وتمثل مفاعلات التكاثر السريع طبقة تحولية من التكنولوجيا النووية يمكن أن تعيد تشكيل المشهد العالمي للطاقة بشكل عميق، فتتحول المواد الخصبة الوفيرة مثل اليورانيوم - 238، وتتحول إلى وقود انشطاري، بينما تولد الطاقة في نفس الوقت، توفر هذه المفاعلات مساراً لإمدادات الوقود القريبة من الأجل والحد من النفايات الشديدة الارتداد.

ما هي المفاعلات السريعة؟

ويزيد هذا المفاعل المولد السريع من نوع المفاعل النووي الذي يحافظ على تفاعل متسلسل باستخدام النيترونات [الفلورية] [الفلورية: 1] - [الفرنسية: 1] - أي مواد ملوثة باليورانيوم لم تبطأ من قبل مشغل، كما أن مفاعلات المياه الخفيفة التقليدية تستخدم النيوترونات (التريومية) التي تكون أكثر فعالية في تقسيم اليورانيوم - 235 ولكنها غير فعالة

ومعظم عمليات التبريد هذه تبرد اليوم بمعادن سائلة - صوديوم عادي، ولكنها أيضاً تؤدي أو تُستخدم في إطار المبادرة - لأن هذه المواد لا تُعتدل في النيوترونات (المياه غير الشبيهة) وتمتلك خصائص ممتازة لنقل الغاز، أما أكثر المواد نمواً ذات التسارع في المفاعلات السريعة الفول السوداني، فتشمل عقوداً من الخبرة التشغيلية من وحدات الترسبات التجريبية والبروت.

التنمية التاريخية والأمثلة الرئيسية

وقد كان أول مفاعل تجريبي سريع، هو كليمنتين، يعمل في لوس ألاموس في عام ١٩٤٦، ومنذ ذلك الحين، قامت عدة دول بتشييد وتشغيل مفاعلات FBR، وكانت هذه المنظومات من طراز BN-350 )١٩٧٣-١٩٩٩( في كازاخستان أول مفاعل سريع مركب صوديوم واسع النطاق، يستخدم أساسا للتحلية وتوليد الطاقة.

عملية الرضاعة

١-١ وبغية فهم السبب الذي يجعل عمليات الحرق الفلورية فريدة، يجب أن يستوعب المرء الاقتصاد النيوتروني، ففي حالة الأشعة المميتة التقليدية، يُطلق كل انشطارات اليورانيوم - ٥٣٢ في المتوسط ٢,٤ نيوترونات، ويُطلب من أحد النيوترونات أن يحافظ على رد الفعل المتسلسل، أما البقية فتمتص في المواد الهيكلية، أو تُسرب أو تُسرب من مواد مخدرة.

أما فيما يلي أعمال التحويل من الخصب إلى المركبات: اليورانيوم - 238 (النظير الأكثر شيوعاً في اليورانيوم الطبيعي، بنسبة 99.3 في المائة) فتمتص دورة النيوترونات السريعة لتصبح اليورانيوم - 239، الذي ينتجه بيتا - ديكاساً إلى النيبتونيوم - 2339، ثم يستهلك مادة وقودية طويلة - 2339 (تتتمثل في نصف متر وأربع دقائق وأربعة أيام على التوالي).

ويستخدم جوهر الفلوروكربون عادة وقود أكسيد ثنائي الفينيل المختلط (MMOX: مزيج من ثاني أكسيد البلوتونيوم وثاني أكسيد اليورانيوم)، رغم اختبار الوقود المعدني ووقود الكاربيد، ويجب أن يأتي البلوتونيوم الخاص بالتحميل الأولي من وقود مستنفد مجهز بالفلور أو من مفاعلات إنتاجية مخصصة لهذا الغرض، ولهذا السبب يدمج العديد من البرامج الوطنية ذات المفاعلات السريعة دمجاً وثيقاً مع البنية التحتية لإعادة المعالجة.

