النظر في الترخيص لاستخدام بدائل المبردات في المفاعلات النووية

مقدمة: التحول الاستراتيجي نحو بدائل

ويخضع قطاع الطاقة النووية العالمي لضغوط مستمرة لزيادة هوامش الأمان، وتحسين الكفاءة الحرارية، وتوسيع نطاق عمر تشغيل المنشآت، وبينما تهيمن مفاعلات المياه الخفيفة على توليد الطاقة التجارية منذ عقود، على المياه باعتبارها مبردة وموصلة للتحكم، وهي جيل جديد من تصميمات المفاعلات، يصنف في كثير من الأحيان على أنه جيل رابع، يعيد النظر في دور المبردات التي تعمل بالغازلة السائلة.

إن الترخيص بمبرد جديد ليس مجرد مسألة استبدال سوائل أخرى، بل يتطلب إعادة صقل شامل لحالة سلامة المفاعل، من الفيزياء الأساسية إلى سلوك الاحتواء، ومن التوافق المادي إلى التقدم في الحوادث، وتستكشف هذه المادة الاعتبارات الرئيسية المتعلقة بالترخيص التي يجب على المهندسين والمنظمين ومشغلي المنشآت أن يعالجوها عند إدخال بدائل للمفاعلات النووية، وتوفر أفكاراً عملية بشأن مجمعات النفايات.

الإطار التنظيمي للملاءمة المبردة

وتخضع الموافقة على أي مبرد جديد للمفاعل النووي لاختصاص الهيئات التنظيمية الوطنية، وكل عمل في إطار قانوني يعطي الأولوية للصحة العامة والسلامة والحماية البيئية، وفي الولايات المتحدة، تنظم اللجنة التنظيمية النووية العملية من خلال الباب 10 من مدونة الأنظمة الاتحادية، ولا سيما الجزء 50 (الترخيص المحلي لمرافق الإنتاج والاستخدام) والباب 52 (الرخص والتصديقات والموافقات على الامتثال لمصانع الطاقة الذرية).

المشاركة في عملية ما قبل التطبيق والجلسات المبكرة

ويبدأ الترخيص الناجح قبل تقديم الطلب الرسمي بوقت طويل، ويشجع المنظمون الحوار المبكر المتكرر من خلال استعراضات ما قبل التطبيق، التي يحدد فيها مقدم الطلب الأساس التصميمي، ويحدد التحديات المحتملة في مجال الترخيص، ويقترحون منهجيات الاختبار والتحليل، وهذه المرحلة حاسمة بالنسبة للمبردات البديلة لأنها تحدد معايير القبول بالنسبة لمعايير السلامة الرئيسية مثل نقطة التغليب المبردة، ومعامل التوسع الحراري، ومنتجات التحلل الشعاعي.

محتويات الطلبات والوثائق

ويجب أن يتضمن طلب الترخيص الرسمي (مثلاً شهادة الرخصة أو التصميم المجمعة في الولايات المتحدة) تقريراً عن تحليل السلامة يتناول المبرد بالتفصيل الشامل.

• Thermal-hydraulic performance] - معاملات نقل الحرارة، ونظم التدفق، والقدرة على التداول الطبيعي في ظل ظروف حرارة مزرية.
• - الاستقرار الكيميائي - رد الفعل مع الهواء والماء والمواد الهيكلية؛ تشكيل أنواع متفجرة أو مهابط صلبة.
• Radiation chemistry] - generation of corrosive radicals, tritium, or other activation products.
• Neutronics impact] - effects on neutron moderation, absorption, and spectrum, which directly influence reactivity control and fuel burningup.
• حدود التشغيل - درجات الحرارة المسموح بها، والضغط، ونطاقات معدلات التدفق، بالإضافة إلى متطلبات التأثيث والمراقبة.

وكثيراً ما يتطلب المنظمون أن تكون رموز الحواسيب المصدق عليها (مثلاً، RLAP5، TRACE، أو MELCOR) أو بيانات تجريبية لدعم مطالبات السلامة، كما أن الافتقار إلى البيانات المتاحة للجمهور لمبرد بديل يمكن أن يبطئ عملية الاستعراض ويزيد من عبء الإثبات على مقدم الطلب.

