قضية المفاعلات السريعة المُعَلَّفة في مأهولة متغيرة للطاقة

وقد أعادت الحركة العالمية نحو إزالة الكربون إلى الضوء على الطاقة النووية باعتبارها مصدرا موثوقا به منخفض الكربون للطاقة الأساسية، وفي حين أن مفاعلات المياه الخفيفة تهيمن على الأسطول الحالي، فإن تصميمات الجيل القادم تعد بمعالجة الشواغل الطويلة الأمد بشأن النفايات والسلامة وكفاءة الوقود، ومن بين هذه المفاهيم المتقدمة، فإن عوامل الارتداد السريع التي تعمل على معالجة الارتداد السريع للقوى المحركة قد اجتذبت اهتماما متزايدا من الباحثين والمرافق وصانعين.

ولا يُعد الاهتمام بالمعاملات غير المُعدّة جديدة، فالعمل المبكر على النظم المُعَزَّلة بالرصاص يعود إلى برامج الدفع البحري في الحقبة السوفياتية، ولكن التقدم الأخير في علوم المواد، والصناعة التحويلية، ونموذج المفاعلات قد فتح إمكانيات جديدة، واليوم، فإن المعايير المنخفضة القيمة هي مرشح بارز في إطار المنتدى الدولي للجيل الرابع، وهو مبادرة تنسق البحوث المتعلقة بتكنولوجيات المفاعلات الأكثر واعدة، وتصبح فهم إمكانات معاملات التكيُّف المفاعلات ذات الصلة أمراً متيناً، ويتطلَّبَ في تطبيقاً،

ما هي المفاعلات السريعة المُعَزَّلة؟

(أ) المفاعل السريع المُعَزَّل هو فئة من المفاعلات النيوترونات السريعة التي تستخدم الرصاص السائل أو البكتريات المُقدَّمة كبُرْدَب رئيسي، بخلاف المفاعلات التقليدية التي تُبطِّئ (المُعتدلة) النيترونات إلى الطيف الحراري، تحتفظ أجهزة الترددات المنخفضة السلسلة بطائفة نترونية سريعة، وهذا التمييز له آثار عميقة على استخدام الوقود وإدارة النفايات والمفاعلات.

إن اختيار الرصاص كمبرد ليس تعسفياً، فالكبد له رقم ذري مرتفع، يوفر اقتصاداً ممتازاً للنيترون في طيف سريع، ونقطة مرتفعة جداً للمغلي (1749 درجة مئوية عند الضغط الجوي)، وهذا يعني أن معامل التكرار يمكن أن تعمل بدرجات حرارة عالية - عادة في حدود 480 درجة مئوية إلى 570 درجة مئوية - مع الحفاظ على التبريد في حالة سائل عند ضغط شبه لبس.

ويمكن تشكيل هذه المفاعلات في مجموعة متنوعة من الأحجام، من مفاعلات نموذجية صغيرة تتراوح بين 50 و300 ميغاواط ووحدات أوسع نطاقاً من حيث الصلاحية تتجاوز 600 ميغاواط. كما أن بعض التصميمات تتضمن أيضاً حلقة ثانوية مع نظام تحويل ثاني أكسيد الكربون أو البخار، مما يزيد من كفاءة الاستخدام، كما أن المرونة في الحجم تجعل من معامل التكتل ذات المقاييس الملائمة للتطبيقات المتنوعة، بما في ذلك توليد الكهرباء، والإمداد بالحرارة الصناعية، وإنتاج الهيدروجين.

How LFRs Differ from Traditional Nuclear Reactors

ومعظم المفاعلات النووية العاملة اليوم هي تصميمات للنيترون الحراري تعتمد على المياه كمبردة وموصلة للتداول، وفي هذه النظم، تباطأ النيوترونات لزيادة احتمالية ألياف اليورانيوم - 235، مما يحد من استخدام الوقود إلى جزء صغير من اليورانيوم الملغوم، وعلى النقيض من ذلك، لا تستخدم مشغلاً، وبالتالي فإن الخماسي اليورانيوم النيوترونات لا تزال في احتمالات عالية للتوليد.