مزايا المفاعلات السريعة للاستدامة

تعزيز كفاءة الوقود

وتستخرج هذه الطائرات أقل من 1 في المائة من الطاقة المحتملة في اليورانيوم الملغوم، ويمكن أن تزيد من ذلك الاستخدام بنسبة 60 إلى 80 في المائة، وذلك بتمكين إعادة التدوير المتكررة واستخدام اليورانيوم - 238، مما يقلل من آثار تعدين اليورانيوم ويوسع نطاق إمدادات الوقود العملية لقرون، حتى مع معدلات الاستهلاك الحالية، مع زيادة المفاعلات السريعة القائمة على الثروتيوم، فإن الإمكانات ستتوسع أكثر.

انخفاض حجم النفايات النووية وسمائها

وتتكون النفايات المشعة الطويلة الأجل من المفاعلات التقليدية أساسا من عناصر متداخلة الشبهات (البلوتونيوم، والأمريكيوم، والكوريوم)، التي يجب عزلها لعشرات الآلاف من السنوات، ويمكن تصميم مركبات الفلوروكربون بحيث تحرق هذه المواد الصغيرة من حيث الوقود ، مما يقلل من السمية والحجم النهائيين للمؤسسة الدولية للطاقة الذرية.

أمن الطاقة واستقلالها

وتسمح عمليات إعادة البناء والتراكم البيولوجي للبلدان بتحويل مخزونات اليورانيوم المستنفد (منتج نفايات من الإثراء) واحتياطيات الفيوريوم إلى وقود، وبالنسبة للبلدان التي لا توجد فيها رواسب اليورانيوم الغنية، مثل الهند، يمكن أن تعطل الاعتماد على الوقود المستورد، ويستخدم برنامج الطاقة النووية الذي يضم ثلاث مراحل استخداما صريحا للمركبات الفلورية البيرفلورية لاستخدام هرمونها الوفيرة، وهذا يتمشى مع مصادر الطاقة الجاهزة والنظيفة.

طاقة قاعدة الكربون المنخفضة

فمثل جميع المفاعلات النووية، لا تنتج مركبات الكربون المفلورة ثاني أكسيد الكربون أثناء التشغيل، إذ إن انبعاثاتها من دورة الحياة لكل كيلوواط ساعة قابلة للمقارنة بالريح والشمس (حوالي 12 ميكروغرام من ثاني أكسيد الكربون/كواه)، لأنها توفر طاقة مستمرة ومرسلة، فإنها يمكن أن تكمل مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة وتساعد على إزالة الكربون من شبكات الكهرباء والصناعة، بل وإنتاج الهيدروجين، وهذا أمر مركزي بالنسبة للشركة SDG 13 (Cli).

التحديات والنظر في المسألة

التكاليف الرأسمالية المرتفعة

فعمليات إعادة التأهيل المفاجئة أكثر تعقيدا من عمليات إعادة التأهيل ذات الصلة، حيث توجد نظم تبريد السائل تتطلب مواد متخصصة ومضخات ومبادلات حرارية، حيث كانت تكاليف التشييد أعلى من المعدلات المناظرة للمعاملات غير المرخصة بنسبة تتراوح بين 20 و50 في المائة، ومن المتوقع أن تتراجع هذه التكاليف، مثلا، سنوات من التأخير وتجاوز التكاليف، ومع تزايد تجربة التصنيع وتحسين التوحيد القياسي، فإن هذه التكاليف تهدف إلى تحقيق أهداف المبادرة الدولية السريعة.

السلامة والكيمياء المبردة

فبمبرد الصوديوم يتفاعل عنيفا مع المياه وخارجيا مع الهواء، ويمكن أن يؤدي تسرب الصوديوم إلى حرائق، كما حدث في مونجو في عام ١٩٩٥، ويخفف المصممون من ذلك من خلال حلقات التبريد الثانوية وأغطية الغاز الخام، وتظهر اليوم معايير الإبلاغ المالي الخاصة نظماً أمان سلبية مثل آثار التفاعل المحدودة والتبريد الطبيعي التي يمكن أن تغلق وتبرد المفاعل دون تدخل من جانب المشغل أو قوة خارجية.

