إمكانية إعادة تجهيز وإعادة إثراء الوقود النووي المستهلك

إمكانية إعادة تجهيز وإعادة إثراء الوقود النووي المستهلك

فالوقود النووي المستهلك، الذي كثيرا ما يعتبر نفايات، هو في الواقع مورد لا يزال يحتوي على أكثر من 95 في المائة من قيمة الطاقة الموجودة أصلا في وقود اليورانيوم الجديد، وإعادة المعالجة وإعادة التخصيب هي تكنولوجيات تستعيد اليورانيوم والبلوتونيوم غير المستخدم من الوقود المستهلك، وتحوّلهما إلى عناصر جديدة من الوقود، وقد عملت هذه العمليات على مدى عقود في عدة بلدان، مما يتيح مسارا استراتيجيا لخفض حجم النفايات، ويقيم اليورانيوم الطبيعي، ويعزز سياقات الطاقة المحتملة.

ما هو الوقود النووي العنكبوت؟

الوقود النووي المستهلك هو الوقود الذي تم نقله من مفاعل نووي بعد أن لا يمكن أن يحافظ على رد فعل سلسلة بكفاءة، على الرغم من تسميته بـ "مرح" فهو لا يزال مشع جدا ومثير حراريا.

• Uranium-238] (~93-95% by weight) — the fertile isotope that can be converted into plutonium.
• Uranium-235] (~0.8-1.2 في المائة) - النظائر الانشطارية التي تُثبِّت المفاعل، والتي لا تزال موجودة بتركيزات أعلى قليلاً من المستويات الطبيعية.
• Plutonium] (~0.8-1.0%) - أنتجته عمليات الضبط بالنيوترونات في U-238, بما في ذلك إنتاجية Pu-239 و Pu-241.
• Minor actinides] (neptunium, americium, curium) and fission products (cesium-137, strontium-90, technetium-99, etc.) — responsible for most of the radioactivity and heat generation.

وتتطلب النشاط الإشعاعي والحرارة المكثفة تخزين الوقود المستهلك في مجمعات مبردة أو في مقابر جافية لمدة عقود قبل أي مناولة إعادة المعالجة، وتمثِّل إدارتها تحديا رئيسيا لتوسيع الطاقة النووية، لا سيما وأن البلدان تسعى إلى التقليل إلى أدنى حد من مستودعات النفايات الطويلة الأجل.

The Motivation for Re processing and Re-enrichment

وبدلا من معالجة الوقود المستهلك باعتباره نفايات عالية المستوى يمكن التخلص منها، فإن إعادة المعالجة وإعادة التخصيب تتيح استعادة المواد القيمة، وتشمل العوامل الرئيسية التي تؤدي إلى ذلك ما يلي:

• Resource efficiency:] Natural uranium is a finite resource. Re processing and re-enrichment enable the recovery of up to 96% of the remaining uranium and plutonium, significantly extending fuel supplies.
• Waste volume reduction:] Removing uranium and plutonium from spent fuel reduces the volume of high-level waste that requires deep geological disposal by about 80%.
• Decreased long-term radiotoxicity:] Fission products decay within a few hundred years, while plutonium and some minor actinides remain hazardous for hundreds of thousands of years.() Partition and transmutation strategies, enabled by re processing, can reduce long-term hazard.
• Energy security:] Countries with limited domestic uranium resources can become less reliant on imports by recycling their own spent fuel.
• Non-proliferation considerations:] While re processing raises proliferation concerns, advanced safeguards and international frameworks aim to make it safe.

وقد دفعت هذه الدوافع إلى الاستثمار في الهياكل الأساسية لإعادة المعالجة في روسيا وفرنسا والمملكة المتحدة والهند واليابان، ضمن جهات أخرى.

تكنولوجيات إعادة المعالجة

عملية إعادة تنفيذ برنامج الأمم المتحدة الإنمائي

إن عملية " PUREX " (Plutonium and Uranium Recovery by Extraction) هي أكثر تكنولوجيا إعادة المعالجة نضجا تجاريا، وهي تستخدم في الأربعينات سلسلة من خطوات استخراج المذيبات باستخدام الفوسفات ثلاثي البيوتيل في ملوث عضوي، ويُفصل الوقود المستهلك أولا في حمض النتر، ثم يفصل اليورانيوم والبلوتونيوم عن منتجات النسيج وغاز البسيط.

وتوجد مصانع للوقود في لاهاي (فرنسا) وماياك وسيفرسك (روسيا) وسيلافيلد (المملكة المتحدة) وتوكاي (اليابان) وقد جهزت هذه المرافق آلاف الأطنان من الوقود المستهلك على مدى عقود، وهذه التكنولوجيا مجهزة جيدا ولكنها تنتج تياراً من البلوتونيوم النقي يثير شواغل تتعلق بالانتشار، ولمعالجة تلك التدفقات المعدلة مثل ثاني أكسيد الكربون (المعادن لليورانيوم).

