Table of Contents
مقدمة: إعادة التفكير في استدامة اليورانيوم
إن الطلب العالمي على الطاقة ما زال يرتفع، كما أن الطاقة النووية توفر مصدراً كثيفاً منخفض الكربون للكهرباء المحملة على أساس القاع، ومع ذلك فإن الوقود الذي يزود معظم المفاعلات - اليورانيوم - 235 - مما يزيد عن 1 في المائة من اليورانيوم الذي يحدث بصورة طبيعية، ولا تستخرج مفاعلات المياه الخفيفة التقليدية سوى جزء من تلك الطاقة، مما يزيل الـ 99 في المائة المتبقية من النفايات.
وتبحث هذه المادة ميكانيكيات تكنولوجيا التوليد السريع، وتأثيرها الفعلي على استخدام اليورانيوم، والتحديات الحالية في مجال النشر، والتوقعات المتعلقة باقتصاد عالمي للتوليد، وتستفيد المناقشة من البيانات المستمدة من الرابطة العالمية النووية والوكالة الدولية للطاقة الذرية لتوفير تقييم واقعي لدور القوات المسلحة الرواندية في استدامة الموارد.
ما هي المفاعلات السريعة؟
"النيوترون سبكتروم"
وفي مفاعل حراري تقليدي، تباطأ النيوترونات بالماء أو بالغرافيت المزودة بمحرك منخفض لزيادة احتمالية اليورانيوم - 235، كما أن مفاعلات التوليد السريعة تفصل مع الموصل تماماً، كما أن تفاعل سلسلة النسيج يتواصل بواسطة الطاقة العالية الطاقة، أو النيوترونات " الأوفر " التي يمكن أن تتفاعل مع اليورانيوم - 238 لتحويله إلى مبيد بلوتونيوم - 239.
الاتحادات الأساسية والبلانكتية
ويحتوي جوهر المادة FBR على وقود مختلط من أكسيد البلوتونيوم وثاني أكسيد اليورانيوم المستنفد، ويحتوي هذا الجوهر على بطانية من مواد الأسمدة، وهي عادة مادة من اليورانيوم - 238 (المتأتي من ذيل التخصيب) أو في بعض الأحيان من ثاني أكسيد البلوتون، ويلتقط مفاعل التحلل الضوئي من القاع إلى البطانية بواسطة مفاعل ثاني أكسيد اليورانيوم - 239.
نسبة وزمن مزدوج
والمقياس الرئيسي هو نسبة التوالد - كمية المواد الانشطارية التي تنتجها مقسومة بالمبلغ المستهلك، ويعني ارتفاع نسبة المفاعل عن 1.0 أن المفاعل يخلق وقوداً أكبر مما يحرق، وأن تصميمات الفلوروكربون المبكر حققت نسباً تتراوح بين 1.2 و1.4، ويشير " الوقت المزدوج " إلى المدة التي يستغرقها جمع ما يكفي من المواد الانشطارية الإضافية لبدء مفاعل آخر مطابق.
كيف تأثير الـ"إف بي آر" على موارد اليورانيوم؟
تحسين استخدام اليورانيوم
أما المفاعلات الحرارية التقليدية فتحرق نحو 0.5 إلى 1 في المائة من الطاقة المحتملة في اليورانيوم الملغوم، أما بقية المفاعلات فتظل في الوقود المستهلك كعوامل مغايرة لليورانيوم - 238، ومنتجات الانشطار، إذ يمكن تحويل اليورانيوم - 238 إلى البلوتونيوم، ثم تلفيق البلوتونيوم، فإن الفلوروكربونات يمكن أن تستخرج ما يقرب من 60 إلى 70 في المائة من الطاقة الواردة في تقديرات اليورانيوم الأصلي، وهذا يمثل زيادة فعالة في الموارد المقدرة من الطاقة من اليورانيوم - 100-باء.