Proliferation Concerns

ونظرا لأن مركبات الكربون الكلورية فلورية تنتج البلوتونيوم وتستهلكه، فإن هناك خطرا بأن تتحول المواد إلى أسلحة، فالبلوتونيوم في وقود القوات المسلحة الرواندية المستنفد هو عادة مزيج من النظائر غير المثلية لصف الأسلحة (محتوى البوتوران عالي - 240)، ولكن ضمانات الانتشار لا تزال أساسية، وتطبق الوكالة ضمانات صارمة على جميع المواد النووية المدنية، وبعض التصميمات، مثل دورة التجهيز الأولي للوقود، التي تستخدم فيها مواد الوقود.

النضج التكنولوجي والهياكل الأساسية

وفي حين أن عمليات إعادة البناء على نطاق صناعي قد عملت في روسيا وفرنسا منذ عقود، فإن التكنولوجيا ليست معيارا تجاريا بعد، إذ أن روسيا وحدها هي التي تقدم حاليا خدمات إعادة البناء للتصدير، إذ تفتقر بلدان كثيرة إلى مرافق إعادة المعالجة وصناعة الوقود اللازمة، حيث يعاد تجهيز الوقود المستهلك ويحتاج إلى استثمارات كبيرة وإلى إرادة سياسية، ولا يزال توافر الموظفين المدربين وسلاسل الإمداد يشكل عقبة.

المساهمات في أهداف التنمية المستدامة

SDG 7: Affordable and Clean Energy

ويمكن أن توفر هذه المركبات الكهرباء التي تحملها بكلفة ثابتة ويمكن التنبؤ بها على مدى عمر تصميمها الذي يبلغ 60 عاماً، وينخفض عنصر تكاليف الوقود لأن الوقود الأولي (اليورانيوم المستنفد أو الهرمون) غير مكلف ووافر، وتقدر الوكالة الدولية للطاقة الذرية أن موارد اليورانيوم العالمي يمكن أن تُحمِّل مركبات الكربون الكلورية فلورية لأكثر من 000 2 سنة دون نفايات إعادة المعالجة، ومع إعادة تدويرها، فإن الجدول الزمني يمتد إلى عشرات السنين.

SDG 9: Industry, Innovation, and Infrastructure

ويؤدي بناء عمليات البرمجيات الحرة إلى التقدم في الميكاليورجيات، والهيدروليك الحراري، والكيمياء، والروبوتات - خاصة بالنسبة للسوديوم ومناولة الممولين من الرصاص - وقد وضعت بلدان مثل الهند وروسيا نظماً إيكولوجية صناعية واسعة النطاق حول برامج المفاعلات السريعة، كما أن هذه الابتكارات تتدفق إلى قطاعات صناعية أخرى، مثل المواد الخاصة بالبيئات المتطرفة والتكيبات المتقدمة.

SDG 12: Responsible Consumption and Production

إن قدرة القوات المسلحة الرواندية على استخدام موارد اليورانيوم بكاملها - ليس مجرد جزء ضئيل - وعلى خفض حجم النفايات العالية المستوى تقريباً، إنما تجسد بصورة مباشرة مبادئ الاقتصاد الدائري، وتكفل دورة الوقود المغلقة تحويل معظم المواد التي ستصبح نفايات إلى طاقة، مما يقلل بشكل كبير من العبء البيئي للمستودعات الجيولوجية العميقة ومقدار التعدين المطلوب.

