المفاعلات السريعة ودورها في مستقبل عدم الانتشار النووي

The Fundamentals of Fast Breeder Reactors

وتمثل مفاعلات توليد الطاقة الكهربائية السريعة أحد أضخم فروع تكنولوجيا الانشطار النووي، وخلافاً للمفاعلات الحرارية التقليدية التي تعتمد على بطء النيوترونات في الحفاظ على تفاعل سلاسل الوقود في اليورانيوم - 235 (U —235)، تحتفظ القوات المسلحة الرواندية بعدد من النيوترونات ينتقل إلى مستوى عالي من الطاقة - فوق 0.1 مي في المائة.

والوقود في معظم عمليات إعادة البناء هي أكسيد مختلط من البلوتونيوم وأكسيد اليورانيوم، رغم استخدام الوقود المعدني والناتيد في بعض التصميمات المتقدمة، كما أن الفلزات السائلة، التي عادة الصوديوم، تمثل المبرد الرئيسي لأنها تنقل بكفاءة الحرارة دون استخدام النيترونات (المياه التي تبطئها).

ونظراً لأن القوات المسلحة الرواندية يمكنها إعادة تدوير الوقود النووي المستهلك واستهلاك عناصر عبروراني طويلة الأمد، فإنها أساسية في المناقشات المتعلقة بإغلاق دورة الوقود النووي، وبإعادة تجهيز الوقود وإعادة إشعاله، يمكن أن تؤدي عملية إعادة تصنيع الوقود من حيث المبدأ إلى الحد من حجم النفايات النهائية وسمية الراديو بها بأوامر ضخامة، وهذه القدرة لها آثار عميقة على استدامة الموارد وعدم الانتشار - وهما الموضوعان التوأمين لهذه المادة.

التطوير التاريخي والخبرة التشغيلية

(ب) تُعدّ فكرة إنتاج المواد الانشطارية إلى الأيام الأولى من العلوم النووية، وتُتوخى في هذا الصدد أن يكون المفاعل السريع مكملاً طبيعياً للمفاعل الحراري، وقد كان أول مولد تجريبي، وهو مفاعل كلمنتين في لوس ألاموس، حاسماً في عام 1946، حيث استخدم وقود البلوتونيوم ومبرد الزئبق، وعلى مدى العقود التالية، تم بناء عشرات من المواد الفوقية والعرضية FBRBRII، في جميع أنحاء العالم.

وكانت التجربة التشغيلية متباينة، حيث أن أكبر مفاعل للشبكة العالمية لغاز الصوديوم، وهو 200 1 ميغاواط في فرنسا، قد عانى من التسرب المستمر المتصل بالصوديوم، والقضايا الهيكلية، والمعارضة السياسية؛ ولم يعمل إلا بصورة متقطعة قبل إغلاقه في عام 1998، كما أن مفاعل مونجو الياباني قد أصيب بضرر شديد بسبب تسرب مركب من الصوديوم في عام 1995، وبعد سنوات من الإصلاح وصعوبة سياسية، قد ألغي في عام 2016.

وقد علمت هذه التجارب الصناعة أن نظم معالجة الصوديوم تتطلب ضمانا استثنائيا للجودة، وأن التفتيش أثناء الخدمة على المبردات المهددة أمر أساسي، وأن الرقابة التنظيمية القوية تُطبق الآن على تصميمات الجيل الرابع من البرمجيات الحرة والمولدة عن الكبريت التي تهدف إلى تحسين السلامة والقدرة على المنافسة من حيث التكلفة ومقاومة الانتشار.

المفاعلات السريعة وعدم الانتشار: الحكم الأساسي

ويبدو أن المفاعلات التي تنتج البلوتونيوم تشكل في البداية خطراً على الانتشار، فبعد كل شيء، فإن البلوتونيوم هو مادة أساسية للأسلحة النووية، ولذلك فإن حجة عدم الانتشار بالنسبة للمركبات المصفحة المفلورة مدروسة وترتكز على دعامتين هما: هيكل دورة الوقود والإدارة المادية.