تجهيزات المركبات

أما تجهيزات النفط، المعروفة أيضاً بالتجهيز الكهرومغناطيسي، فتستخدم الملح المُستنف والكهرباء لفصل المواد الخاملة من منتجات الإنشاعات، وهي مناسبة بصفة خاصة للوقود المعدني ولمعاملة الوقود من المفاعلات السريعة، ولا تنتج هذه العملية مجرىاً نقياً من البلوتونيوم؛ بل تنتج بدلاً من ذلك مزيجاً من اليورانيوم، والبلوتونيوم، ومعالجات صغيرة من المواد الإشعاعية ذات الانتشار.

الطرق السريعة المتقدمة

وللحد من مخاطر الانتشار وتحسين إدارة النفايات، تجمع العمليات المتقدّمة المتقاربة بين عناصر برنامج " بوركس " وخطوات التقسيم، ومن الأمثلة على ذلك " SANEX " (الإنتقاص من النوايا الجديدة) و " ديامكس " (الانتقال من دياميد) و " غانغيكس " (الاستخلاص من قبل شركة " غروب نايد " )، وهي تعمل في أوروبا، وهي تعمل في إطار برامج بحثية، وترميوم " ، وترميوم " ، وترميوم " ، وترميوم " ، وترميوم " ، وترميوم " ، وهي تعمل في أوروبا " ، وترميدزون " ، وترميوم " ، وترميدز، وترميدز، وترميدزون " ، وترميدزون " ، وترميدز، وترميدزون " ، وترمي إلى فصل " ، وهي تعمل في أوروبا " ، وهي تعمل في أوروبا " ، وهي تعمل في مجال

إعادة إثراء اليورانيوم المسترد

ويحتوي اليورانيوم المعالج على تركيز من اليورانيوم-235 يتراوح عادة بين 0.8 في المائة و1.2 في المائة - مماثل لليورانيوم الطبيعي (0.711 في المائة) ولكنه كثيرا ما يكون أعلى قليلا، غير أنه يحتوي على كميات أثرية من النظائر غير الموجودة في اليورانيوم-232 وU-236.

• U-232] decays into hard gamma emitters (thallium-208), necessitating shielding and remote handling during fuel fabrication.
• U-236] acts as a neutron absorber, reducing the reactivity of the fuel and requiring a slightly higher U-235 enrichment to compensate.

وعلى الرغم من هذه الازدحامات، يمكن إعادة إثراء اليورانيوم باستخدام تكنولوجيا التخصيب بالطرد المركزي والغازي الموحد، وتشمل هذه العملية تغذية اليورانيوم المعالج إلى سلاسل الطاردات المركزية لزيادة تركيز اليورانيوم - 235 إلى مستويات درجة المفاعلات (أي ما يعادل 3.5 في المائة لمفاعلات المياه الخفيفة)، وهناك حاجة إلى رعاية خاصة لتجنب التلوث ونوعية المنتجات، وقد قامت عدة محطات إثراء، بما فيها تلك الموجودة في روسيا وأوروبا، بتجهيز وحدات الريبيو.

ولا تكون إعادة التخصيب دائما قادرة على المنافسة اقتصاديا مقارنة باليورانيوم المنخفض التخصيب من المصادر الطبيعية، ولا سيما عندما تكون أسعار اليورانيوم منخفضة، إلا أنها تصبح جذابة في دورة الوقود المغلقة التي تكون فيها أسعار اليورانيوم مرتفعة، وتوضع تكاليف التخلص منها في الداخل، أو يتم تحديد أولويات أمن الطاقة.

الانتشار العالمي وقطعة السياسة العامة

فرنسا

فرنسا تعمل على دورة الوقود المغلقة بالكامل، ويرسل الوقود المستعمل من مفاعلاتها الـ 56 إلى مصنع لاهاي لإعادة المعالجة (يشغله أورانو) ويستخدم البلوتونيوم المسترد لصناعة وقود أكسيد مختلط، الذي يُحمل بعد ذلك إلى حوالي 30 في المائة من مفاعلات فرنسا، ويخزن اليورانيوم المعاد تجهيزه أو يُرسل لإعادة التخصيب في روسيا.

