوم الطبيعي (UO2) في شكل حزم قصيرة تبلغ حوالي 0.5 متر، وكلها تحتوي على 28 أو 37 عنصراً، ولأن المياه الثقيلة تستوعب عدداً قليلاً جداً من الوقود النيتروني مقارنة بالماء العادي، فإن الاقتصاد النيوتروني في هذه الهيئة يستحيل معه الحفاظ على رد فعل أفقي في مفاعلات غير مخدرة.

وتكلفة المياه الثقيلة باهظة وتتطلب بنية أساسية إنتاجية كثيفة رأسمالية - تكلفة D2]O يمكن أن تتجاوز 300 مليون دولار لمصنع واحد، غير أن تبسيط وقود اليورانيوم الطبيعي والقدرة على استخدام مختلف دورات الوقود - بما في ذلك الهرمونات، واليورانيوم المستعادة من إعادة المعالجة، بل وحتى وحدات التخصيب ذات القيمة الكاملة، قد تطورت مرونة استراتيجية في باكستان، بما في ذلك كوريا.

داخل مفاعل المياه المضلل: التصميم والعملية

٢٥٠ في المائة من مفاعلات المياه المضغطة هي أكثر أنواع المفاعلات النووية انتشارا، وهي تمثل ثلثي القدرة النووية التشغيلية في العالم، وتتكون مصممة PWR من الولايات المتحدة كتكثيف للدفع البحري، ثم ترتفع فيما بعد لتوليد الكهرباء التجارية من جانب ويستنغهاوس وبائعين آخرين، وفي بروتاس، فإن المياه العادية )الضوء( تستخدم كمبردة ومعالجة، ولكنها تحتفظ بدرجات عالية من الضغط)٥(.

ونظراً لأن المياه الخفيفة تستهلك كميات أكبر من المياه الثقيلة، فإن الإثراء إلزامي للحفاظ على الأهمية، فالضغط المرتفع على حلقة التبريد الأولية ينقل الحرارة من القاع إلى المولدات البخارية، التي هي مبادلات حرارية كبيرة، وفي المولدات البخارية، تنتقل الحرارة من المياه الأولية إلى حلقة ثانوية تغلي فيها المياه عند الضغط المنخفض، وتنتج البخار الذي يحرك الترسبات المشعة.

وقد تطورت [العمليات] الخاصة بأجهزة إعادة التأهيل عن طريق أجيال متعددة، مع تصميمات موحدة، ومواد محسنة التصنيع، وخبرة تشغيلية واسعة النطاق، ويعتمد نهج أمانها اعتماداً كبيراً على إعادة التكرار والتنوع: نظم التبريد الأساسية المتعددة للطوارئ، وهياكل الاحتواء الكبيرة، وملامح الخفض الحرارية الناشطة، ويحدث الوقود عادة كل 12 إلى 24 شهراً أثناء فترات التوقف المقررة، ويحتاج فيه الثلث إلى نصف حجم الضغط الإجمالي العالمي.

مقارنة بين المُتَحدِّدين والبدّالين: الماء الثقيل ضد الماء الخفيف

والخيار بين المياه الثقيلة والمياه الخفيفة هو المفرق الأساسي بين وحدة مكافحة التخصيب وأجهزة الاستيعاب ذات القدرة المنخفضة على التحلل الحراري، وهو ما يمثل ميزة كبيرة في الاقتصاد النيوتروني، مما يتيح مباشرة استخدام وقود اليورانيوم الطبيعي واستخدام الوقود بصورة استثنائية.

وعلى النقيض من ذلك، فإن المياه الخفيفة غير مكلفة ومتوافرة على نطاق واسع، وهي تمثل عددا أقل من التحديات التي تواجه مراقبة الثلث في إطار التشغيل العادي، وتحقق هذه المركبات اقتصاداً جديداً مقبولاً من خلال تخصيب اليورانيوم، ويعتمد على صناعة إثراء ثابتة تتباين من الناحية التكنولوجية من الانتشار الغازي وإثراء الطاردات المركزية إلى أساليب متحركة مثل نظام SILEX.

وقود المركبات: اليورانيوم الطبيعي ضد اليورانيوم المثرى

وفي إطار عملية إعادة إنتاج الوقود، يمكن أن تؤدي إلى زيادة كبيرة، حيث إن الوقود الطبيعي لليورانيوم المضغوط في كندا يبسط من البداية: فلا حاجة إلى محطات للتخصيب، ويقلل من رأس المال والهياكل الأساسية الحساسة للانتشار، ويحولها إلى الوقود المستخدم في اليورانيوم ()(2)، ويكفي إنتاج الوقود، مما أدى إلى اجتذاب الدول التي تسعى إلى الحصول على الطاقة من خلال دورة الوقود المحترقة.