وثمة اختلاف كبير آخر هو البيئة المبردة، حيث تعمل المياه في مفاعل مائي مضغط على نحو 300 درجة مئوية و150 جوا، مما يتطلب سفن ضغط ثقيلة ونظم أمان معقدة لإدارة حوادث فقدان المفاعلات، وفي معامل التحلل الحراري غير مستقر كيميائيا، ويعمل في ضغط الغلاف الجوي، ويمكن أن يكون النظام الأساسي من نوع الترميز في حجم المفاعلات الرئيسية.

وعلاوة على ذلك، فإن الطيف النيوتروناتي السريع في المفاعلات المتروكة يجعلها مناسبة تماماً لإغلاق دورة الوقود النووي، ويمكنها أن تستهلك عناصر عبروراني - البلوتونيوم، النبتونيوم، أمريكايوم، الفضول - التي تراكمت في الوقود المستهلك من المفاعلات التقليدية، بدلاً من معالجة هذه المواد باعتبارها نفايات، يمكن أن تستخدمها هذه المواد كوقود، مما يقلل من السمية المشعة الطويلة الأجل وحجم النفايات النهائية.

المفاعلات السريعة المُعَبَّلة

تعزيز خصائص السلامة

أما حالة الأمان بالنسبة لمركبات الكربون المفلورة فتتعلق بالعديد من الخواص المادية للمبردات الرصاصية، أولاً، يوجد في الرصاص نقطة تغلي عالية جداً، مما يزيل خطر الغليان المبرد ويكشف النواة تحت أي سيناريو موثوق به، ثانياً، الرصاص غير ملوث كيميائياً في الهواء والماء، لذا لا يوجد رد فعل نشط إذا حدث تسرب - وهو تناقض صارخ مع المفاعلات السريعة التي تعمل بغطاء الصوديوم.

وتشتمل العديد من تصميمات معامل التقلبات المنخفضة على آليات سلبية متأصلة في التغذية، فمع ارتفاع درجة الحرارة الأساسية، يزداد التسرب من النيوترونات، ويقلل أثر دوبلر من التفاعل، مما يؤدي إلى انخفاض معدل الانشطار دون أي عمل من جانب المشغلين، مما يتيح للمعاملات المنخفضة الدخل بلوغ مستوى من الأمان السلبي يصعب تكراره في النظم الموزوعة بالمياه، كما يوفر تشكيلة من نوع المجمع أيضاً ظروفاً كبيرة من المستودعات الحرارية، مما يتيح للمشغلين ساعات أو حتى أيام.

:: خفض النفايات النووية ومرونة الوقود

ومن أكثر الحجج التي تُستحث على هذه المعايير هو قدرتها على معالجة مشكلة النفايات النووية، وتفترض السياسة الحالية في العديد من البلدان دورة وقودية مرة واحدة، حيث يُخزن الوقود المستهلك إلى أجل غير مسمى في مستودعات جيولوجية، وتُوفِّر هذه المواد بديلاً: عن إعادة تدوير البلوتونيوم والخامات الثانوية كوقود سريع للمفاعلات، يمكن تخفيض حجم النفايات وسمية تصريفها بواسطة أوامر بحجمها.

وتتوافق هذه القدرة مع مفهوم دورة الوقود المغلقة، حيث يعاد تجهيز الوقود المستهلك وتُصنَّف المواد المستعادة إلى عناصر جديدة من الوقود، وقد استثمرت بلدان مثل فرنسا وروسيا واليابان بشدة في تكنولوجيا إعادة المعالجة، وتعتبر معاملات التحلل الحراري محرقة مثالية لمخزونات اليورانيوم المستنفد التي تراكمت من عملية المفاعل الحراري، وحتى بدون إعادة المعالجة الكاملة، يمكن أن تعمل معاملات التكتل المستخرجة من اليورانيوم المستنفد.

ارتفاع الكفاءة الحرارية وتطبيقات الحرارة

إن ارتفاع درجة حرارة المفاعلات المنخفضة السلسلة - 480 درجة مئوية في العادة إلى 570 درجة مئوية، مع بعض التصميمات التي تستهدف ما يصل إلى 800 درجة مئوية - يسمح بتحويل حرارة الأنشطار إلى الكهرباء بما يتجاوز 40 في المائة، وهذا أفضل بكثير من 30 إلى 34 في المائة نموذجية للمفاعلات الحالية للمياه الخفيفة، ويعني ارتفاع الكفاءة أن تقل حرارة النفايات المرفوضة للبيئة وأن تكون أكثر كهرباءاً لكل وحدة من الوقود، مما يؤدي إلى تحسين الاقتصاد والتركيب البيئي.