مراحل الاستعراض والتفتيش

وبعد تقديم الطلب، قام الموظفون الفنيون التابعون للتنظيم بتنظيمهم في فروع تغطي نظم المفاعلات والمواد والتراخيص، وإجراء استعراض مفصل، وقد ينطوي هذا الاستعراض، بالنسبة للمبردات البديلة، على حسابات مستقلة، ومراجعة لمرافق الاختبار، وطلبات الحصول على معلومات إضافية، فعلى سبيل المثال، لدى المركز الوطني لإعادة التأهيل خطة استعراض موحدة تتضمن " معايير قبول " محددة لكل فصل من فصول البحث العلمي، إذا كانت معايير الرش البديلة تختلف اختلافاً كبيراً عن معايير المياه القائمة.

وتتحقق عمليات التفتيش أثناء التشييد والاختبارات السابقة للعمليات من أن نوعية التبريد، ومراقبة الكيمياء، ونُظم التنقية تستوفي مواصفات التصميم، ويمكن لأي انحراف أن يحفز على إصدار تقرير " غير مطابق " ويحتاج إلى إجراءات إعادة الترخيص.

باء - تحليل السلامة وعملية الترخيص للمبردات البديلة

ويشكل تحليل السلامة الشامل العمود الفقري لأي جهد لترخيص مبرد، ويجب أن يغطي التحليل جميع حوادث التصميم والتصميم، وبالنسبة للمفاعلات المتقدمة، فإن الأحداث التي تتجاوز الحدود القصوى للتصميم، وبالنسبة للمبردات البديلة، تحتاج المجالات التالية إلى اهتمام خاص.

Thermal-Hydraulic Transient and Accident Analysis

والمفاعلات التي تُستخدم في إعادة توزيع المياه تستفيد من عقود من البيانات التجريبية ومن الرموز المصدق عليها، وبالنسبة للمبردات البديلة، مثل الصوديوم السائل أو البيوت الرصاصية، فإن خصائص النقل الحراري تختلف من حيث الجوهر، إذ أن هناك قدرة حرارية أعلى بكثير، كما أنها تقل قدرة الحرارة لكل حجم الوحدة.

ومن الجوانب الحاسمة سلوك المبرد في ظروف الحوادث الشديدة، مثلا، فإن الصوديوم يتفاعل عنيفا مع المياه والهواء، مما يتطلب وجود نظم غسيل غير مغطى بالغاز وثغرات نقل حرارة ثانوية، ويمكن أن تصبح مبردات الملح المتحركة، رغم استقرارها كيميائيا، مواد هيكلية شديدة الحرارة ويمكن أن تخضع للنقل بالنوسيد الشعاعي إذا تم إطلاق أملاح الوقود.

Probabilistic Risk Assessment (PRA)

ويزداد اعتماد المنظمين على اللوائح القائمة على أساس المخاطر والأداء، إذ يتعين على هيئة الترخيص المبرد أن تحدد كمياً تواتر ونتائج الإخفاقات المتصلة بالمبردات مثل التسربات أو الاختلالات أو التبريد في الجودة، كما أن أساليب الفشل الفريدة في التبريد البديلة - مثل حرائق الصوديوم، أو التجميد في أحواض التجمد (توحيد المقاييس عند 123 درجة مئوية للحدث المدمج في LBE).

مجموعة أدوات التأهيل والتقييم

ومن أهم التحديات التي تواجه الترخيص نقص رموز الحواسيب المصدق عليها للمبردات البديلة، وفي حين أن اللجنة الوطنية للمواد قد وضعت رموز " السائل " و " التداول " في المقام الأول بالنسبة للآليات المحلية، فإن الرموز الجديدة مثل " سيمير " (بالنسبة للمفاعلات السائلة) و " ميكرو " (بالنسبة لكيمياء المفاعلات المتقدمة) لا تزال تُثبتة.

المقارنات والاختبارات المادية

وتتفاعل المبردات البديلة مع المواد الهيكلية للمفاعلات )مثل الصلب اللامع، والنفاذ النيكل، والغرافيت( بطرق غير مفهومة على نحو سليم بالنسبة للماء. ويمكن للكوروزيون، والتآكل، والنقل الجماعي لعناصر السكك الحديدية أن يزيل الأنابيب المحمومة، وغسل الوقود، وضخات الضخ على حياة تصميم المفاعل )التي تبلغ عادة من ٤٠ إلى ٦٠ سنة(.

اختبارات الكور والارتفاع

ويمكن للمعادن السائلة وأملاح الفستين أن تحل طبقات أكسيد الحماية على المعادن، مما يؤدي إلى تآكل سريع، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تهاجم نتائج الاختبارات التي تستخدم في البذور الفولاذية بواسطة آليات التفكك والأكسدة، وتحتاج إلى مراقبة دقيقة لتركيز الأوكسجين في البرودة، ويجب أن توثق عروض الترسبات الطويلة الأجل (تشمل على الأقل 10 آلاف ساعة في بيئة مثالية).