ويحتاج الوقود من نوع PWR إلى اليورانيوم المخصب، ومشغلي ربط لسوق التخصيب، ولكن يسمح بزيادة إنتاج الطاقة لكل تجمع للوقود، ويزيد الاحتراق في تكنولوجيات الغازات العضوية الثابتة الحديثة التي تقترب من 60 غيغاواط/تي أوكسيداً للوقود في فترة أطول، ولكن إعادة الوقود باستخدام الباتش يفرض تحديات في مجال إدارة التفاعل، مثل الحاجة إلى صومب ملوث في مبردات التحكم في القدرة على التفاعل على المدى الطويل.

إعادة الإمداد بالوقود والتشغيل

ومن أبرز الفروق التشغيلية التي تميزت بها هذه الوحدة إعادة تزويدها بالوقود، إذ أن القدرة على استبدال كل مجموعة من أنواع الوقود بينما يولد المفاعل الكهرباء تؤدي إلى توزع مسطح جدا على مر الزمن وإلى تحسين التوحيد في مجال حرق الوقود، كما أنها تعزز المرونة التشغيلية: إذا ما تم اكتشاف مجموعة من الوقود المعيبة، فإنه يمكن إزالتها دون إغلاق الوحدة، كما أن إعادة الإمداد بالوقود في الفضاء الخارجي تؤدي إلى خفض الحاجة إلى زيادة تدريجية في الناتج.

ويجب على مؤسسات إعادة التأهيل، التي تزود بالوقود أثناء فترات التوقف المقررة، أن تحدد التغيرات في الوقود وأن تقبل منحنى أكثر تعقيدا لإدارة التفاعل على دورة الوقود، غير أن انقطاع الطلاء بالوقود يمكن أن يقترن بتعهدات وفحص رئيسية، مع التركيز الفعال على وقت التعطل، كما أن الأساطيل الحديثة لشبكات المعدات ذات القدرة على العمل قد بلغت أقل من أسبوعين إلى ثلاثة أسابيع كل 18 شهرا، مما يؤدي إلى تحقيق عوامل قدرة مماثلة للوقود على المدى الطويل.

نظم السلامة والتخفيف من حدة الحوادث

وتشتمل محطات التدوير على طبقات متعددة من مواد الدفاع المتعمقة، وتشتمل محطات الإنقاذ على نظامين مستقلين من نظم وقف العمل السريع، وهما عادة ما تحتويان على قضبان مقفلة وحقن سم النيوترونات السائلة (مثل نترات الغادولينيوم)، وكل منهما قادر على إنهاء تفاعله بصورة مستقلة، ويعمل نظام الموصلات كغلاف حراري، وفي قنوات التداول الثقيلة التي تستهلك فيها كميات من الوقود.

وتعتمد عمليات إعادة التأهيل على نظم الحقن العالية الضغط، والمتراكمات، والترفيه المنخفض الكساد لإبقاء اللبّي مغطى بالماء في تسلسل الحوادث، ويرمي بناء الاحتواء الكبير إلى تحمل الضغط الداخلي وجمع أي منتجات انشطارية مسرّبة، وقد أدى وضع سيناريوهات انقطاع محطات الكهرباء، حيث تُفقد الطاقة الحالية المتناوبة، إلى إدماج نظم التبريد السلبية في تصميمات الجديدة لعام 2011(10).

وللمقارنة التفصيلية للتقدم المحرز في الحوادث، تقدم الوكالة الدولية للطاقة الذرية تقارير شاملة عن السلامة النووية ، تبين تحليل السلامة المحدد لمختلف أنواع المفاعلات، وتمنح قنوات الوقود الأفقي التابعة للجنة الخدمة المدنية الدولية والموصلة المنفصلة عنها فترة سماح فريدة في محطة تسودها؛ غير أن مخاطر إطلاق التريتيوم الثقيلة المتصلة بالمياه تتطلب نظماً قوية للتهوية وضوابط تشغيلية.

اعتبارات الانتشار النووي والضمانات

ومن منظور عدم الانتشار، يخضع كل من نوع المفاعلين لضمانات دولية صارمة تديرها الوكالة الدولية للطاقة الذرية، وينتج استخدام اليورانيوم الطبيعي وتردد إعادة الوقود في كل مرة أن الوصول إلى فرادى أنواع الوقود مستمر، وتحتوي الحزم المشع على البلوتونيوم، غير أن المفاعلات ذات القدرة العالية على الانتشار تحتوي على نسبة عالية من الأسلحة المسببة للتآكل في البوليتات، كما أن مفاعلات أخرى من المواد الحرارية،

