ويظهر اليورانيوم المعاد تدويره كبديل واعد لليورانيوم الطبيعي في دورات الوقود النووي، حيث تسعى البلدان في جميع أنحاء العالم إلى الحد من الاعتماد على تعدين اليورانيوم الخام وتعزيز أمن الطاقة، فإن اليورانيوم المعاد تدويره يوفر حلا مستداما واقتصاديا، وتسمح التكنولوجيا بإعادة استخدام المواد الانشطارية القيمة من الوقود النووي المستهلك، وتحويل تحدي إدارة النفايات إلى فرصة موارد، وتدرس هذه المادة دور اليورانيوم المعاد تدويره في عمليات التخصيب، وإمكانية خفض الإدمان على المواد الخام.

فهم دورة الوقود النووي

To appreciate the significance of recycled uranium, it is essential to understand the conventional nuclear fuel cycle. The cycle begins with uranium mining and milling, where uranium ore is extracted and processed intoصفk (U3O8)

وبعد ما يقرب من ثلاث إلى خمس سنوات في مفاعل، يعتبر الوقود منطبقاً، ولا يزال يحتوي على نحو 95 في المائة من اليورانيوم (ومعظمه [(FLT:0]]U-238) مع انخفاض ]U-235]]) و1 في المائة من البلوتونيوم، و4 في المائة من منتجات التجهيز الفيزيائي وعناصر عبر المستودع المفتوح.

ما هو اليورانيوم المعاد تدويره؟

اليورانيوم المعاد تدويره هو اليورانيوم المستخرج من الوقود النووي المستهلك المعاد تجهيزه، أما عملية إعادة المعالجة، التي تستخدم عادة طريقة PUREX (Plutonium and Uranium Recovery by Extraction) فتفصل اليورانيوم والبلوتونيوم عن منتجات الإنشطار وغيرها من النفايات، واليورانيوم المسترد المعروف باليورانيوم المعالج، فهو عادة ما يكون له تركيز أولي قدره 0.35 في المائة([FLT])

(ب) رغم أن اليورانيوم المعاد تدويره يحتوي على آثار لظروف أخرى مثل [(FLT:0]U-232، ]U-234، و]U-236، التي تشكل أثناء الإشعاع.

عملية الإثراء لليورانيوم المعاد تدويره

(ب) إثراء اليورانيوم المعاد تدويره يتبع نفس المبادئ الأساسية مثل تخصيب اليورانيوم الطبيعي، ولكن مع إدخال تعديلات هامة، ولا يزال الهدف الرئيسي هو زيادة تركيز U-235] إلى مستويات مناسبة لتشغيل المفاعلات، غير أن وجود U-232 إلى 234:

إثراء الغاز

Gas centrifuges are the dominant enrichment technology today. they operate by seF6 gas at high speeds, separating isotopes by mass. For recycled uranium, the centrifuge cascades must be designed to handle the isotopic impurity profile. The presence

إثراء اللازر

(ب) إن تقنيات التخصيب القائمة على أساس اللازر، مثل SILEX (تطوير Isotopes by Laser Excitation)، تتيح إمكانية زيادة الانتقائية وانخفاض استهلاك الطاقة.() ويمكن أن يستهدف إثراء اللازر نظائر المحددة، ويحتمل أن يتغلب على بعض التحديات التي تطرحها U-232 و

مزايا استخدام اليورانيوم المعاد تدويره

ويوفر اليورانيوم المعاد تدويره فوائد متعددة عبر حفظ الموارد، وخفض النفايات، ووفورات التكاليف، وأمن الطاقة، وفيما يلي توسيع لكل ميزة.

حفظ الموارد

ومن خلال إعادة استخدام اليورانيوم من الوقود المستهلك، يخفض الطلب على خام اليورانيوم الملغَّم حديثاً، مما يمتد فترة عمر احتياطيات اليورانيوم المعروفة ويقلل من الأثر البيئي لعمليات التعدين، ووفقاً للرابطة النووية العالمية، يمكن أن يوفر اليورانيوم المعاد تدويره ما يصل إلى 25 إلى 30 في المائة من احتياجات الوقود لأسطول المفاعل بمرور الوقت، وذلك حسب معدل إعادة المعالجة وأنواع المفاعلات.