آثار الإشعاع على التفاعل بين المبردات والعالم

ويمكن أن يغير الإشعال العصبي مقاومة المواد من خلال إدخال التفرقة أو التصعيد الناجم عن الإشعاع، وفي بيئة ذات مليئ أو مائل، قد يؤدي الإشعال إلى أن ينتج المبرد نفسه أنواعاً عدوانية (مثلاً، جذر الفلور من الملح المفلور).

الارتجاف، اللبس، والريب

والمكونات التي تتصل بالمبردات المتدفقة مثل مواضع تجميع الوقود، وأنبوبات توجيه العجلات المتحكمة، وحوادث المضخات التي قد تكون مجمدة للارتداء أو التآكل، وبالنسبة للمبردات العالية الحرارة (مثل غاز الهيليوم عند 850 درجة مئوية)، يصبح قوام التمزق المخيف عاملاً مقيداً، ويتطلب الترخيص تقديم بيانات اختبارات الارتداء والزاحف في ظروف محددة بمبردات، إلى جانب جداول التفتيش والاستبدال.

التحديات والنظر في منح التراخيص

وحتى عندما يتم بناء حالة أمان قوية، قد تؤخر عدة تحديات منهجية أو تمنع الموافقة على الترخيص للمبردات البديلة.

عدم وجود بيانات تشغيلية طويلة الأجل

وتطبق الصناعة النووية على مبدأ " الدفاع بعمق " الذي يعتمد على التجربة، وبالنسبة للمبردات البديلة، كثيرا ما يقتصر تاريخ التشغيل على مفاعلات البحوث أو النماذج الأولية الصغيرة، ولا تزيد المفاعلات السريعة التي تعمل بالفول السوداني BN-600 و BN-800 على مدى سنوات العمل، إلا أن المفاعلات المزودة بأجهزة التحكم في إنتاج المواد الغذائية لا تقبل البيانات الأجنبية دون تحقق واسع النطاق.

المرونة التنظيمية والتعريف

وقد وضعت أطر الترخيص القائمة مع مراعاة المفاعلات المحتوية على المياه، وقد تتعدى المبردات البديلة بطبيعة الحال بعض التقدم في الحوادث (مثلاً، توجد لدى الملح المستنكب نقاط مرتفعة جداً، وتقضي عملياً على حوادث الغليان المبردة) ولكنها قد تستحدث أساليب فشل جديدة غير مشمولة صراحة، وتختلف الوكالات التنظيمية في استعدادها لمنح إعفاءات أو اعتماد معايير أمان بديلة(19).

التصور العام ومشاركة أصحاب المصلحة

وكثيراً ما تثير التبريدات البديلة قلقاً عاماً بسبب عدم قدرة الممتلكات على الحرق، أو سمية الرصاص، أو النشاط الإشعاعي للتريتيوم المنتج في أملاح الفلوريد، ويجب أن تعالج جلسات الاستماع وإصدار بيانات الأثر البيئي هذه الشواغل بشكل شفاف، ويمكن أن يؤدي الاتصال العام المبكر والمستدام إلى تخفيف حدة المعارضة، خاصة عندما تكون الفوائد (مثلاً، انخفاض النفايات، والسلامة المتأصلة) واضحة.

الاعتبارات المتعلقة بالتأهب البيئي والطارئ

إن إدخال مبرد جديد في دورة الوقود النووي يؤدي إلى إجراء تقييمات بيئية واستعراض للتخطيط لحالات الطوارئ، وهذه العمليات جزء لا يتجزأ من تطبيق الترخيص.

بيان الأثر البيئي

وبموجب قانون السياسة البيئية الوطنية في الولايات المتحدة، يجب على نظام المعلومات البيئية أن يقيّم دورة حياة المبرد بأكملها: استخراج المفاعل وتنقيته واستخدامه والتخلص منه أو إعادة تدويره في نهاية المطاف، مثلاً، إنتاج الصوديوم عن طريق التحلل الكهربائي للملح المستنقع، الذي له آثار بيئية، كما أن نظام المعلومات البيئية قد يُنظر في نتائج إطلاق مبرد - المواد الكيميائية السامة؟ وهل ستُنتج المواد الكيميائية البديلة عن ذلك التلوث؟

مناطق التخفيف من حدة الحوادث والتخطيط لحالات الطوارئ

وتتوقف خطط التأهب لحالات الطوارئ على المدى المصدري وعلى الاستجابة للحوادث ذات الصلة بالمبردات، وبالنسبة لمفاعل مصمم على الصوديوم، فإن رد فعل الصوديوم - المياه في مولد البخار ينتج الهيدروجين، مما يخلق مخاطر انفجار، ويجب أن تحدد خطة الطوارئ كيفية عزل ردود الفعل، وإطفاء حريق الصوديوم (يستخدم المسحوق الجاف أو الغاز غير المائي، ولا يُستخدم الماء) وحماية الأفراد من التلوث بالغازات الحرارية.