مدى الحياة المحجوزة المعروفة
ويبلغ مجموع موارد اليورانيوم القابلة للاسترداد في الوقت الحاضر نحو ٦,١ مليون طن، وهو ما يكفي لتغذية أسطول من الجيني الحالية لمدة ٩٠ سنة تقريبا عند معدلات الاستهلاك الحالية، ويمكن أن يوفر نفس كمية اليورانيوم الوقود لأكثر من ٠٠٠ ٥ سنة، على افتراض أن إعادة المعالجة وإعادة التدوير تنفذ تنفيذا كاملا، وعلاوة على ذلك، فإن الودائع المنخفضة الرتبة، بل واليورانيوم من مياه البحر تصبح قابلة للاستمرار اقتصاديا عندما يمكن أن تمتد طفرة من اليورانيوم الطبيعي إلى عشرات من الطاقة.
الأثر على التعدين وخط النصيب البيئي
ويترجم انخفاض الطلب على اليورانيوم الجديد مباشرة إلى تعطلات أرضية أصغر، وانخفاض استهلاك المياه، وتوليد ذيول أقل إشعاعاً من التعدين والطاحن، وبالتالي فإن التحول إلى عمليات إعادة البناء لا يؤدي إلى إطالة توافر الموارد فحسب، بل يؤدي أيضاً إلى تخفيف العبء البيئي المتصاعد لدورة الوقود النووي، إلى جانب إعادة المعالجة المتقدمة، فإن عمليات إعادة تصميم السفن تتيح دورة مغلقة تقريباً يخفض فيها حجم النفايات العالية المستوى التي تتطلب التخلص الدائم بعامل 10 أو أكثر.
دورة الوقود المغلقة: إعادة المعالجة وإعادة التدوير
كيف يصبح الوقود المُتَزَوَّلَ وقوداً ثانيةً
وفي دورة الوقود المغلقة، وبعد أن يتم تفريغ المواد الشاملة وبعض الوقود الأساسي من مفاعل تصنيع مركب، يتم إرسالها إلى مصنع لإعادة المعالجة، حيث يتم فصل البلوتونيوم واليورانيوم عن منتجات الإنشطار باستخدام عمليات مثل إنتاج PUREX (استخراج اليورانيوم من البلوتونيوم) وتختلط البلوتونيوم المسترد مع اليورانيوم المستنفد لخلق وقود متجدد لبديل FBR.
ومن الجدير بالذكر أن روسيا وفرنسا والمملكة المتحدة واليابان قد عملت على إعادة التجهيز التجاري لعدة عقود، ولا سيما بالنسبة لوقود النفط المستنفد، مما يجعل توسيع البنية الأساسية لدعم عمليات إعادة البناء المسببة للمركبات خطوة منطقية، وإن كانت كثيفة رأس المال، الخطوة التالية، وتدعم الوكالة البحث في تكنولوجيات " التجزئة والتحول " التي من شأنها أن تزيد من تخفيض النفايات التي طال أمدها بفصل المواد الخامية الطفيفة وإحها في المفاعلات السريعة.
تخفيض النفايات النووية
ومن أكثر الفوائد التي تجنيها القوات المسلحة الرواندية قدرة هذه القوات على حرق العناصر التي تستخدم عبروراني منذ فترة طويلة (البلوتونيوم، والأمريكيوم، والكوريوم) والتي تهيمن على السمية الإشعاعية الطويلة الأجل للوقود المستهلك من الأراضي الملوّثة، ومن خلال إعادة تدوير هذه النظائر بصورة متكررة في تدفق سريع للزئبق، فإنها تُخفّض إلى منتجات الألياف الأقصر طولا.
البلدان التي لديها مخزونات متزايدة من البلوتونيوم المدني المنفصل عن بعضها البعض - مثل المملكة المتحدة واليابان - انظر FBRs كطريقة لتحويل المسؤولية الباهظة التكلفة إلى أصل للطاقة، وقد بدأت روسيا بالفعل تحميل وقود موكس الذي يحتوي على البلوتونيوم من الرؤوس الحربية النووية المفككة إلى مفاعلها السريع BN-800، مما يدل على الفوائد المزدوجة لخفض النفايات وتوسيع نطاق الموارد.
التحديات والقيود
العقبات التقنية
إن تشغيل مبردات النيترونات السريعة والصوديوم السائل يمثل تحديات هندسية فريدة، إذ إن الصوديوم يتفاعل بقوة مع المياه والهواء، مما يتطلب عقداً معقوداً من حلقات التبادل الحراري الوسيط لمنع الاتصال، ويجب أن تكون السفينة المفاعلات والرقبة متماسكة بدرجة عالية وقصف النيوترونات على مدى عقود، بينما لا تزال المواد المشغلة للوقود التي تقاوم التفشي والتهز.