فبخلاف الكهرباء، يمكن أن توفر هذه المواد الحرارة العالية الحرارة في العمليات الصناعية، إذ إن صناعات مثل صناعة الفولاذ وإنتاج الأسمنت والصناعات الكيميائية تتطلب كميات كبيرة من الحرارة في درجات حرارة يصعب الإمداد بها بالمتجددات أو النباتات النووية التقليدية، ويمكن أن تسد هذه الفجوة وتوفر الطاقة الحرارية النظيفة لإنتاج الهيدروجين عن طريق الدورات الكيميائية الحرارية، أو تركيب الأمونيا، أو توجيه التدفئة في العمليات الصناعية.

مقاومة الانتشار

ومن وجهة نظر عدم الانتشار، فإن معدلات الخصوبة الإجمالية توفر مزايا على بعض دورات الوقود البديلة، إذ أن التبريد الرئيسي ليس مادة مراعية للانتشار، ويمكن تشكيل تصميم المفاعلات بحيث يعمل بدون إعادة الوقود على الإنترنت، مما يقلل من الحاجة إلى المناولة المتكررة للوقود، كما أن المجال الإشعاعي المرتفع في صميم وجود مواد صغيرة في جهود تحويل الوقود، وعندما يقترن ذلك بضمانات قوية ورصد دولي، يمكن للعوامل المنخفضة الانتشار أن تدعم زيادة الطاقة النووية دون تفاقمها.

وتجدر الإشارة إلى أنه لا توجد تكنولوجيا للمفاعلات محصنة تماماً من شواغل الانتشار، وأن مرافق إعادة المعالجة اللازمة لدورة الوقود المغلقة تنطوي على حساسية إضافية، غير أن الخصائص المتأصلة لهذه المفاعلات - بما في ذلك تصميم أساسي مدمج والقدرة على حرق البلوتونيوم بدلاً من إنتاجه كمنتج ثانوي - يمكن أن تُعزز نظام عدم الانتشار العام.

التحديات التقنية والبحوث الجارية

وعلى الرغم من وعدها، تواجه معدلات الخصوبة الإجمالية عقبات تقنية هامة يجب حلها قبل نشرها تجارياً، ويتمثل التحدي الأصيل في تآكل المواد، وتربط الرصاص السائل والبكميات في العديد من السكك الحديدية الهيكلية عند درجات الحرارة اللازمة لتشغيلها بكفاءة، ويمكن أن يحل المبرد النيكل والكروميوم والعناصر الأخرى لسلامة النقل، مما يؤدي إلى فقدان التدفقات.

ويعالج الباحثون هذا من خلال مجموعة من اختيار المواد ومراقبة الكيمياء المبردة، كما أن الفولاذ المتصاعد من التفكك الأوكسدي، والسبائك المحسوبة بالألمنيا، والملابس المزودة بأجهزة التخدير، قد أظهرت مقاومة واعدة للارتباط بين سطح وهاء الفولاذ، وحافظت على تركيز متحكم في الأوكسجين في المبرد - في العادة في حدود 10-6 إلى 10-8 في المائة من الوزن الفولاذوكس.

الموثوقية والصناعات التحويلية

ويجب أن تصمد المضخات والمبادلات الحرارية والتأثيرات التي تعمل في الرصاص المتحرك في درجات الحرارة العالية والكثافة العالية والبيئة التآكلية، والمضخات الميكانيكية للرصاص أثقل وتتطلب حملا أقوى من نظيراتها التي تعمل في مجال المياه، والمضخات الكهرومغناطيسية، بينما لا توجد فيها أجزاء متحركة، وتعاني من انخفاض الكفاءة، ويجب أن تصمم المولدات الكهربائية في معامل التقلب لمنع حدوث أضرار في المياه.

ويجري استكشاف تقنيات التصنيع المتقدمة، بما في ذلك التصنيع الإضافي (الطباعة 3D) للمقاييس الجيولوجية المعقدة والربط بالليزر من السطح المقاوم للتآكل، من أجل خفض التكاليف وتحسين الموثوقية، ويمكن لاستخدام مبادلات الحرارة المدمجة التي توزع عن طريق التداول أن يقلل حجم وتكلفة الحلقة الثانوية مع تحسين الأداء الحراري، والتعاون الدولي من خلال برامج مثل المنتدى الدولي للجيل الرابع ومشاريع البحث الدولية المعجلة.