خفض النفايات

إن إعادة معالجة الوقود المستهلك وإعادة تدوير اليورانيوم والبلوتونيوم يقلل بدرجة كبيرة من حجم النفايات العالية المستوى وسمية استخدامها في الإذاعة على المدى الطويل، وتتكون النفايات من إعادة المعالجة أساسا من منتجات الإنشطار، التي تكون أقصر من عمرها بكثير مقارنة بالعناصر العابرة للمنطقة، وهذا يبسط إدارة النفايات ويخفف العبء على مرافق التخلص من النفايات الجيولوجية، وقد قامت بلدان مثل فرنسا بإعادة المعالجة على نطاق صناعي، مما يقلل حجم النفايات الخمسة في نهاية المطاف.

الوفورات في التكاليف

وعلى الرغم من أن إعادة المعالجة وإعادة التخصيب تحملان تكاليفهما الخاصة، فإنهما يمكن أن يكونا صالحين اقتصاديا مقارنة بالتعدين والطاحن باليورانيوم الجديد، لا سيما عندما تكون أسعار اليورانيوم مرتفعة، وتُحدَّد تكلفة اليورانيوم المعاد تدويره جزئياً بالأسعار السوقية لليورانيوم الطبيعي، ولكنها تتوقف أيضاً على نفقات إعادة المعالجة والتحويل وإعادة التخصيب، وفي ظل ظروف مواتية، يمكن إنتاج اليورانيوم المعاد تدويره بتكلفة تنافسية بالوقود الطازج.

أمن الطاقة

ويقلل تنوع مصادر الوقود من التعرض لاضطرابات العرض، إذ يمكن للبلدان التي تعيد معالجة الوقود المستهلك أن تخزن اليورانيوم المعاد تدويره، مع وقف التقلبات في أسواق اليورانيوم العالمية، وتنظر الأمم ذات الموارد المحدودة من اليورانيوم المحلي، مثل اليابان وكوريا الجنوبية، إلى إعادة التدوير كوسيلة استراتيجية لتعزيز استقلال الطاقة، كما أن القدرة على إعادة استخدام المواد تقلل من المخاطر الجيوسياسية المرتبطة بواردات اليورانيوم.

التحديات والحواجز التقنية

وعلى الرغم من وعده، يواجه اليورانيوم المعاد تدويره عدة تحديات تقنية واقتصادية وتنظيمية يجب التصدي لها من أجل اعتماده على نطاق واسع.

النقاءات الطبيعية

To U-232, ]U-234, and [FLT handling]U-236 in recycled uranium complicates both enrichment and fuel fabrication. U-232[FLT:

الفرق في المواد الخام

ويتباين تكوين اليورانيوم المعاد تدويره تبعاً لزمن التخصيب الأولي للوقود، والحرق، والتبريد بعد التصريف، مما يجعل من الصعب تحقيق الاستخدام الأمثل للعمليات، ويجب أن تكون محطات التخصيب قادرة على التعامل مع مختلف تركيبات التغذية مع الحفاظ على جودة المنتجات المتسقة، ويمكن أن يساعد اليورانيوم المعاد تدويره باليورانيوم الطبيعي أو المستنفد على تثبيت التغذية، ولكن هذا يزيد من تعقيدها.

المعايير التنظيمية ومعايير السلامة

وتتطلب معالجة اليورانيوم المعاد تدويره الامتثال لأنظمة السلامة والأمن الصارمة، كما أن إشعاع غاما من U-232] البنات يتطلب تعزيز الرصد والاحتواء، ويجب أن تحصل المرافق على تراخيص خاصة لمعالجة المواد المعاد تجهيزها، وأنظمة النقل أكثر صرامة من اليورانيوم الطبيعي، كما أن الشواغل المتعلقة بالضمانات الدولية وعدم الانتشار يمكن أن تُطبق على تكنولوجيا إعادة المعالجة إذا لم تكن خاضعة للرقابة السليمة.

الاعتبارات الاقتصادية

وتتوقف اقتصادات اليورانيوم المعاد تدويره على عدة عوامل، منها تكلفة إعادة المعالجة والإثراء وتصنيع الوقود، وكذلك سعر السوق الخاص باليورانيوم الطبيعي وخدمات التخصيب، ويجب أن يُحسب تحليل شامل لدورة الحياة لأرصدة إدارة النفايات وتكاليف تجنُّب اليورانيوم الطازج.

وفي الوقت الراهن، تكون إعادة المعالجة أكثر تكلفة من دورة الوقود التي كانت تدور من حين لآخر عندما تكون أسعار اليورانيوم منخفضة، غير أن إعادة التدوير في بيئة ذات أسعار عالية تصبح أكثر جاذبية، وقد جعلت بلدان مثل فرنسا عملية إعادة المعالجة اقتصاديا قابلة للتطبيق على نطاق وطني من خلال إدماجها في استراتيجيتها العامة لدورة الوقود، وتدير الشركة الفرنسية أورانو مصنع لاهاي لإعادة المعالجة ومرفق تصنيع وقود موكس، إلى جانب عنصر الإثراء في جورج بيس الثاني.

