استكشاف إمكانية استخدام الوقود الموجود على أساس ثوريوم في مفاعلات الفيور

أساسيات ثوريوم كفول نووي

أشكال التأديب الطبيعية والاختلاط الطبيعية

إن ثوريوم عنصر إشعاعي يحدث بصورة طبيعية، حيث يبلغ عدد النظائر التي يُستخدم فيها، والثوريوم - 232، نصف عمر تقريباً 14.5 بليون سنة، مما يجعله غير قابل للتحلل على نطاق زمني بشري، ويُعتبر ثاني أكسيد اليورانيوم أكثر وفرة في قشرة الأرض من اليورانيوم، ويحتاج إلى زيادة كبيرة في إنتاج اليورانيوم - 2.

The Thorium Fuel Cycle: From Th-232 to U-233

وتبدأ دورة الوقود في فترة البلوزيوم - 232 عندما يستوعب النيوترون ليصبح هوستيريوم - 233، الذي يخضع أيضاً لدواء من البتروجينيوم - 233 مع نصف عمر من المواد المشعة ذات الصلة باليورانيوم - 23، وينتج كذلك مادة من مادة الغازات المحتوية على اليورانيوم - 233، وهي مادة قابلة للتداول تكون ذات سمة عالية، ويمكن أن تستمر عملية التحويل هذه في أنواع مختلفة من الفلورو.

الاختلافات الرئيسية من دورة اليورانيوم - البلوتونيوم

أما عمليات تحويل اليورانيوم - 238، فتتمثل في زيادة تركيزات اليورانيوم - 239، وتزيد أيضاً نسبة اليورانيوم - 233 إلى ثاني أكسيد الكربون، وتزيد هذه الدورة إلى أعلى من تركيزات ثاني أكسيد اليورانيوم، وتزيد هذه المادة بمقدار التفاؤل على مدى عقود من التشغيل التجاري، وتختلف دورة التهريج - اليورانيوم في عدة جوانب هامة.

لماذا ثوريوم في مفاعلات PWR؟

تصميم وتشغيل مفاعل PWR

أما مفاعلات المياه المضبوطة فهي تكنولوجيا المفاعلات المهيمنة على الصعيد العالمي، حيث يعمل أكثر من 300 وحدة في العمليات التجارية في أكثر من 30 بلدا، وفي وحدة PWR، تحتوي المفاعلات على مجاميع الوقود التي تتكون من خلايا من ثاني أكسيد اليورانيوم في طيف الزركون، وتحافظ على المياه المبردة في ضغط مرتفع، عادة نحو 155 بار، لمنع التغليف في درجات الحرارة التشغيلية العادية.

تحديات التوافق والتكامل

وبالإضافة إلى ذلك، فإن تكييف التصميمات الحالية للمركبات العضوية الثابتة لاستيعاب الوقود القائم على أساس الهرمونات ليس بديلاً مباشراً عن تسرب ثاني أكسيد الكربون، وتختلف الخصائص الحرارية والميكانيكية لثاني أكسيد الكربون عن خصائص ثاني أكسيد اليورانيوم، مما يؤثر على سلوكيات الوقود، والسلوك الحراري، والإطلاق الغازي لليورانيوم، ويزيد هامش الارتفاع في مستوى الارتفاع بحوالي 3350 درجة مئوية مقارنة بحوالي 2800 درجة مئوية من استقرار ثاني أكسيد اليورانيوم.

Thermal Neutron Spectrum Considerations

وتُعتبر إدارة الزئبق الحرارية لليورانيوم المحتوي على أنواع من الوقود مناسبة تماماً لدورة الوقود في عدة جوانب، حيث إن ارتفاع التحلل الحراري للنيوترونات في التقاطع بين الفيورانيوم - 233 يتيح تحويلاً فعالاً إلى اليورانيوم - 233، ونسبة التخصيب المنخفضة إلى المفاعلات في المطياف الحرارية تسهم في اقتصاد متجانس قابل للتكرار.