ويمكن أن تنتج هذه المركبات، التي تعمل بوقود اليورانيوم المنخفض التخصيب ودورات الإشعاع الطويلة، البلوتونيوم الذي يرتفع فيه مستوى استخدام الأسلحة إذا ما تم تشغيله بطريقة مكرّسة، ولكن الجوهر بأكمله يرد في سفينة مقفلة تخضع لمراقبة الضمانات، ويمكن أن تعتمد الضوابط والأختام التي تقوم بها الوكالة، بالاقتران مع الرصد عن بعد، على التحويل الفعال، وبما أن كلا التصميمين يمكن تكييفهما من أجل دورة الوقود المغلقة، فإن البنية التحتية لمقاومة الانتشار ستتوقف على أكثر من 1 إلى 1 إلى 1

العوامل الاقتصادية والتشييدية

وقد جرت مناقشة اقتصاديات الشركة ضدها منذ فترة طويلة، إذ إن عدم وجود سفينة ضغط كبيرة في كندا والاعتماد على العديد من أنابيب الضغط الفردية التي تستخدم في إطار مقياس أصغر يسمح تاريخياً بالصناعة في البلدان التي لا تتوفر فيها قدرات كبيرة على التوليد، مما قد يقلل من الاعتماد على عدد قليل من الموردين العالميين، كما أن التخلف الخرساني وإعادة الوقود في الطاقة الكهربائية يسهمان في عوامل عالية القدرة، غير أن تكلفة المياه الثقيلة تصل إلى حد أقصى.

وتستفيد عمليات إعادة التأهيل من التوحيد العالمي الهائل: فسلسلة الإمداد بالشيخوخة الكبيرة، ومولدات البخار، والداخليات المفاعلات، ونتيجة لذلك، فإن تصميمات الفريق الثالث + PWR الأخيرة قد أكدت على البناء النموذجي وخفضت العمالة في الموقع، ومع ذلك، فإن معدلات القدرة التنافسية الجديدة على إنتاج الأسلحة الكيميائية في الغرب قد شهدت تصاعدا كبيرا في التكاليف، ولا سيما عندما تظهر تحديات هندسية من المستوى الأول.

إدارة النفايات والتخلص منها

أما الوقود النووي المتسرب من الاتحاد الروسي والمؤسسة السويدية للإنشاء والتعمير فهو نفايات عالية المستوى، وإن كانت الأحجام والخصائص تختلف، فمفهوم التصريف المخفض للوقود في كندا (من 7 إلى 10 إلى 10) الذي يستهلكه كل من المستودعات المائية في كندا، هو نفس الكم من المواد الكيميائية التي تستهلكها الطاقة في كندا.

كما أن استراتيجيات وقف التشغيل تنخفض قليلاً، إذ أن تصميم وحدة الاتصال المتعددة القنوات يتيح تفكيكها تدريجياً، حيث يمكن أن يتم تفريغ الأنابيب الفردية، وأنبوب المياه الثقيلة تستنفد بسهولة نسبياً، وتسفر عناصر الكبريتية المنخفضة عن مواد هيكلية أقل نشاطاً من وعاء ضغط ذي جدران سميكة، وتحتوي سفن الضغط على نشاط إشعاعي مستحث من التعرض للناقل، مما يستوجب تجزؤاً دقيقاً، ومع ذلك إدارة التوافق في الآراء.

النشر العالمي والاتجاهات المستقبلية

وتهيمن عمليات إعادة التأهيل على الأسواق العالمية، ولا سيما من خلال تصميمات من ويستنغهاوس، ومؤسسة التنمية الأوروبية، ومؤسسة روزاتوم، والبائعين الصينيين، وتختار المفاعلات الجديدة على نحو ساحق، أجهزة إعادة التأهيل المتطورة، وذلك بسبب المألوف، أو سوابق الترخيص، وأطر تنظيمية راسخة، بينما تعمل مفاعلات الاتحاد الوطني للاستهلاك النووي، التي تُستخدم في عدد أقل من الوحدات العاملة أو قيد البناء، في بلدان متعددة، وتُستخدم تكنولوجياها في مجال الإنتاج.

وتشتمل مفاهيم المياه الثقيلة المتقدمة على سمات السلامة السلبية وتهدف إلى زيادة مرونة دورة الوقود، وتشمل اهتمام كندا بالمفاعلات النموذجية الصغيرة، والتصميمات المزودة بموجات ثقيلة من المياه، مثل مفاعلات الملح المدمجة، وكذلك معدلات ترددات المياه الخفيفة.

خاتمة

ونظرا لأن اتحاد البلدان الجزرية الصغيرة النامية ومفاعلات المياه المضللة ليست منافسة بقدر ما تعتمد الحلول التكميلية التي تولد من استراتيجيات وطنية مختلفة، وملاجئ الموارد الطبيعية، والقدرات الصناعية، فإن موصلات الطاقة الثقيلة ودورة وقود اليورانيوم الطبيعي التي تعتمد عليها كندا توفر كفاءة النيوترونات ومرونة الوقود التي تقلل من الاعتماد على الإثراء، بينما تولد كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية.