إثراء اليورانيوم وقابلية استدامة دورة الوقود النووي

The Energy Imperative and the Nuclear Fuel Cycle

إن هيكل الطاقة العالمي يقف عند مفترق طرق، إذ يتعين على الأمم التي تسعى إلى تحقيق أهداف صافية للانبعاثات من الطاقة أن تسوي الحاجة إلى كهرباء ثابتة موثوقة ومرسلة ذات طابع متقطع من الرياح والطاقة الشمسية، فالطاقة النووية، التي تولد الطاقة من خلال الانشطار، توفر طاقة عالية القدرة على توليد الطاقة الكهربائية خالية من انبعاثات الكربون أثناء التشغيل، غير أن استدامة الطاقة النووية ترتبط ارتباطا وثيقا بدورة التخصيب الكاملة التي تدعمها، بدءا بعملية الارتفاع التقني - 2.

الحاجة دون العسكرية: لماذا الإثراء مطلوب

ويتكون اليورانيوم الطبيعي، كما هو مستخرج من الأرض، من نظائر تقريباً هي: حوالي 99.27 في المائة من اليورانيوم-238 (U-238)، و0.7.2 في المائة من اليورانيوم-235 (U-235). بينما يكون اليورانيوم-238 خصباً (يمكن تحويله إلى البلوتونيوم)، فإنه لا يسهل إنتاجه بواسطة النيوترونات الحرارية في مفاعلات قياسية تعمل بالطاقة الخفيفة (LWRs).

إن الطاقة اللازمة لتحقيق هذا الفصل الأيزوتيكي هائلة، وتعتمد فيزياء الإثراء على الفرق الكتلي بين اليورانيوم-238 وU-235، وهذا الفرق، الذي يبلغ نحو 1.3 في المائة، ينص على أن تكنولوجيات الفصل يجب أن تكون دقيقة للغاية وأن تكون كثيفة الطاقة.

تكنولوجيات الإثراء: من ديموسيون إلى جبهة الليزر

Gas Centrifuge: The Global Workhorse

وتُستخدم تكنولوجيا الإثراء المهيمنة حالياً في نظام الطرد المركزي للغاز، حيث تُنقَف الغازات الفلورية في المملكة المتحدة بسرعة خارقة في فراغ، وتُدفع هذه الطاردات المركزية إلى جزيئات الـ U-238 التي تُستبدل بالجوائز الخارجية، بينما تُركَّز الجزيئات الخفيفة من طراز U-235 على محور الوسط.

غير أن تكنولوجيا الطرد المركزي ليست بدون عيوب الاستدامة، إذ أن المرافق ذاتها تحتاج إلى كهرباء كبيرة لتسيير الدوارات وتشغيل نظم مراقبة التعاقب المعقد، علاوة على أن التكنولوجيا ذات استخدام مزدوج؛ كما أن نفس التعاقبات المستخدمة في اليورانيوم المنخفض التخصيب يمكن، مع إعادة تشكيل، أن تستخدم لإنتاج اليورانيوم العالي التخصيب (HEU) بالنسبة للأسلحة الذرية.

إثراء اللازر: الكفاءة الإشعاعية، المخاطر الحادة

وتعود التكنولوجيات الناشئة بتغيير اقتصاديات ومشهد الانتشار بشكل أساسي، إذ أن أساليب فصل النظائر، مثل فصل التفاضلات عن طريق عملية " لازر " ، تعتمد على الإهتزازات الذري أو الجزيئية الدقيقة من اليورانيوم-235 باستخدام الترددات الليزرية المأخوذة بالليزر، مما يسمح بأن تكون عملية " U-235 " المحمسة من الناحية الكيميائية أو المادية منفصلة عن الجزء الأكبر من اليورانيوم - 238.

(أ) إن إثراء [المحطة] للأشعة السينية هو احتمال انخفاضه الشديد في استهلاك الطاقة وتكاليف رأس المال؛ وفي حين أن التعاقبات المركزية للطرد تتطلب آلاف الآلات، يمكن لمصنع ليزر أن يحقق من الناحية النظرية نفس الناتج في بصمة أقل بكثير، وهو ما يمثل سيفا مزدوجاً للاستدامة، وفي حين يقلص حجم الطاقة، فإن البصمة الأصغر تجعل عملية الكشف والضمانات أكثر صعوبة بكثير.

التحديات المتعلقة بالاستدامة عبر دورة الوقود

ويتطلب تقييم استدامة تخصيب اليورانيوم النظر إلى ما هو أبعد من مرفق التخصيب نفسه إلى الأبعاد البيئية والاقتصادية والأمنية لدورة الوقود النووي بأكملها.