ألف - مزايا الوقود المحتوي على اليورانيوم في أجهزة إعادة تصميم المركبات

استدامة الموارد وأمن الطاقة

إن توفر موارد الثوريوم الوفيرة يوفر مسارا استراتيجيا لأمن الطاقة في الأجل الطويل للعديد من الدول، وخلافا لليورانيوم الذي يتركز جغرافيا في حفنة من البلدان ويخضع لتقلبات الأسعار والضغوط الجيوسياسية، فإن رواسب الهرمونات توزع على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم، ولا تستغل إلى حد كبير، وبالنسبة لبلدان مثل الهند التي تمتلك أكبر كمية من احتياطيات الوقود في العالم ولكنها محدودة الموارد من اليورانيوم.

Reduced Long-Lived Waste and Proliferation Resistance

ومن أكثر الحجج قسوة للوقود القائم على أساس الهرمون طبيعة النفايات التي ينتجها وقود الهرمونات المنبعثة يحتوي على كميات أقل بكثير من البلوتونيوم والعناصر الأخرى العابرة للمنطقة، وهي مسؤولة عن أغلبية السمية المشعة الطويلة الأجل في النفايات النووية التقليدية، وإن كانت قلة من أنواع مخلفات دورة الوقود من حيث الاختباء أقل عموما، مما يقلل فترة العزلة المطلوبة بالنسبة لمجموعات النفايات من الإشعاعات الجيولوجية(32).

تعزيز خصائص السلامة

ويظهر ثاني أكسيد الثوريوم استقرارا كيميائيا أعلى من ثاني أكسيد اليورانيوم، مع وجود مقاومة أعلى للتأكسد والتآكل، وهذا أمر مهم بصفة خاصة في ظروف الحوادث التي قد تتعرض فيها مشكلة تمزق الوقود وتصبح الوقود على اتصال بالماء أو البخار في درجات حرارة عالية، كما أن ارتفاع درجة الذوبان من ثاني أكسيد الثوريوم يوفر هامش أمان إضافي أثناء الأحداث العابرة والسيناريوهات المحترقة، مما يقلل من خطر تسرب الوقود.

أعلى درجة حرارة

ويمكن أن يحقق الوقود الموجود على أساس الثالوث مستويات أعلى من وقود اليورانيوم التقليدي، مما يعني أن جزءا أكبر من ذرات المعادن الثقيلة قد يحدث الانشطار قبل إزالة الوقود من المفاعل، ويترجم ارتفاع درجة الاحتراق مباشرة إلى انخفاض استهلاك الوقود، وانخفاض عدد مركبات الوقود المستهلك التي تمكن من إدارة، وانخفاض حجم النفايات عموما، وتسهم الخواص النيوترونية لليورانيوم - 233 إسهاما كبيرا في هذا التأثير.

التحديات التقنية والاقتصادية

تصنيع الوقود وإعادة تجهيزه

إن تصنيع الوقود القائم على أساس الهرمونات يمثل تحديات تقنية كبيرة يجب التصدي لها من أجل النشر التجاري، إذ أن ثاني أكسيد الثوريوم هو منشط ويصعب تجهيزه باستخدام تقنيات الميثالورج التقليدية، حيث إن ارتفاع درجة الذراع وعدم القدرة على التداول الكيميائي لثاني أكسيد الكربون يتطلب شروطاً متخصصة للتشنج واستخدام أدوات مقطعة لتحقيق الكثافة المطلوبة والهيكل الصغير.

شروط تعديل المفاعل

ويتطلب تحويل وحدة الوقود الموجودة إلى وحدة الوقود القائمة على أساس الهرمونات تحليلا هندسيا دقيقا، وربما إجراء تعديلات كبيرة على أساس المفاعل ونظم التحكم والتأهيل، كما أن الاختلافات في توزيع التدفق الجديد، ومعاملات إعادة النشاط، ومتطلبات التحكم، لا تتطلب تهدئة دقيقة، ويجب أن تتسم بدقة، كما أن معامل إعادة التزود بالوقود، التي تعتبر حاسمة بالنسبة لاستقرار المفاعلات وسلامة الوقود، تختلف عن درجة الحرارة التي تتسم بها طريقة استخدام اليورانيوم.

الحواجز التنظيمية والرخصية

وتحتاج الصناعة النووية إلى تحليل دقيق لتركيب الوقود أو تشغيل المفاعلات، وتعتمد الأطر التنظيمية الحالية على دورة الوقود ذات القيمة الجيدة، مع وضع معايير ومبادئ توجيهية وقبولية لأداء الوقود، وحواف الأمان، وتحليلات للوقود القائمة على أساس الهرمونات.