إدارة النفايات والتخلص منها

وفي نهاية حياة المفاعل، يصبح التبريد نفسه نفايات مشعة، أو إذا أمكن تنظيفه، مادة قابلة لإعادة التدوير، ويجب أن تتضمن تطبيقات الترخيص خطة للمناولة المبردة أثناء التوقف عن العمل، فعلى سبيل المثال، فإن مبرد الصوديوم، يتفاعل عنيفا مع المياه، ويجب تحويله إلى هيدروكسيد الصوديوم أو التخلص منه عن طريق عملية خاضعة للمراقبة، مما يزيد من تعقيده وتكلفته التي يجب أن تُدرج في نظام الترخيص.

دراسات حالة في مجال إصدار التراخيص المبردة

ولإظهار الحقائق العملية لترخيص المبردات البديلة، من المفيد دراسة عدد قليل من الجهود المبذولة في العالم الحقيقي.

Liquid Sodium: The U.S. Clinch River Breeder Reactor

وفي السبعينات والثمانينات، كان مشروع مفاعل نهر كلينش في تينيسي يهدف إلى بناء مفاعل سريع مجهز بالفول السوداني، ورغم العمل المكثف في مجال التصميم واستعراض الترخيص الجزئي، ألغي المشروع بسبب تجاوز التكاليف والشواغل المتعلقة بعدم الانتشار النووي، وكان أحد الدروس الرئيسية في مجال الترخيص هو صعوبة إثبات ظاهرة التبريد في الفول الصوديوم، حيث تُحدث أحداثاً حادة (تمثل في حالة التأشير).

مفاعلات بيزموث: غواصة روسية ومفاعلات أرضية

(د) قامت روسيا بتشغيل مفاعلات مجهزة بالرصاص في غواصة من طراز ألفا، وقامت لاحقاً بتطوير تصميم SVBR-100 للاستخدام التجاري، وقد اعتمد الترخيص لهذه المفاعلات من قبل المنظمين الروس (Rostechnadzor) اعتماداً كبيراً على البيانات التشغيلية المحلية وبرنامج بحوث السلامة المركزية.() ويواجه البائعون الدوليون الذين يسعون إلى الترخيص بمفاعل تجريبي في مكان آخر تحدياً يتمثل في إعادة إنتاج هذا التاريخ التشغيلي.

Molten Salt: The Terrestrial Energy IMSR

وتضع شركة الطاقة الأرضية، وهي شركة كندية، مفاعلات الملح المختلط بالفلورين باستخدام مبردات الملح الفلوريد، وقد أجرت الشركة استعراضا مسبقا لتصميم البائعين مع لجنة السلامة النووية الكندية منذ عام 2016، وقد تركزت هذه المجموعة الرئيسية على مفهوم " استراتيجية التكتل بالوقود " الذي يتطلب تبسيطا في صحة المواد.

خاتمة

وتمثل التبريدات البديلة حدودا واعدة للطاقة النووية، وتوفر إمكانية زيادة الكفاءة، وانخفاض النفايات، وتعزيز السلامة المتأصلة، غير أن مسار الترخيص أكثر صعوبة مما كان متوقعا في كثير من الأحيان، ومن المؤهلات المتعلقة بالرمز الحراري - الهيدروليكي إلى اختبار التآكل المادي، ومن بيانات الأثر البيئي إلى التخطيط لحالات الطوارئ، يجب أن يعاد بناء كل جانب من جوانب قضية سلامة المفاعل حول الخواص الفريدة التي تجنيها الحدود الباردة.

وبالنسبة لمطوري المشاريع، فإن المنفذ الرئيسي واضح: ميزانية لعملية إصدار تراخيص أطول وأكثر كثافة من حيث الموارد، وإشراك المنظمين في وقت مبكر ببيانات مصدق عليها ومعايير قبول واضحة، مع استمرار التعاون - كما يتضح من عمل [FLT:] ] [FLactT:]