Environmental Footprint and Energy Payback

وفي حين أن النباتات النووية تعمل خالية من الكربون، فإن المرحلة الأولى من دورة الوقود تولد الكربون أساساً بسبب مطالب الطاقة بالتعدين والطاحن والتحويل والإثراء، وإذا كانت محطات التخصيب تُستخدم في شبكات الوقود الأحفوري، فإن آثارها على البصمة الكربونية، والتحول إلى محطات الطرد المركزي الحديثة، التي تستخدم أقل بنحو 90 في المائة من محطات الانتشار القديمة، كان فوزاً كبيراً في الاستدامة، بالإضافة إلى أن تكنولوجيات التوليد المتقدمة يمكن أن تؤدي إلى زيادة فتح هذه الدراجة.

Waste Stewardship and Geological Disposal

ويتمثل التحدي الأكثر استمراراً في الاستدامة في إدارة النفايات المشعة الرفيعة المستوى، حيث يحتوي الوقود النووي المستهلك على مزيج من منتجات الإشطار (المشعة على نطاق واسع لقرون) والأكسيدات العابرة للوراني (المنشطة الإشعاعية لعشرات الآلاف إلى مئات الآلاف من السنوات) وتُعرّف السياسة الحالية في معظم الدول هذا الأمر بأنه تدفق دائم للنفايات يتجه إلى مستودعات جيولوجية عميقة.

إن مستودع أونكالو في فنلندا هو أول مرفق للتصريف الجيولوجي العميق في العالم، إذ أنه يتكون من الوقود المستهلك في أسطوانات النحاس التي دفنت 450 مترا في أعماق الكريستالات، مصممة لعزل النفايات لمدة مليون سنة، وعلى النقيض من ذلك، فإن التأخيرات في مستودع يوكا للجبال في الولايات المتحدة قد تركت أكثر من 000 80 طن متري من مواقع التزود بالوقود المستهلك المحاصرة في مفاعلات الجافة.

4 - ندرة الموارد والفتح ضد حلقة النقاش المغلقة

ولا تستخدم دورات الوقود الحالية إلا نحو 1 في المائة من الطاقة المحتملة في اليورانيوم الملغوم، أما بقية المواد فتخزن كهدر في شكل وقود مستنفد، وهذا نقص كبير في الكفاءة، إذ أن موارد اليورانيوم وفرة في الأجل القصير (تحدد تقديرات الوكالة الدولية للطاقة الذرية/الكتاب الأحمر لعام 2022 موارد كافية لأكثر من 130 سنة عند الطلب الحالي)، ولكن التوسع السريع في استخدام الطاقة الأرضية المنخفضة التكلفة التقليدية ستخفض هذه الموارد.

(أ) دورة وقود مغلقة تشمل إعادة تجهيز الوقود المستهلك لاسترداد البلوتونيوم واليورانيوم لإعادة استخدام الوقود الجديد (مثلاً، أو أكسيد العجلات المختلط أو وقود المكسو) وتمضي فرنسا وروسيا واليابان في هذا المسار، وتخفض المعالجة حجم النفايات العالية المستوى التي تتطلب التخلص منها وتستخرج طاقة أكبر من اليورانيوم الأصلي أو من حيث الحجم، غير أن مخاطر الانتشار باهظة.

القدرة الاقتصادية على تحمل عبء الديون وكثافة رأس المال

إن الطاقة النووية من بين أكثر تكنولوجيات الطاقة كثافة في رأس المال، وقد شهدت مشاريع جيل كبير + مفاعلات (مثل وحدات الفوغل 3 و4 في الولايات المتحدة، وفلمانفيل 3 في فرنسا، وهاينكلي بوينت جيم في المملكة المتحدة) مليارات الدولارات باستمرار في تجاوزات التكاليف وحالات التأخير المتعددة السنوات، وهذه المخاطر المالية تجعل من الصعب على الأسلحة النووية أن تتنافس مع سرعة انخفاض تكاليف الطاقة المتجددة والغاز، على الرغم من عامل القدرة النووية المرتفع.

وتؤثر تكلفة خدمات التخصيب (أسعار اليورانيوم المستنفد) تأثيرا مباشرا على التكلفة المستقرة للكهرباء من الأسلحة النووية، وتنشأ في سوق متفجرة لليوران، والضغوط الجيوسياسية على إمدادات اليورانيوم (مثلا، سلسلة الحرب بين روسيا وأوكرانيا التي تعطل الإمداد باليوران من TENEX/Rosatom)، والحاجة إلى رأسمال كبير لبناء قدرة إثراء جديدة، كلها تسهم في عدم اليقين الاقتصادي.

مسارات الابتكار: حل معادلة الاستدامة

وتتطلب معالجة تحديات استدامة دورة الوقود النووي الابتكار التكنولوجي والتطور المؤسسي، وتوفر عدة مسارات حلولا ممكنة.

