استخدام اليورانيوم المثرى في مفاعلات الفيوران وآثارها البيئية

الدور المركزي لليورانيوم المثرى في مفاعلات المياه المضللة

وتسيطر أجهزة إعادة تصنيع المياه المضبوطة على الأسطول العالمي للطاقة النووية، حيث تبلغ نسبة الثلثين تقريباً من جميع المفاعلات التجارية العاملة، وفي قلب كل وحدة من وحدات خفض الانبعاثات، تكون هذه المفاعلات ذات القدرة الكهربائية الثابتة وقود غير موجود في طبيعتها: اليورانيوم المخصب، وبزيادة تركيز اليورانيوم المستنفد غير القابل للانبعاثات من حمولة طبيعية تبلغ نحو 0.7 في المائة إلى 35 في المائة من النفايات المستخدمة عادة في مفاعلات المياه الخفيفة.

فهم إثراء اليورانيوم: من أور إلى ريكتور فيول

ويتكون اليورانيوم الطبيعي المستخرج أساسا من الودائع في كازاخستان وكندا وأستراليا من النظيرين الرئيسيين: اليورانيوم-238 (99.274 في المائة) والأورانيوم-235 (0.72 في المائة)، الذي يحتوي على كميات متأصلة من اليورانيوم-234، ولا يوجد سوى ثاني أكسيد اليورانيوم - 235، مما يعني أنه يمكن أن يحافظ على تفاعل سلسلة النيوترونات، ولا بد من إثراء الوقود في نموذج PWR بحيث يصل إجمالي المواد اليورانيوم - 235

تكنولوجيات الإثراء

ويُجرى التخصيب التجاري على نحو حصري تقريبا باستخدام تكنولوجيا الطرد المركزي للغاز، التي تحل محل طريقة الانتشار الغازي الكثيفة الاستخدام للطاقة، وفي الطاردة المركزية، يرتفع غاز ثاني أكسيد اليورانيوم إلى ثلاثة أضعاف، حيث يرتفع وزنه إلى ثلاثة أضعاف، بينما تركز جزيئات اليورانيوم - ٨٣٢ بدرجة أكبر بالقرب من الجدار الخارجي، بينما تركز جزيئات الخفيف من اليورانيوم - ٥٣٢ على نحو أوثق.

مستويات الإثراء وتصنيف الوقود

وبالنسبة للمركبات العضوية الثابتة، يُختار مستوى التخصيب بعناية لموازنة أداء المفاعلات، ومدة دورة الوقود، والسلامة التشغيلية، ويُثرى الوقود التجاري النموذجي PWR إلى 3-5 في المائة من اليورانيوم - 235، ويصنف تحت بند اليورانيوم المنخفض التخصيب، ويخضع اليورانيوم العالي التخصيب، المثرى بنسبة تتراوح بين 5 و 20 في المائة، لتصميمات مفاعلات متقدمة، بما في ذلك مفاعلات صغيرة غنية جداً.

وتنظم عملية التخصيب تنظيما صارما الهيئات التنظيمية النووية الوطنية والوكالة الدولية للطاقة الذرية لمنع تحويل المواد لأغراض غير سلمية، وللحصول على تفاصيل موثوقة عن تكنولوجيات التخصيب والضمانات، يرجى الرجوع إلى ]] استعراض عام لإثراء اليورانيوم للرابطة النووية العالمية .

تصميم وقود اليورانيوم المثرى للمركبات

وبعد أن يثرى الغاز من سادس فلوريد اليورانيوم إلى المستوى المطلوب، يتحول إلى مسحوق ثاني أكسيد اليورانيوم، الذي يُضغط بعد ذلك إلى شرائح من الدراجات الكهرمائية حوالي 1 سم في قطرات قطرية وطول سم واحد، وتُقطع هذه الخيوط في درجات حرارة عالية لتحقيق هيكل كثيف من السيراميات يصمد في الظروف القصوى داخل قلب المفاعل.

ورود الوقود وجمعياته

وقد تُحمَّل فولاطيل اليورانيوم - 2 في سبيكة الزركونيوم (زيركالي) لتشكيل قضبان الوقود، ويُختار الزركونيوم بسبب تقاطعه المنخفض لاستيعاب النيوترونات، ومقاومة التآكل الجيدة عند درجات الحرارة العالية، والقوة الميكانيكية، وكل قضبان مُغلقة ومضغوطة بحجم الهيليوم من أجل تحسين النقل الحراري بين الفول السوداني.

السمات القابلة للحرق وإدارة دورة الوقود

ولإدارة التفاعل الزائد للوقود الطازج، يدمج مصممو الأسلحة النارية م امتصاصات نيوترونات قابلة للحرق، وغالبا ما تكون في شكل بلوائح مجهزة بالبخار أو أكسيد الغادولينيوم مختلط في بعض قضبان الوقود، وتزداد سرعة هذه السمات تدريجيا على دورة الوقود، وتحافظ على توزيع أكثر إنصافا للطاقة، وتمتد الفترة بين انقطاع الوقود، ويشغل ثلث نموذجي بروتيوم دورة وقود مستمرة.