وتملك التكنولوجيات المتقدمة مثل تخصيب الليزر وتحسين تقنيات إعادة المعالجة (مثل تجهيزات النفط) إمكانية زيادة تخفيض التكاليف، ويجري تطوير تجهيزات Pyro، التي تتفادى المرحلة الكئيبة، للمفاعلات السريعة في المستقبل، ويمكن أن توفر بديلا أكثر ترابطا واقتصاديا عن PUREX، وستتحسن القدرة الاقتصادية لليورانيوم المعاد تدويره مع تزايد نمو هذه التكنولوجيات وازدياد أسعار الكربون وغيرها من الأنظمة البيئية لتعدين اليورانيوم الجديد.

المنافع البيئية والمتعلقة بإدارة النفايات

ويقلل اليورانيوم المعاد تدويره مباشرة من البصمة البيئية للطاقة النووية، ويحد اليورانيوم المسبب للتعدين من آثار كبيرة على الأرض والمياه والطاقة، فضلا عن مخاطر إطلاق النفايات المشعة، ومن خلال استبدال الخامات الجديدة بالمواد المعاد تدويرها، تخفف هذه الآثار، وبالإضافة إلى ذلك، يقلل إعادة المعالجة حجم النفايات العالية المستوى التي يجب التخلص منها في مستودعات جيولوجية عميقة، ويمكن أن تكون منتجات التصريف المفصولة أثناء إعادة المعالجة أقل.

كما أن استخدام اليورانيوم المعاد تدويره يدعم تطوير دورات الوقود المتقدمة، مثل تلك التي تشمل المفاعلات السريعة، ويمكن للمفاعلات السريعة أن تحرق عناصر البلوتونيوم والبورونية التي لا تزال بعد إعادة المعالجة، وأن تزيد من الحد من سمية النفايات وحجمها، وتتابع بلدان مثل روسيا رؤية دورة الوقود المغلقة، التي تعمل بالمفاعل السريع BN-800 باستخدام الحد الأدنى من وقود الموكس، ويخلق دمج اليورانيوم المعاد تدويره في مثل هذه الدورات نظاما مستداما.

أمثلة عالمية ودراسات حالات إفرادية

فرنسا

وتشهد الصناعة النووية الفرنسية منذ الثمانينات على إعادة تصنيع الوقود المستهلك من أسطولها البالغ 56 مفاعلا في مصنع لاهاي، ويتحول اليورانيوم المسترد عادة إلى مفاعلات نووية متعددة الأطراف (6) ويعاد إثراءه في مصنع جورج بيس الثاني للطرد المركزي.

روسيا

وقد قامت روسيا أيضاً بتفعيل عملية إعادة التدوير - بدأ تشغيل محطة إعادة المعالجة بمحطة RT-1 في شيلابينسك - 65 (ماياك) منذ السبعينات، ويستخدم اليورانيوم المسترد لإنتاج الوقود لمفاعلات RBMK ومفاعلات VVERV، وروسيا لديها مرفق مخصص، خط تصنيع الوقود VVER-440، يستخدم اليورانيوم المعاد تدويره، بالإضافة إلى أن روسيا بصدد تطوير تكنولوجيا سريعة للمفاعلات ذات قيمة مقفلة في إطار BREST-1.

اليابان

وبالرغم من محدودية موارد اليورانيوم المحلي، فقد اتبعت اليابان سياسة إعادة المعالجة وإعادة التدوير، ومع تأخر مصنع روكاشو لإعادة المعالجة، فإنه مصمم لمعالجة ما يصل إلى 800 طن من الوقود المستهلك سنويا، كما تعمل اليابان في مصنع لتصنيع وقود الأشعة فوق البنفسجية، وتستخدم وقود الأشعة فوق البنفسجية في عدة مفاعلات، وقد أثر حادث فوكوشيما الذي وقع في عام 2011 على السياسة النووية للبلد، ولكن إعادة التدوير لا تزال جزءا من استراتيجية دورة الوقود الطويلة الأجل.

الإطار السياساتي والتنظيمي

إن اعتماد اليورانيوم المعاد تدويره تتأثر بسياسات الطاقة الوطنية، واستراتيجيات إدارة النفايات، والاتفاقات الدولية لعدم الانتشار، وقد استثمرت البلدان التي التزمت بدورة وقود مغلقة، مثل روسيا وفرنسا والهند، في الهياكل الأساسية اللازمة، وقد عملت بلدان أخرى، بما فيها الولايات المتحدة، على الاستفادة من دورة واحدة من خلال الاهتمامات المتعلقة بالانتشار والاعتبارات الاقتصادية.