تخفيض مخزونات البلوتونيوم الحالية واستهلاكها

ومن أقوى الحجج التي تؤيد عمليات الحرق الفاسدة قدرتها على تخفيض المخزون العالمي من البلوتونيوم المنفصل عن بعضها البعض، إذ توجد كميات كبيرة من البلوتونيوم المدني في مصانع إعادة المعالجة وفي مخزونات الوقود المستهلك التي يمكن أن تقطع ترسانة الأسلحة الكاملة في العالم، وإذا ما ظلت هذه المواد في شكل يسهل الوصول إليه نسبيا، فإنها تمثل مخاطر تحويلها، ويمكن لمفاعلات الفستق أن تستهلك هذه المادة التي تستخدم في شكل وقود، إما في شكل مركب مكسد.

وعلاوة على ذلك، ونظرا لأن القوات المسلحة الرواندية تعيد تدوير وقودها مرارا، فإنها يمكن أن تحول " إعادة تصنيع " البلوتونيوم - الذي يوجد فيه بالفعل تركيبة إيزوبية مختلطة غير مواتية للأسلحة - إلى مصفوفة وقود مستنفدة بدرجة أكبر من الإشعاع، يصعب سرقتها أو إعادة تجهيزها سرا، وبالتالي فإن التركيبة المتوازية للبلوتونيوم في دورات التوازن FBFopegrade هي عملية معقدة بدرجة أكبر )٢(.

مقاومة الانتشار من خلال إعادة تجهيز الوقود

ومن الأمور البالغة الأهمية أن فائدة عدم الانتشار التي تعود على القوات المسلحة الرواندية تتوقف على كيفية إدارة دورة الوقود، وإذا كان البلد يعمل دورة وقود مغلقة مع إعادة المعالجة، فإن البلوتونيوم المنفصل عن بعضها البعض يشكل خطرا مباشرا على الانتشار، غير أن نظم التجهيز الجوي الحديثة (الفصل الكيميائي) التي تطورت بشكل خاص في مختبر إيداهو الوطني وفي كوريا الجنوبية لا تنتج البلوتونيوم الخالص؛ بل تنتج بدلا من ذلك خليط من العناصر العابرة للورانيوم.

] International safeguards] can be strengthened by co-locating re processing and fabrication facilities at the reactor site, under continuous monitoring by the ] International Atomic Energy Agency (IAEA)-]. By eliminating the need to transport separated plutonium, the “fuel---cycle center” concept reduces opportunities for diversion Advance accounting and contain

دور ثوريوم في مفاعلات بريدر

ويستغل مسار التوالد البديل دورة التهوية - اليورانيوم، حيث إن ثوريوم أكثر وفرة من اليورانيوم بثلاثة أو أربع مرات، كما أن نظم التوليد فيها توفر مزايا معينة لعدم الانتشار، إذ أن المادة الإنشطارية من اليورانيوم - 233، عندما تكون ملوثة بكمية صغيرة من اليورانيوم - 232، تُحدث إشعاعاً جاماً يجعله قابلاً للكشف وخطراً للتعامل مع التوليد الخفي.

ومع ذلك، لا توجد دورة للوقود في جوهرها مقاومة للانتشار، إذ أن كل عملية صناعية ذات نطاق صناعي تفصل بين المواد الانشطارية - سواء فيما يتعلق بتخصيب اليورانيوم - 235 أو الوقود الحراري - يمكن إساءة استخدامها، ويتمثل التحدي في تصميم نظم تجعل الانتشار صعباً تكنولوجياً ويمكن اكتشافه بقدر الإمكان.

الحد من النفايات والاستحقاقات الأمنية

وكثيرا ما يُعامل الانتشار والنفايات النووية على أنها مسائل منفصلة، ولكنها مترابطة، فالبلدان التي لديها مخزونات كبيرة من النفايات العالية المستوى لديها حافز على إعادة تجهيزها، إما لاستعادة المواد القيمة أو تخفيف أعباء التخلص الطويلة الأجل، وإذا كانت هذه النفايات تحتوي على البلوتونيوم المنفصل، فإن خطر الانتشار يتصاعد، ويمكن أن تكسر هذه الدورة باستهلاك النظائر ذات الصبغة التي تجعل الوقود المستهلك مشكلة.