روسيا

لدى روسيا خبرة واسعة في إعادة التجهيز بدءاً بإنتاج البلوتونيوم العسكري مصنع RT-1 في مفاعلات إعادة تصنيع الماياك المستنفدة من مفاعلات V-40، والمفاعلات البحرية ومفاعلات البحوث في سيفرسك، منشأة جديدة كبيرة لإعادة المعالجة تعمل على تجهيز الوقود VVER-1000، وتقوم روسيا أيضاً بتطوير المفاعل السريع لمحطة BREST

اليابان

اليابان تتابع منذ وقت طويل دورة وقود مغلقة لتستخدم مواردها المحدودة من الطاقة، وهي تعمل حالياً في محطة صغيرة لإعادة المعالجة في توكاي، وهي تكلف محطة كبيرة لإعادة تجهيز روكاششو (800 طن/لتر) وتستهدف البلوتونيوم المستعاد من صنع وقود موكس، مع استكمال مصنع موكس في روكاشو، ومع ذلك، فإن التأخيرات التشغيلية والتخلّص التدريجي من المواد النووية في اليابان ما بعد فوكوشيما ما زالت تباطأ.

المملكة المتحدة

وقامت المملكة المتحدة بتشغيل محطة إعادة المعالجة الحرارية للأوكسيد في سيلافيلد من عام 1994 إلى عام 2018، حيث قامت بمعالجة أكثر من 000 7 طن من وقود أكسيد الأوكسيد للعملاء المحليين والأجانب، ويجري حالياً وقف تشغيل المصنع، كما أعادت المملكة المتحدة تجهيز وقود المغنوكس في سيلافيلد، وبإغلاق برنامج " تيورب " ، حول تركيزها إلى التخلص المباشر من الوقود المستهلك، وإن كانت تحافظ على نقله تدريجياً.

الولايات المتحدة

ولم تجهز الولايات المتحدة الوقود المستهلك التجاري منذ السبعينات، عندما أوقف الرئيس كارتر الممارسة التي تشير إلى مخاطر الانتشار، ومنذ ذلك الحين، تابعت الولايات المتحدة دورة وقودية ذات مرة، مع التخلص الجيولوجي المباشر في جبل يوكا (المهجورة الآن)، غير أن البحث عن تكنولوجيات التجهيز السريع والمفاعلات السريعة ما زال مستمرا في المختبرات الوطنية، وقد استكشفت مبادرة إدارة الطاقة المتقدمة في مجال تجهيز الأعباء وتحويل النفايات.

الهند والصين

وقد تابعت الهند، باحتياطياتها الكبيرة من الثوريوم واليورانيوم المحدود، برنامجا نوويا من ثلاث مراحل يشمل إعادة تجهيز الوقود المستهلك من مفاعلات المياه الثقيلة المصحوبة، وتعمل الهند في محطة صغيرة من طراز PUREX، وتضع مفاعلات سريعة تحرق البلوتونيوم المسترد في نهاية المطاف، وتتوسع الصين بسرعة في قدراتها على إعادة التجهيز: وهي محطة تجريبية تعمل في غانسو، ويجري تطوير مرفق تجاري كبير )٨٠٠ طن/مر( في مجال إعادة التجهيز النووي.

الاعتبارات البيئية والمتعلقة بالسلامة

ويوفّر إعادة المعالجة وإعادة التخصيب فوائد بيئية واضحة من حيث خفض النفايات، إذ ينتج مفاعل نموذجي يبلغ 000 1 ميغاواط حوالي 30 طنا من الوقود المستهلك سنويا، وبعد إعادة المعالجة، يتقلص حجم النفايات المرتفع إلى نحو 3 أمتار مكعبة من العبوات الزجاجية المهتزنة، مما يقلل مساحة الأراضي اللازمة للتخلص الجيولوجي وما يرتبط بذلك من تكاليف الرصد الطويلة الأجل.

غير أن محطات إعادة المعالجة نفسها تولد نفايات مشعة سائلة وغازية يجب إدارتها بعناية، وتخضع إطلاقات التريتيوم والكربون 14 والكريبتون-85 لضوابط تنظيمية صارمة، وتستهلك العمليات الكيميائية طاقة كبيرة وتنتج مسارات نفايات ثانوية مثل منتجات تحلل المذيبات.

يشكل خطر الانتشار شاغلا رئيسيا: ينتج برنامج " بوركس " مساراً نقياً من البلوتونيوم يمكن تحويله إلى أسلحة، وللتخفيف من ذلك، تحتفظ الضمانات الدولية والتكنولوجيات المتقدمة (العملية الدولية، والتجهيز الحراري) بالبلوتونيوم المختلط مع مواد أخرى من المنشطات أو اليورانيوم، وبالإضافة إلى ذلك، تخضع مرافق إعادة المعالجة لتدابير أمنية ومحاسبية صارمة.