المفاعلات: حرق النفايات

يمكن أن تخفف تصميمات المفاعلات المتقدمة من النفايات والموارد، ومفاعلات الطيف النيوترون السريعة (مثل مفاعل النتريوم من تيرابور، أو مفاعلات الـ (بي إن - 800) يمكن أن تحرق من الوقود المستهلك في مفاعلات الـ (لوس أنجلس) بدلاً من ترك الـ (بلوتونيوم) و (السادس) في مستودع لـ (ميلنيا)

سلسلة الإمداد بالهلويين والتخصيب المتقدم

وكما لوحظ، فإن الثروة إلى منطقة هيلو يو هي عتبة حرجة، إذ أن الإثراء بنسبة 10-20 في المائة مماثل تقنياً للإثراء بنسبة 5 في المائة، لكنه يتطلب تعديلات على سلاسل الطاردات المركزية، ويعرض متطلبات متزايدة من ضمانات الانتشار، وعلى إدارة الطاقة التابعة للولايات المتحدة أن تستثمر في مشاريع إنتاجية تجريبية من قبيل مرفق إنتاج الطاقة الكبريتية في بايكيتون، أوهايو، لكي توفر بنجاح آثاراً متطورة على إنتاج الطاقة.

حلقتان من طراز ثوريوم وقود بديل

إن دورة الوقود في الصخرة تمثل بديلا جذريا لليورانيوم، فالثوريوم - ٢٣٢ هو أكثر وفرة من اليورانيوم بثلاثة إلى أربع مرات، وهو ما يجعل من إنتاجه في الوقت الراهن من المواد الكيميائية ذات القدرة على الصمامات الطويلة المدى، وهو ما يجعل من الممكن أن يؤدي إلى حدوثه، وهو ما يمثل تحديات كبيرة في مجال إنتاج اليورانيوم - ٢٣.

الهجينات المتجددة النووية والهيدروجين الأخضر

كما أن الاستدامة تعني التكامل على مستوى المنظومة، حيث يجري تصميم أو إعادة تصميم النباتات النووية بشكل متزايد من أجل التشغيل المرن، بدلا من تشغيلها على أساس واحد، يمكن للمفاعلات أن تحشد الطاقة وتخفض لتكملة المتجددات المتغيرة، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الحرارة والكهرباء الفائضة من النباتات النووية لإنتاج الهيدروجين الأخضر عن طريق توليد الطاقة الكهرمائية العالية الحرارة، مما يؤدي إلى تآزر في الحالات التي تصبح فيها الطاقة النظيفة والمستقرة من مفاعلات.

تعزيز نظام عدم الانتشار

ولا يمكن لأي قدر من الابتكار التقني أن يضمن الاستدامة إذا كانت دورة الوقود تقوض الأمن العالمي، ويجب أن يضاهي التوسع في تكنولوجيا التخصيب رقابة دولية قوية، ويستهدف نهج الوكالة على مستوى الدولة، مقترنا بتكنولوجيات الضمانات المتقدمة مثل الرصد عن بعد، وأخذ العينات البيئية، وتحليل الصور الساتلية، توفير مسار لإدارة مخاطر الطرد المركزي والليزر، مما يسمح بتقديم مقترحات لمرافق التخصيب المتعددة الجنسيات ومصارف الوقود (حيث يتم توفير خدمات التخصيب على نطاق واسع تحت إشراف دولي).

"محاربة الطريق إلى الأمام"

إن استدامة دورة الوقود النووي، التي تستند إلى العملية الحرجة لتخصيب اليورانيوم، ليست مشكلة ثابتة، بل هي مخاطر دينامية يمكن إدارتها من خلال التكنولوجيا والحوكمة والاستثمار، فالتحديات المتعلقة بالطاقة والنفايات والأمن حقيقية وكبيرة، غير أن الجائزة المحتملة هي أيضاً حقيقية: مصدر للطاقة الكثيفة والموثوقة الخالية من الكربون التي يمكن أن تكمل مصادر الطاقة المتجددة والطاقة للاقتصاد العالمي منذ قرون.

وسيكون العقد القادم حاسما، إذ أن النشر التجاري لإثراء الليزر، وبناء أول سلاسل إمداد عالية الحجم في منطقة هيلو يو، والدليل العملي على المفاعلات السريعة كقاذفات نفايات، وفتح مستودعات جيولوجية عميقة سيحدد ما إذا كان يمكن للطاقة النووية أن تتغلب على أعباءها التاريخية، ويجب على واضعي السياسات والمهندسين والجمهور أن يتعاملوا مع التعقيد الكامل لدورة الوقود - مما يبشر بالخير، مع المطالبة بأعلى معايير الأمان.