وفي مفاعل سريع ذي إعادة تدوير متعددة، يمكن تخفيض كمية النفايات عبروراني بنسبة 80-90 في المائة مقارنة بدورة الوقود المفتوحة، أما النفايات المتبقية فتحتاج إلى فترة أقل من فترة التحلل في السمية المشعة (بضع مئات السنين بدلاً من عشرات الآلاف) مما يجعلها، بدورها، تبسط متطلبات التخلص الجيولوجي وتخفض عدد المستودعات اللازمة في جميع أنحاء العالم.

التحديات التي تواجه عدم الانتشار من تكنولوجيا بريدر السريعة

وسيكون من غير المسؤول عرض التقارير المالية على أنها حلاً للحلول، كما أن التكنولوجيا تستحدث شواغل خاصة بالانتشار يجب معالجتها بشكل صريح.

Plutonium Separation at Scale

وأي دورة من دورات الوقود المغلقة، سواء كانت للمفاعلات الحرارية أو السريعة، تشمل إعادة المعالجة، أما مصانع إعادة المعالجة التجارية )مثل لاهاي في فرنسا، وسيلافيلد في المملكة المتحدة، وروكاشو في اليابان( فهي تعالج بالفعل آلاف الأطنان من الوقود المستهلك سنويا، كما أن أسطولا كبيرا من مركبات الاحتباس الحراري يتطلب قدرة أكبر على إعادة المعالجة، ويمكن أن يؤدي استخدام هذه المواد الارتقاء بالبلومونيوم حتى وإن لم تكن أسلحة قابلة للتحويل.

ضمان سلامة المفاعلات السريعة

وتشكل المفاعلات السريعة تحديات فريدة بالنسبة للمحاسبة المتعلقة بالمواد النووية، إذ أن التبريد الصوديومي غير قابل للاشتعال؛ وعمليات معالجة الوقود معقدة؛ وتختلف الهندسة الأساسية عن أدوات مفاعلات المياه الخفيفة، و " المحاسبة التقليدية " (محاسبة فرادى مجمعات الوقود) مباشرة بالنسبة للوقود الجديد، ولكن قياس المحتوى الإنشطاري في النواحي الأساسية أثناء الإشعاعية يتطلب ضمانات متطورة غير مدروسة من جانب الوكالة.

الانتشار عن طريق " هايدن "

ومن الناحية النظرية، يمكن للدولة المصممة أن تبني مفاعلا سريعا لتوليد البلوتونيوم المزود بالأسلحة، مما يجعل من الممكن أن ينتج البلوتونيوم الذي يرتفع فيه عدد المصممين من حيث التكاثر، مع وجود نسبة عالية من البوتونيوم (النظير المفضل للأسلحة) إذا تم تصريف الوقود في وقت مبكر، ولهذا السبب فإن جميع مشاريع القوات المسلحة الرواندية الموجهة إلى الطاقة المدنية تخضع لاتفاقات الضمانات الشاملة للوكالة الدولية للطاقة الذرية.

البرامج الحالية للطوارئ السريعة وسجلها الخاص بعدم الانتشار

وحتى عام 2025، لم يُضطلع إلا بقلة من البلدان بتطوير نشط في مجال إعادة بناء الثقة، إذ تعمل روسيا على تشغيل المفاعل السريع التجاري الوحيد في العالم (BN-800) وتقوم ببناء أكبر حجماً من BN-1200، وتكلف الهند بصنع أسطولها من المركبات النووية المتعددة الكلور، وتخطط لاستقبال ستة أضعاف، وقد أوقفت اليابان العمل إلى أجل غير مسمى، ولكنها تواصل البحث في موقعي يو ومؤسسة التمويل المشترك.

وجميع هذه البرامج تخضع لضمانات الوكالة الدولية للطاقة الذرية، ومن الجدير بالذكر أن البرنامج الروسي الذي يبيع الكهرباء من طراز BN800 إلى الشبكة ويستخدمها في كل من التخلص من الطاقة والبلوتونيوم - يشار إليه على نطاق واسع كنموذج لكيفية إدماج أهداف عدم الانتشار في العمليات التجارية.