وقد تطورت تصميمات تجميع الوقود لتحقيق حرق أعلى، مما يعني زيادة استخراج الطاقة لكل وحدة من اليورانيوم، ويمكن أن يحقق الوقود الحديث من نوع PWR حروقا يتجاوز 50 يوما من أيام عمل الجيل الواحد من المعدن الثقيل، مقارنة بـ 30 غيدا/تيهام في التصميمات القديمة، ويقلل الإحراق العالي من حجم الوقود المستهلك ويحسن الكفاءة الاقتصادية، ولكنه يزيد أيضا من تعقيدات النفايات.

عملية الإيلاج وجيل الكهرباء في عمليات إعادة التأهيل

داخل سفينة ضغط المفاعل، تستوعب ذرات اليورانيوم - 235 المثرى النيوترونات الحرارية وتقسم إلى شظايا أخف (منتجات الإضاءة)، وتطلق ذرتين أو ثلاث ملوثات عالية الطاقة وحوالي 200 ميكروت من الطاقة، وتسافر النيوترونات المفرج عنها حديثاً بسرعة عالية جداً من أجل الإمساك الفعال من جانب اليورانيوم - 235، لذا يجب تباطؤها - أو معتدلة - كول

مراقبة رد فعل الشاين

وتُدرج قواعد التحكم، التي تُصنع من السكك الحديدية أو من السكك الحديدية - الكدميوم الفضي، رأساً في اللب لاستيعاب النيوترونات الزائدة، وتنظم المشغلات إنتاج الطاقة، إضافة إلى أن المادة المحتوية على حامض محمول في المبرد الرئيسي توفر خلية كيميائية لمراقبة التفاعل الطويل الأجل خلال دورة الوقود.

وتُستَغَلُّ عمليات إعادة التأهيل الخاصة بها من أجل استقرارها التشغيلي وعواملها العالية القدرة، التي تتجاوز في كثير من الأحيان 90 في المائة، ولا بد من استخدام اليورانيوم المخصب للحفاظ على كتلة حرجة في إطار القياس الأساسي للاتفاق مع السماح بتوزيع الطاقة النظامي وإزالة الحرارة بصورة فعالة.

الآثار البيئية في جميع أنحاء دورة الوقود النووي

وعلى الرغم من أن محطات الطاقة النووية لا تنتج غازات الدفيئة أثناء التشغيل، فإن دورة الوقود الكاملة - بدءاً من التعدين إلى إدارة النفايات - لها آثار بيئية قابلة للقياس، وكل مرحلة تطرح تحديات متميزة كثيراً ما تُغفل في مقارنات بسيطة لبصمة الكربون.

التعدين في اليورانيوم والميل

أما عمليات التعدين في اليورانيوم فهي مستخرجة من خلال طرق التنظيف غير المرئية أو تحت الأرض أو الغسل في الموقع، حيث أن هذه العمليات تؤدي إلى تلوث بيئي واسع النطاق في نصف الإنتاج العالمي، وتشتمل على ضخ حل أكسدة في جسم الركاز، وتضخ الحل الحوامل إلى السطح المجهز، وفي حين أن الشركة تخفض الاضطرابات السطحية، فإنها لا تزال تلوث المياه الجوفية إذا لم تكن المياه الجوفية تحتوي على نحو سليم.

التحويل والإثراء وتفريغ الوقود

وتتحول تركيزات اليورانيوم (التركيب) إلى غاز سادس فلوريد اليورانيوم في مرافق التحويل، وتستخدم هذه العملية حامض الفلوريك والفلورين، وكلتاهما من المواد الكيميائية الخطرة التي تتطلب مناولة ورصدا دقيقين، وخطوة التخصيب اللاحقة هي كثيفة الطاقة: إذ تستهلك محطات الطرد المركزي الغازي ما يقرب من 50 إلى 100 كيلوواط في وحدة العمل الفصلي، وتستهلك صناعة التخصيب العالمية عدة موات.

عمليات المفاعل

وأثناء العملية، لا تنتج عمليات إعادة التأهيل عن أي ثاني أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكربون أو أكسيد النيتروز أو نوكس إلا أنها تولد التلوث الحراري: ويجب أن تدار مياه التبريد التي تُجرى في الأنهار أو المحيطات لتجنب إلحاق الضرر بالنظم الإيكولوجية المائية، كما أن العديد من عمليات إعادة التأهيل تستخدم أبراج التبريد للحد من التسرب الحراري، ولكن يجب أن تؤدي عمليات التبخر إلى زيادة استهلاك المياه.