غير أن التحولات الأخيرة في السياسة العامة في الولايات المتحدة جديرة بالملاحظة، حيث خصص قانون الاستثمار في الهياكل الأساسية والوظائف لعام 2021 التمويل لدورات الوقود النووي المتقدمة، بما في ذلك البحوث في مجال إعادة المعالجة وإعادة التدوير، كما دعمت إدارة الطاقة الدراسات المتعلقة باستخدام اليورانيوم المعاد تدويره للحد من أعباء النفايات، وتقدم الوكالة الدولية للطاقة الذرية التوجيه وأفضل الممارسات للمناولة الآمنة لليورانيوم المعاد تدويره، بما في ذلك معايير الدرع والنقل والتخصيب.

وقد وضعت الهيئات التنظيمية، مثل لجنة التنظيم النووي في الولايات المتحدة، والآلية الفرنسية للطاقة النووية، معايير محددة لترخيص مرافق إعادة تدوير اليورانيوم، وتعالج هذه المعايير الخصائص الإشعاعية والكيميائية الفريدة للمواد، ومن شأن مواءمة الأنظمة الدولية أن تيسر التجارة العالمية لليورانيوم المعاد تدويره واستخدامه في خدمات التخصيب.

التوقعات المستقبلية ودورات الوقود المتقدمة

ومع تقدم التكنولوجيا، يتوقع أن تتحسن كفاءة عمليات إعادة التدوير والتخصيب، فزيادة التركيز العالمي على مصادر الطاقة المستدامة تجعل اليورانيوم المعاد تدويره خيارا جذابا للحد من الاعتماد على المواد الخام، وسيؤدي البحث والتطوير المستمران دورا رئيسيا في إدماج اليورانيوم المعاد تدويره في الإنتاج العام للوقود النووي.

المفاعلات من نوع " جيل "

أما تصميمات مفاعلات الجيل الرابع، التي اختارها المنتدى الدولي للجيل الرابع، فهي مصممة صراحة لدورات الوقود المغلقة، وتشمل المفاعل السريع المحتوي على الصوديوم، والمفاعل السريع المزود بالرصاص، ومفاعل ذو درجة عالية من الحرارة جداً، ويمكن للمفاعلات السريعة أن تولد مواد انشطارية أكثر مما تستهلكه، وتستخدم بفعالية اليورانيوم المتجدد والمفاعلات العابرة الشبه بالوقود.

تكنولوجيات إعادة التدوير المتقدمة

ويعرض تجهيز النفط، الذي سبق ذكره، بديلاً أكثر مقاومة للانتشار في بوركس، وهو يعمل في بيئة ملح مُستنَفَة في درجات حرارة عالية، وينتج وقوداً مختلطاً يشمل اليورانيوم والبلوتونيوم وأجهزة أخرى للبث، مما يقلل من إمكانية فصل البلوتونيوم النقي، ويجري تطوير التجهيز في كوريا الجنوبية والولايات المتحدة من أجل دورات الوقود السريعة للمفاعلات في المستقبل.

كما يمكن لتكنولوجيا إثراء اللازر، كما طورها الفريق العامل المعني بتخصيب الليزر العالمي التابع لوكالة الفضاء العالمية، أن تحسن إثراء اليورانيوم المعاد تدويره، وإذا نجحت في تسويقه، فإنها ستوفر كفاءة أعلى وتكاليف رأسمالية أقل، مما يجعل اليورانيوم المعاد تدويره أكثر قدرة على المنافسة.

خاتمة

إن اليورانيوم المعاد تدويره ينطوي على إمكانات كبيرة للحد من الاعتماد على المواد الخام في دورة الوقود النووي، إذ أنه بإغلاق دورة الوقود وإعادة استخدام اليورانيوم من الوقود المستهلك، يمكن للدول أن تحافظ على الموارد الطبيعية، وأن تخفض النفايات، وتعزز أمن الطاقة، وتحقق الفوائد الاقتصادية، وفي حين أن التحديات التقنية المتصلة بالأخطار الجليدية وتكاليف التجهيز ستظل قائمة، فإن الابتكارات الجارية في تكنولوجيا التخصيب، وإعادة المعالجة، وتصميم المفاعلات تعالج هذه العقبات على نحو مطرد.

For further reading, consult the ] World Nuclear Association's overview of fuel recycling], the IAEA's resources on recycling], and reports from the Nu clear Energy Institute on advanced fuel cycles.