ألف - الرؤية الاقتصادية
أما مفاعلات التوليد السريع فهي أكثر تكلفة بكثير لبناءها من الأراضي المزروعة، إذ إن تكلفة رأس المال لكل كيلوواط ساعة يمكن أن تكون أعلى بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى نظم الصوديوم والمواد المتخصصة، والحاجة إلى مصنع لإعادة المعالجة في الموقع أو بالقرب منها، ولكي تكون اقتصادات المولد مواتية، يجب أن تكون أسعار اليورانيوم مرتفعة بما يكفي لتبرير الاستثمار الإضافي في إعادة تدوير الوقود، ومن الناحية التاريخية، فإن أسعار اليورانيوم المنخفضة قد تثبطت
مخاطر الانتشار
وتعالج عمليات إعادة البناء والتصنيف المرتبطة بها البلوتونيوم في شكل منفصل، مما يثير شواغل تتعلق بالانتشار، ويمكن استخدام البلوتونيوم المفصَّل في الأسلحة النووية إذا ما حوّلت أو سرقت، كما أن تكنولوجيات إعادة المعالجة المتقدمة التي تحافظ على البلوتونيوم المختلط مع النظائر الأخرى، يجب أن تكون قيد التطوير، ولكنها تُحدث تعقيدا وتكلفا إضافيا، كما أن ضمانات لدورات الوقود السريعة للمفاعلات يجب أن تكون قوية وقابلة للتحقق على الصعيد الدولي.
Global FBR Programs and Status
روسيا: القائد في عمليات المفاعل السريع
ولدى روسيا أكثر برامج المفاعلات سرعة نشاطا، حيث بدأ تشغيل المفاعل السريع المزود بأجهزة الصوديوم (SFR) الذي يبلغ معدل توالده 0.8 إلى 1.0، بصورة موثوقة منذ عام 1980 في محطة بلويارسك للطاقة النووية، كما بدأ تشغيل المفاعل الأكبر من طراز BN-800 (880 MWe) في عام 2016، وهو مرخص باستخدام كل من وقود الموكس وقود اليورانيوم - البلوتونيوم.
الهند: التركيز على كفاءة ثوريوم وأورانيوم
(ب) إن عمليات إنتاج الغازات المحتوية على اليورانيوم محدودة ولكن هرمونات الوفر، ويتوخى برنامجها النووي الثلاثي المراحل الأولى من مركبات الهيدروكربون المشبع بالفلور، وثاني طراز FBR، ومفاعلات ثوريوم من الدرجة الثالثة، ويُتوقع أن تحقق في نهاية المطاف نسبة الوقود المزود بمقياس ثنائي الفينيل متعدد البروم (الثانية والخامسة والثلاثون)
الصين: التوسع العدواني
وتدير الصين مفاعلين تجريبيين سريعين: المفاعل التجريبي السريع الصيني، ٦٥ ميغاواط، وهي بصدد تطوير مفاعل التظاهرة CFR-600، ويهدف CFR-600 إلى نسبة توالد تبلغ ١,١-٢ وسيشكل الأساس لأسطول تجاري، كما أن الصين قد شاركت مع روسيا في تصميم BN-800، وهي تسعى إلى تحقيق مفاهيم سريعة للتوسع في الطاقة، وهي تمثل مفاعلا للطاقة يبلغ طوله ٥٣١.
اليابان، وكوريا الجنوبية، وأوروبا
وقد عانى نموذج مونجو الياباني )٢٨٠ ميغاواط( من النكسات التقنية والتنظيمية، وكان مغلقا بصورة دائمة في عام ٢٠١٧، غير أن اليابان تحتفظ بقدرات البحث والتطوير الشامل وتقوم بتقييم تصميمات المعايير المالية الخاصة في المستقبل، وقد قامت كوريا الجنوبية بتشغيل أعمال التصميم المفاهيمية التي تقوم بها شركة KALIMER-600، ولكن ليس لديها خطط بناء فورية، وفي أوروبا، توقفت شركة فرنسا للقوى العاملة في مجال إنتاج المواد الكيميائية من أجل مكافحة التلوث الصناعي)١٩(.