إن حالة الهند فريدة لأنها ليست موقعة على معاهدة عدم الانتشار ولكنها تعمل بموجب اتفاق ضمانات مع الوكالة الدولية للطاقة الذرية منذ التعاون النووي المدني بين الولايات المتحدة والهند في عام 2008، ويهدف برنامجها الخاص بالتوالد إلى استغلال ثوريوم، الذي يقلل بطبيعته من خطر الانتشار، ومع ذلك فإن الوقود الأولي للجبهة الشعبية للتحرير هو موكس يحتوي على البلوتونيوم المنفصل عن المفاعل الحراري المستنفد الذي يحميه الوقود.

The Path Forward: Engineering and Policy

ولكي تسهم المفاعلات السريعة التوليد إسهاماً مجدياً في عدم الانتشار النووي، يجب الوفاء بعدة شروط.

التطبيق العالمي للضمانات

ولا ينبغي لأي بلد أن يعمل في إطار عملية بناء الثقة دون اتفاق ضمانات شامل وبروتوكول إضافي، وتحتاج الوكالة الدولية للطاقة الذرية إلى إجراءات تفتيش مخصصة للمفاعلات السريعة، وهي جهود يجري بذلها من خلال برامج دعم الدول الأعضاء، وتجمل صفحة ضمانات الوكالة الدولية للطاقة الذرية النُهج الحالية.

الملكية الدولية أو الاشتراك في المواقع

ومن بين الأفكار التي تُعوم أحياناً في مجال الأسلحة إنشاء مراكز متعددة الجنسيات لدورات الوقود، حيث تملك اتحادات دولية وتدير مصانع إعادة المعالجة، وهذا الترتيب يجعل تحويلها أكثر صعوبة ويبني الثقة فيما بين الدول، ويوضح المركز الروسي الدولي لتخصيب اليورانيوم و " بنك الوقود " التابع للوكالة الدولية للطاقة الذرية المبدأ، وإن لم يشمل أي منهما بعد وقود FBR.

إعادة تدوير متقدمة تتجنب البلوتونيوم

وينبغي التعجيل بالبحث في تقنيات التجهيز بالبيروت وغيرها من تقنيات الفصل " المجمّعة " ، وإذا كان بإمكان دورات الوقود في المستقبل أن تتجنب أبداً إنتاج تدفق مستقل للبلوتونيوم، وبدلاً من ذلك تطويع الوصلات المشتركة بين مختلف المناطق، فإن وزارة الطاقة في الولايات المتحدة قد درست هذه النظم في سياق برنامج Advanced Remonstration Program

الاقتصاد السليم والتنظيم القوي

وحتى أفضل تصميم لعدم الانتشار لا صلة له إذا لم يُبنى المفاعل، فالعمليات المولدة للطائرات المفلورة اليوم هي أكثر تكلفة لكل كيلوت ساعة من مفاعلات المياه الخفيفة، وذلك جزئيا بسبب ارتفاع تكلفة رأس المال لنظم الصوديوم والحاجة إلى إعادة المعالجة المتكررة، إذ إن جعل التضحية بالمركبات الفلورية قادرة على المنافسة اقتصاديا يتطلب تطويرا تكنولوجيا (التصميم المبسط، ودورات الوقودية الطويلة، والمواد المحسنة) وسياسات السلامة من الكربون.

الخلاصة: دور متفائل بحذر

إن مفاعلات التوليد السريعة ليست إجابة عجيبة على الانتشار النووي، فهي معقدة ومكلفة وقادرة على إساءة استخدامها إن لم تكن خاضعة للرقابة بعناية، ولكنها توفر أيضا الطريقة الوحيدة التي ثبتت جدواها لخفض مخزونات البلوتونيوم المنفصل، وتقليل النفايات العالية المستوى، وتحويل الموارد الخصبة الوفيرة إلى طاقة طويلة الأجل، وفي عالم تنظر فيه دول عديدة في توسيع نطاق الطاقة النووية، وتسعى فيه أيضاً إلى تعزيز نظام عدم الانتشار النووي.

ولا يلزم أن يكون مستقبل الطاقة النووية خيارا بين الاستدامة والأمن، فبموجب الهندسة المناسبة والضوابط المؤسسية والتصميم السياسي، قد تساعد مفاعلات التوليد السريع على سد الفجوة، والمفتاح هو المضي قدما عن عمد والتعلم من النكسات السابقة، والإصرار على أن عدم الانتشار ليس خيارا بل شرطا يُشترط في كل مرحلة من مراحل تصميم المفاعلات وتشغيلها.