ومن التحديات الأخرى التي تواجه البقاء الاقتصادي، حيث أن تكلفة بناء وتشغيل محطات إعادة المعالجة مرتفعة؛ وتظهر بعض التحليلات أن تخزين الوقود المستهلك مباشرة وإنتظار التخلص منه في المستقبل، ولكن عندما تؤخذ تكاليف المستودعات الجيولوجية، وأسعار اليورانيوم، والخارجيات البيئية في الحسبان، يمكن أن تكون دورة الوقود المغلقة قادرة على المنافسة، وقد قبلت بلدان مثل فرنسا واليابان ارتفاع التكلفة الأولية كاستثمار استراتيجي.

التوقعات المستقبلية ودورات الوقود المتقدمة

وترتبط إمكانيات إعادة المعالجة وإعادة التخصيب ارتباطا وثيقا بتطوير المفاعلات السريعة للجيل الرابع، ويمكن للمفاعلات السريعة أن تحرق العملات الطويلة الأجل التي يتم فصلها عن طريق إعادة المعالجة، وتحويلها إلى منتجات انشطارية قصيرة الأجل، واستخلاص المزيد من الطاقة، وهذه هي رؤية دورة الوقود المغلقة جدا، حيث لا تهدر أي مواد وتخفض المخاطر الإشعاعية إلى بضعة قرون.

ويجري حاليا تطوير عدة تصميمات للمفاعلات السريعة:

• The PRISM (Power Reactor Innovative Small Module) by GE Hitachi, a sodium-cooled fast reactor designed to consume plutonium and minor actinides.
• The ]BN-1200] in Russia, a large sodium fast reactor being built for full fuel recycling.
• ALLEGRO ] demonstrator in Europe for the gas-cooled fast reactor.
• The Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration (ASTRID) project in France, now restructured.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للنظم التي تحركها المعجلات أن تتحول إلى مواد مصغرة تستخدم النيوترونات المتصاعدة، ويمكن أن تزيد من عبء المستودعات، وتتواصل البحوث المتعلقة بهذه التكنولوجيات في مؤسسات مثل والوكالة الدولية للطاقة الذرية ، ، والرابطة النووية العالمية ، والمختبرات الوطنية.

وبالنسبة لإعادة التخصيب، يمكن أن تؤدي أساليب الإثراء الجديدة القائمة على الليزر، مثل " سيليك " (تفصيل الإيزوتوبيس بواسطة " لازر " )، إلى انخفاض التكاليف والنموذج، غير أن هذه الأساليب تظل على نطاق تجريبي وتواجه عقبات تجارية كبيرة.

والتعاون الدولي أساسي، إذ أن مشاريع مثل المنتدى الدولي الرابع المعني بالتجديدات ] و] وكالة الطاقة النووية التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي ]] تنسق البحوث المتعلقة بدورات الوقود المتقدمة والسلامة والضمانات، وقد اقترحت مراكز متعددة الأطراف لدورات الوقود، حيث تمتلك البلدان معا مرافق إعادة المعالجة والتخصيب وتعمل على خفض مخاطر الانتشار وتقاسم التكاليف.

خاتمة

إن إعادة المعالجة وإعادة التخصيب هي تكنولوجيات ناضجة سبق نشرها على نطاق تجاري في عدة بلدان، وهي توفر فوائد كبيرة: انخفاض حجم النفايات، وحفظ موارد اليورانيوم، وتعزيز أمن الطاقة، والتحديات التقنية المتمثلة في معالجة اليورانيوم المعاد تجهيزه وإدارة مخزونات البلوتونيوم مفهومة فهما جيدا، ونُهج متقدمة مثل تجهيز النفط والوعد بانفصال الأعضاء الجماعية للتغلب على الشواغل المتعلقة بالانتشار.

ولا تزال الحالة الاقتصادية متغيرة حسب أسعار اليورانيوم، وتكاليف إدارة النفايات، والسياسة الوطنية، وبالنسبة للبلدان الملتزمة بالطاقة النووية الطويلة الأجل، فإن دورة الوقود المغلقة هي رصيد استراتيجي يتوافق مع أهداف الاستدامة، وبما أن المفاعلات السريعة المتقدمة ونظم تحويل التجزؤ تصبح على الإنترنت، فإن دور إعادة المعالجة وإعادة التخصيب سيصبح أكثر مركزية، وأن مواصلة البحث والتعاون الدولي أمر حيوي لصقل هذه التكنولوجيات، وتخفيض التكاليف، وضمان أن تكون الأجيال المستهلكة من الوقود النووي.

لمزيد من القراءة، دليل الرابطة النووية العالمية بشأن إعادة تدوير الوقود النووي و صفحة الوكالة الدولية للطاقة الذرية لإدارة الوقود المستهلك يقدمان لمحة عامة تقنية وسياساتية مفصلة.