المستقبل: هل لدى (سبست بريدرز) دور؟
التآزر مع المفاعلات النموذجية الصغيرة والوقود المتقدم
ويجري تطوير مفاعلات سريعة نموذجية صغيرة تهدف إلى خفض تكاليف رأس المال من خلال نسيج المصنع ونظم الأمان الأكثر بساطة، ومن الأمثلة على ذلك وحدة تجديد المواد الصغيرة التي تعمل بمفاعلات الطاقة، وجهاز " ويستنغهاوس " للتجهيز السريع، وإذا كان بإمكان هذه التصميمات تحقيق التكافؤ في التكاليف مع أجهزة إعادة تصميم النفايات، مع الاحتفاظ بقدرة عالية من الوقود، فإنها يمكن أن تعجل عملية النشر.
ويُعامل الاهتمام المتزايد بنُهج " الاقتصاد العلماني " فيما يتعلق بالطاقة النووية - حيث يُعامل الوقود المستهلك كمورد لا كسلف مستهلكة، مع تكنولوجيا FBR..
الاحتياجات السياساتية والمؤسسية
ويتطلب تحقيق فوائد استدامة الموارد من مصادر القدرة على مواجهة الطوارئ أكثر من تكنولوجيا المفاعلات، وهو يتطلب بنية أساسية متكاملة لدورة الوقود: مصانع إعادة المعالجة، ومرافق تصنيع موكس، ومحطات لتهوية النفايات، وجميعها تعمل في ظل معايير صارمة للسلامة والأمن، ويجب على الحكومات أن توفر سياسات مستقرة طويلة الأجل، بما في ذلك أسعار الكربون أو أرصدة الطاقة النظيفة، للتعويض عن ارتفاع التكلفة الأولية للمنتجين، ويمكن أن يساعد التعاون الدولي على المواءمة التنظيمية، والضمانات، وإدارة المخاطرة.
وتصبح الإمكانات العالية المستوى لخفض النفايات في جمهورية الكونغو الديمقراطية جذابة بوجه خاص للبلدان التي لديها مخزونات كبيرة من الوقود المستهلك، فعلى سبيل المثال، يوجد لدى الولايات المتحدة أكثر من 000 80 طن متري من الوقود المستهلك المخزن في مواقع المفاعلات؛ ونشر المحرقات السريعة (المفاعلات ذات نسب التوالد < 1.0 but optimised for waste incineration) could consume the transuranics, leaving only fission products for disposal. While the U.S. has no active FBR programme, the ) وإدارة برنامج التسريح المتطور للطاقة تشمل تكنولوجيات سريعة الصنع ضمن مفاهيمها.
الاستنتاج: جسر إلى تحقيق الاستدامة القصوى؟
ومفاعلات التوليد السريعة ليست رصاصة سحرية لجميع التحديات المتعلقة بالطاقة النووية، ولكنها هي الخيار الأكثر نضجا من الناحية التقنية لتحسين استدامة موارد اليورانيوم بشكل كبير، إذ أنها من خلال فتح الطاقة في اليورانيوم - 238، تحول ما هو مخلف حاليا إلى وقود، وتوسيع قاعدة الموارد الفعالة حسب أوامر الحجم، كما أنها تقلل من حجم النفايات العالية المستوى وسمية التخلص منها، مما يخفف العبء على المستودعات الجيولوجية.
وما زالت العقبات الرئيسية قائمة على الصعيدين الاقتصادي والمؤسسي، إذ أن ارتفاع تكاليف رأس المال، والحاجة إلى إعادة المعالجة الأساسية، والشواغل المتعلقة بالانتشار قد أبطأ الانتشار إلى زحف خارج روسيا والهند، ومع أن أسعار اليورانيوم ترتفع حتماً، وتزايد الضغط على إزالة الكربون، تصبح الكفاءة المتأصلة في عمليات إعادة البناء أكثر جاذبية، ومع الدعم المناسب في مجال السياسات واستمرار التقدم الهندسي، فإن المفاعلات السريعة يمكن أن تحول في نهاية المطاف دورة الوقود النووي العالمية من نموذج ذي قبل إلى حلقة مغلقة مستدامة،