تكاليف القدرة الاقتصادية والاستثمار

ولا تزال الحالة الاقتصادية للوقود القائم على أساس الهرمونات في عمليات إعادة البناء غير مؤكدة، وهي تخضع للتحليل المستمر، كما أن تكلفة خامات الفخار في حد ذاتها منخفضة نسبيا، ولكن التكلفة الإجمالية لدورة الوقود، بما في ذلك الصنع وإعادة المعالجة وإدارة النفايات، هي حاليا أعلى من تكلفة وقود اليورانيوم التقليدي، كما أن تكاليف رأس المال المرتبطة بتطوير مرافق جديدة لصناعة الوقود، وتعديل المفاعلات القائمة، وبناء محطات لإعادة المعالجة، هي عوامل نقص كبيرة.

البحث والتطوير الحاليان على نطاق العالم

برنامج الهند المتطور للمفاعلات المائية الثقيلة

إن الهند تعمل في مقدمة بحوث وقود الهرمونات منذ عقود، مدفوعا بمواردها الوفيرة من الهرمونات واحتياطيات اليورانيوم المحدودة، ويتبع البرنامج النووي الهندي خطة محددة جيدا من ثلاث مراحل تبدأ بمفاعلات اليورانيوم الطبيعي، وتتقدم إلى مفاعلات توليد الوقود السريع التي تستخدمها البلوتونيوم، وتهدف في نهاية المطاف إلى نشر أجهزة تحويل مفاعلات مياه هيف المتقدمة (AHWR) ذات الصلة.

مشاريع مفاعلات الصالد الصيني

وقد أطلقت الصين برنامجا طموحا وممولا تمويلا جيدا لتطوير مفاعلات الملح المستنقع التي يمكن أن تعمل بكفاءة في دورة الوقود في الثوريوم، حيث أن تصميم الوقود السائل لمركبات الكربون المتعددة المصدرة يوفر مزايا متأصلة عديدة لاستخدامها في الفخار، بما في ذلك القدرة على معالجة الوقود بصورة مستمرة وإزالة البراكينيوم - 233 قبل أن يحلل أو يلتقط النيوترونات، مما يؤدي إلى تحسين التوازن بين مفاعل شنغهاي

الجهود التعاونية الدولية

وهناك عدة مبادرات دولية تعمل بنشاط على النهوض بالبحث والتطوير في مجال وقود الهرمونات، وقد قامت الوكالة الدولية للطاقة الذرية بتنسيق مشاريع بحثية متعددة منسقة بشأن دورات وقود الهرمونات، ونشر تقارير تقنية شاملة وتيسير تبادل المعلومات بين الدول الأعضاء، ويشمل المنتدى الدولي للجيل الرابع تكنولوجيا المفاعلات الملحية المتحركة كأحد مفاهيم الجيل القادم المختارة، مع اضطلاع وقود الثوريوم بدور هام في عدة خطط مقترحة.

دور ثوريوم في مستقبل الطاقة المستدامة

إن التحولات العالمية نحو انبعاثات صافية الحد، يجب تقييم كل مصدر للطاقة منخفض الكربون من أجل مساهمته المحتملة في نظام الطاقة المستدامة، فالقوة النووية، على الرغم من التحديات التي تواجه الانتشار النووي، والتصور العام، توفر توليداً للطاقة موثوقاً به، مع وجود تأثيرات كبيرة على الطاقة، وكمية كبيرة من عوامل الوقود، وقود مستمد من الثيوم، سواء تم نشره في أجهزة إعادة تصميم مفاعلات نووية متقدمة، يمكن أن تعالج بعض الشواغل الطويلة الأمد المرتبطة بالمقاومة للنفايات النووية.

خاتمة

فالوقود المستمد من ثوريوم يوفر مجموعة مُلزمة من المزايا لمفاعلات PWR، بما في ذلك زيادة وفرة الطبيعة، وانخفاض النفايات الطويلة الأمد، وتعزيز خصائص السلامة، ومقاومة الانتشار المتأصلة، والجدوى التقنية لإدماج البثور في التصميمات الحالية للوقود على مستوى البحوث، وبرامج التنمية الجارية في الهند والصين وغيرها من المجالات التي تُعزز التكنولوجيا نحو الانتشار العملي.