SDG 13: Climate Action

وتبين نماذج التقييم المتكاملة التي وضعها الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ أن بلوغ هدف 1.5 درجة مئوية من المتوقع أن يتطلب زيادة في القدرة النووية بمقدار عشرة أضعاف بحلول عام 2050، وتسمح هذه المركبات بإمدادات الوقود غير القابلة للتقصير تقريبا، وتزيل القيود المفروضة على الموارد التي من شأنها أن تحد من التوسع النووي، وتدني انبعاثاتها من دورة الحياة مقارنة بالوقود الأحفوري، بل وحتى من مصادر الطاقة المتجددة (نظراً إلى استخدام الأراضي وتخزينها ودعمها) تجعلها أداة أساسية.

SDG 17: Partnerships for the Goals

وقد كان تطوير هذه المركبات تعاونياً تاريخياً، حيث كان المنتدى الدولي للجيل الرابع يضم 13 بلداً يعمل معاً في مجال البحوث السريعة المتعلقة بالمفاعلات ودورات الوقود، وتوفر الوكالة الدولية للطاقة الذرية التوجيه التقني، وتنظم مشاريع بحثية منسقة، وتستكشف البلدان النامية التي لديها موارد من السكان الأصليين - مثل إندونيسيا والأردن وفيتنام - تكنولوجيا المفاعلات السريعة من خلال إقامة شراكات مع روسيا والإطار العالمي للوقود، وتعزز هذه الشراكات نقل التكنولوجيا وبناء القدرات.

مستقبل مفاعلات بريدر السريعة

وعلى الرغم من عقود من التجهيزات والبدء، فإن خط الأنابيب العالمي للمفاعلات السريعة هو الآن أكثر نشاطاً من أي وقت مضى منذ الثمانينات، حيث يوفر الاتحاد الروسي الطاقة التجارية ويثبت قدرة البلوتونيوم الحرقي الفائض من الأسلحة، ومن المتوقع أن يصبح المشروع الهندي للمركبات الصغيرة والمتوسطة الحجم، الذي تخطط الهند بعده لاستراحة ست مركبات من طراز FBR بحلول عام 2038.

وتجعل الابتكارات في مجال تقطيع الوقود والمواد المقاومة للتآكل (لا سيما بالنسبة للتصميمات المبردة بالرصاص)، والتكييف والمراقبة المتقدمين، عمليات التراكم والتحكم في الوقود أكثر أماناً وأكثر اقتصاداً، كما تجري دراسة المفاعلات السريعة الصغيرة ذات النمط المنخفض، التي يمكن أن تفتح أسواقا جديدة في المناطق النائية وفي مجال الحرارة الصناعية، وتجتذب دورة وقود الثيوم التي تكون في حد ذاتها أكثر كفاءة من المفاعلات.

وسيكون مفتاح الانتشار الواسع النطاق مزيجا من الإرادة السياسية والقبول العام والقابلية للاستمرارية الاقتصادية، إذ يمكن لتسعير الكربون وآليات التمويل الأخضر والاعتراف بفوائد الحد من النفايات أن يضعف المعادلة الاقتصادية، ونظرا لأن الضرورة الملحة لتغير المناخ تكثف، فإن إمكانات القوات المسلحة الرواندية لإغلاق دورة الوقود النووي وتوفير الطاقة النظيفة غير المحدودة تقريبا قد تكون في نهاية المطاف جيدة جدا في تجاهلها.

خاتمة

ومفاعلات التكاثر السريع ليست رصاصة فضية، ولكنها سهم قوي في خضم تكنولوجيات الطاقة المستدامة، وقدرتها على مضاعفة موارد الوقود، وعلى الحد من النفايات بشكل جذري، وعلى توفير مواقع الطاقة الأساسية المنخفضة الكربون بوصفها عاملاً تمكينياً رئيسياً للأهداف الإنمائية المستدامة المتعددة، كما أن التحديات - التكلفة، والسلامة، والانتشار - هي حقيقية ولكن يمكن إدارتها، كما يتبين من عقود من الخبرة التشغيلية في حفنة من البلدان، ومع استمرار البحث، والتعاون الدولي.

For further reading: IAEA Fast Reactor Technology page; World Nuclear Association — Fast Neutron Reactors; Generation IV International Forum — Fast Reactors.