تطوير الوقود وتأهيله

ويجب أن يتحمل وقود ثاني أكسيد الكربون ارتفاع النيترون وارتفاع درجة الحرارة والتعرض المطول لبيئة الرصاص التآكل، وقد استخدمت أنواع وقود أكسيد الكربون التقليدية في المفاعلات السريعة، ولكن الوقود المتقدم مثل وقود النتريد (الأمم المتحدة، (U، Pu)N) والوقود المعدني يوفران قدرا أكبر من السلوك الحراري واقتصادا أفضل من حيث التبريد.

وتكرار الوقود عملية طويلة ومكلفة تتطلب اختبارات واسعة النطاق للتشعيع، وفحص ما بعد الإشعاع، ووثائق الترخيص، ومفاعل البحوث الذي قام به مركز البحوث التابع للسوق المشتركة في بلجيكا، والذي يجري تطويره حاليا في بلجيكا، ومن المتوقع أن يوفر مفاعل روسيا للأجهزة العسكرية - الـ 3 - بيانات مشعة حرجة، وستولد هذه المشاريع قاعدة الأدلة اللازمة لترخيص وقود LFR للاستخدام التجاري.

Global Development Programs and Demonstration Projects

لدى عدة بلدان برامج نشطة لتطوير تكنولوجيا المعلومات والاتصالات، مع تحديد مواعيد تتراوح بين عرض قصير الأجل ووزع طويل الأجل، والاتحاد الروسي هو الأكثر تقدما، حيث أن المفاعل المزود بالجرعات الثابتة من طراز BREST-OD-300، الذي يجري تشييده في مجمع سيبيريا للمواد الكيميائية في سيفرسك، وهذه الوحدة 300 MWe هي العنصر الرئيسي لمشروع بروريف (Breakthrough)، الذي يهدف إلى إثبات وجود دورة وقود نووية مغلقة في عام 2020.

وفي أوروبا، مشروع " مي ريها " في بلجيكا هو مفاعل بحثي متعدد الأغراض يبرد بواسطة البكتريات الرائدة، ويهدف المشروع إلى العمل في كل من النظامين الأساسيين (المحركين) والحاسمين، وإجراء دراسات للتخويل، واختبار المواد، وفيزياء المفاعلات، ويتوقع أن يبدأ البناء في السنوات القادمة.

وقد استثمرت الصين أيضاً في تكنولوجيا الترددات المنخفضة جداً من خلال برنامج المفاعلات الصناعية الرئيسية في الصين، الذي يشمل مفاعل الاختبارات في منطقة سي إل آر إي، والتصميمات المفاهيمية لوحدات تجارية أكبر، وقد دعمت الولايات المتحدة، من خلال برنامج رصد المفاعلات المتقدمة التابع لوزارة الطاقة، عدداً من مفاهيم الترددات المنخفضة الدخل، بما في ذلك مفاعل ويستنغهاوس السريع المُعَدَّل، وعدة من الدراسات المتعلقة بالتصميم في المختبرات الوطنية.

إدماج معايير الإبلاغ المالي المحلية في نظام الطاقة الحديث

ويتوقف دور هذه البلدان في نظام للطاقة في المستقبل على كيفية استكمالها لمصادر أخرى منخفضة الكربون، وتتداخل الطاقة الشمسية والريحية بطبيعتها، وتخلق حصتها المتزايدة من توليد الكهرباء حاجة إلى طاقة يمكن إرسالها خالية من الكربون يمكن أن تعمل عندما لا تشرق الشمس ولا تهب الرياح، ويمكن أن تملأ هذه القدرة الدور، وتوفر قدرة على التحميل والتعبئة ذات موثوقية عالية.

ونظراً لأن معامل التحلل الحراري يمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية، فإنها مناسبة تماماً لتطبيقات الجيل المختلط التي تنتج الكهرباء والحرارة على حد سواء، ففي شبكة تدفئة في المقاطعات، يمكن أن توفر هذه المادة حرارة منخفضة الكربون للمباني، وتشتت الغاز الطبيعي، وفي حديقة صناعية، يمكن أن توفر هذه المادة البخارية من أجل إنتاج المواد الكيميائية أو الطاقة الحرارية من أجل توليد الكهرباء الهيدروجينية، حيث يصبح تآزر المواد الهيدروجينية بين إنتاج الطاقة وتغذية.