إدارة الوقود المستهلك والنفايات الطويلة الأجل

وفي حالة التصريف النووي في منطقة PWR، تكون المياه الغازية ذات الطاقة العالية والمثيرة حرارية، وهي تحتوي على منتجات انشطارية (مثلا، السيزيوم - 137، السترونيوم - 90) مع وجود نصف عمر من عقود، وكذلك على عناصر مجهزة بالوقود عبر المحيط الأطلسي (مثلا، مركبات الإيزومر - 239، وجهازا من طراز Americium-241) لا تزال خطرة بالنسبة لعشرات السنين.

وتخفض إعادة تجهيز الوقود المستهلك لاستعادة البلوتونيوم واليورانيوم لإعادة الاستخدام (وقود أكسيد مكسو، وأجهزة مكس) حجم النفايات العالية المستوى وتمتد موارد اليورانيوم، ولكنها تثير شواغل الانتشار وتظل هامشية اقتصاديا مقارنة بدورات الوقود التي كانت تدور بين الحين والآخر، وتقوم بلدان مثل فرنسا والمملكة المتحدة وروسيا بتشغيل محطات لإعادة المعالجة، بينما اختارت الولايات المتحدة التخلص المباشر منها.

Comparative Environmental Footprint: Nuclear vs. Other Power Sources

وعند مقارنة الانبعاثات الكاملة لدورة الحياة )التعدين والتشييد وتجهيز الوقود والعمل ووقف التشغيل(، تنتج الطاقة النووية ٥-١٥ غراما من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوواط ساعة، وفقا لتحليلات متعددة لدورات الحياة، وهذا مماثل للريح والطاقة الكهرمائية وأقل بكثير من الوقود الأحفوري )الفحم: ٨٠٠-٢٠٠ غ/كهرتز؛ والغاز الطبيعي: ٤٠٠-٦٠٠ غ/كيلوواط(.

إن أهم المسؤولية البيئية عن الطاقة النووية هي الإشراف الطويل الأجل على النفايات المشعة، ولا يفرض أي مصدر آخر للطاقة إرثا يجب إدارته بفعالية لعشرات الآلاف من السنوات، غير أن حجم النفايات صغير: فجميع الوقود المستهلك الذي ينتجه أسطول الولايات المتحدة في 60 سنة سيلائم ميدان كرة القدم على ارتفاع 15 مترا، ولا يكمن التحدي في الحجم بل في السمية الإشعاعية ودوامة الاحتواء اللازم.

التحديات الحالية والاتجاهات المستقبلية

وترمي عدة تطورات إلى الحد من البصمة البيئية لاستخدام اليورانيوم المخصب في عمليات إعادة تصنيع الأسلحة وما بعدها، كما أن الوقود المسبب للحادثات يشمل عوامل إنتاج المواد الهيدرولية - الرئوية الحديدية - الإلهام أو مركبات مبيدات اليورانيوم لتحسين هوامش الأمان والحد من توليد الهيدروجين أثناء الحوادث الشديدة، كما يمكن لفرق توليد الطاقة النووية أن تتيح زيادة الاحتراق، وخفض حجم النفايات.

ومن منظور بيئي، فإن الطريق الأكثر واعدة هو دورة وقود مغلقة تجمع بين إعادة التدوير وحرق النفايات بسرعة، مما يمكن أن يقلل من وقت التخزين اللازم للنفايات العالية المستوى من آلاف السنين إلى بضع مئات من السنين، غير أن الحواجز الاقتصادية والسياسية لا تزال هائلة، ومن أجل تناقص عميق في خيارات دورة الوقود في المستقبل، تنشر وكالة الطاقة النووية تقارير منتظمة متاحة عبر موقع -A.

الاستنتاج: الفوائد والمسؤوليات المتزايدة

واليورانيوم المخصب هو حجر الزاوية في عمليات إعادة تصنيع الأسلحة النووية، مما يتيح مصدرا للطاقة الكثيفة والقابلة للمراقبة والخفيضة الكربون، ويزود ما يقرب من 10 في المائة من الكهرباء العالمية، ويعزز استخدامه عقود من الصقل الهندسي، وتنظيم السلامة الصارم، ومع ذلك لا يمكن فصل الآثار البيئية: يزعج تعدين اليورانيوم المشهد وموارد المياه؛ ويستهلك طاقة كبيرة؛ ويظل الوقود المستهلك عبئا على عاتق شركات إعادة الشحن التي تتطلب التزاماً مشتركاً بين الأجيال.

وبالنسبة للمربين والطلاب وواضعي السياسات، فإن التصريف واضح: فاليورانيوم المخصب في عمليات إعادة التأهيل المتعددة الأطراف يوفر أداة قوية لتطهير قطاع الكهرباء، ولكنه ليس غذاء مجانياً، ويستلزم المضي قدماً مسؤولاً مواصلة الاستثمار في حلول إدارة النفايات، والتنظيم الشفاف، والمشاركة العامة، ويمكن إدارة جوانب خفض الانبعاثات البيئية لليورانيوم المخصب في الوقت الذي تتحقق فيه الفوائد المناخية من مصادر أخرى للطاقة.