والمرونة في حجم المفاعل - من الوحدات النموذجية الصغيرة إلى المصانع الكبيرة - تسمح بنشر المفاعلات ذات القيمة المضافة بصورة تدريجية، وتوحيد الإضافة إلى القدرات اللازمة للطلب على النمو، ويمكن أن تكون متغيرات معدلات التبادل التجاري ذات أسعار مصنعة وأن تنقل إلى مواقع تكون فيها البنية التحتية للشبكة محدودة، وفتح الأسواق في المجتمعات النائية، وعمليات التعدين، والاقتصادات النامية، وتخفض فترات الإمداد الطويلة بالوقود (3 إلى 10 سنوات حسب التصميم) تعقيد العمليات وتجعل من الهياكل الأساسية المحدودة.

Economic Viability Path Forward

ولا تزال اقتصادات البلدان المنخفضة الدخل غير مؤكدة، حيث لم يتم بناء وتشغيل أي وحدة تجارية، وتستند تقديرات التكاليف إلى دراسات التصميم، والنماذج، والمقاييس مع المفاعلات المتقدمة الأخرى، ومن المرجح أن تكون التكلفة الرأسمالية لمستوى أعلى من تكلفة مفاعل مائي مائي خفيف ناضج، ولكن يتوقع أن تقلل آثار التعلم والتصنيع التسلسلي التكاليف بمرور الوقت.

وتشمل العوامل التي تعمل لصالح الاقتصاد في معدلات الخصوبة الإجمالية زيادة الكفاءة الحرارية، وطول دورات الوقود، وانخفاض تكاليف إدارة النفايات، وقدرة الاستهلاك من الوقود النووي المستهلك بوصفه أصلاً وليس مسؤولية يمكن أن تحسن الحالة الاقتصادية، ولا سيما في البلدان التي لديها مخزونات كبيرة من الوقود المستخدم، كما أن انخفاض حجم الإنتاج وانخفاض متطلبات إعداد المواقع في إطار معايير الإبلاغ المالي القائمة على النتائج يمكن أن يقلل من مخاطر البناء وتكاليف التمويل.

وسيلزم دعم السياسات من أجل النشر المبكر لمعدلات الإبلاغ المالي غير المنصفة، إذ يمكن للحوافز الضريبية، وتسعير الكربون، وضمانات القروض، والائتمانات الضريبية للاستثمار أن تساعد على سد الفجوة بين تكاليف التنمية والقدرة التنافسية السوقية، وتعمل لجنة التنظيم النووي في الولايات المتحدة وغيرها من الجهات التنظيمية على وضع أطر ترخيص للمفاعلات المتقدمة، بما في ذلك معاملات الإبلاغ المالي، التي ستوفر اليقين التنظيمي للمستثمرين.

خاتمة

وتمثل المفاعلات السريعة المُعَزَّلة تطوراً مُلحاً في تكنولوجيا الطاقة النووية، إذ تتيح مزيجاً من السلامة والكفاءة والحد من النفايات ومرونة الوقود التي تتوافق مع متطلبات عالم يُقلل من الكربون، وقدرتها على العمل في درجات حرارة عالية وضغوط في الغلاف الجوي، واستهلاك النفايات عبر الأورانيت، وإمدادات الكهرباء وحرارة العمليات، تجعلها أداة غير دقيقة لنقل الوقود.

وإذا ما تم التغلب على العقبات التقنية والاقتصادية المتبقية، فإن هذه المعايير يمكن أن تؤدي دوراً هاماً في مزيج الطاقة الحديث - ليس كبديل للمتجددات، بل كتكملة توفر طاقة وحرارة موثوق بهما ومرسلة وخفيضة الكربون، وسيحدد استمرار الاستثمار في البحث والعرض والهياكل الأساسية التنظيمية مدى سرعة تحقيق هذه الإمكانية، أما بالنسبة للمرافق وصانعي السياسات ومخططي الطاقة الذين يبحثون عن الجيل الحالي من المفاعلات، فإن تحديد معاملات الانبعاثات المحلية سيوفر يوفر مساراً يستحقه.

For further reading on fast reactor technology and global development efforts, refer to the Generation IV International Forum], the International Atomic Energy Agency], and the World Nuclear Association.