تحليل المنافع البيئية لمصانع الطاقة النووية في كاندو

Understanding CANDU Reactor Technology

ومفاعل CANDU - CANada Deuterium Uranium] - يقف بمثابة إنجاز متميز في الهندسة النووية، الذي تم تطويره في كندا خلال الخمسينات والستينات، خلافا لمفاعلات المياه الخفيفة التي تسيطر على الأسطول النووي العالمي، تستخدم وحدات CANDU المياه الثقيلة (الأكسيد الديوترومي) كمدير للتصميم التفاضلي ومفاعلات التبريد.

فالمياه الثقيلة تستوعب كميات ضئيلة من النيوترونات مقارنة بالمياه الخفيفة العادية، مما يسمح للمفاعل بأن يحافظ على تفاعل متسلسل باستخدام وقود اليورانيوم الطبيعي الذي لا يحتوي إلا على نحو 0.7 في المائة من اليورانيوم الإنشطاري - 235، ومعظم المفاعلات التجارية الأخرى تتطلب اليورانيوم المخصب، حيث يرتفع التركيز الإنشطاري إلى 3.5 في المائة من خلال العمليات الصناعية الكثيفة الطاقة، وبإلغاء التخصيب، تزيل تكنولوجيا الإثراء الإثراء خطوة تستهلك تاريخيا كميات كبيرة من الكهرباء وتتركّز في البلدان فقط.

وتبدأ دورة الوقود الخاصة بوحدة الجمارك في كندا بضغطات ثاني أكسيد اليورانيوم في شكل مدمج وختم داخل أنبوب الزيلوسلوي ذات الجدران الرقيقة، وتُحمَّل هذه المستودعات الوقودية التي تبلغ وزنها نحو 24 كيلوغراماً، إلى مئات من أنبوب الضغط الأفقي التي تدور عبر سفينة أكبر من الكالاندريا تملأها مشغلة المياه الثقيلة، ويحل هيكل الضغط المتحرك محل سفينة واحدة كبيرة تعمل في مفاعلات.

ومن أكثر الملامح تميزاً من الناحية التشغيلية لمفاعلات الاتحاد الوطني للاستقلال التام للوقود، حيث يقترب جهازان للوقود يتم التحكم بهما عن بعد من نهايات قناة الوقود، ويدفعان الحزم الطازجة من جانب واحد بينما تطرد الحزم من الجانب الآخر، وتتحقق هذه العملية بينما يواصل المفاعل توليد الكهرباء بالطاقة الكاملة، وعلى النقيض من ذلك، تعطل مفاعلات المياه الخفيفة كل 18-24 شهراً عن عدة أسابيع.

ومن منظور بيئي، فإن الطاقة النووية من جميع الأنواع تتقاسم الميزة الأساسية لإنتاج الكهرباء دون انبعاثات الاحتراق المباشر، وتقييم دورة الحياة من الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ والدراسات التي نشرتها الرابطة العالمية النووية تضع باستمرار كثافة غازات الدفيئة في الطاقة النووية على نحو 12 غراما من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوواط ساعة، مقارنة بالطاقة الريحية والكهرباء المائية، ويمكن أن تحقق التصميم المحدد لوقود هذه النتائج في نهاية سلسلة الإمداد الدنيا.

دورة إنتاج وإدارة المياه الثقيلة

ويستحق إنتاج المياه الثقيلة اهتماماً دقيقاً في أي تحليل بيئي لتكنولوجيا الـ CANDU، حيث يحدث الـ ديوتيريوم بصورة طبيعية في الماء بتركيز يناهز ذرة واحدة في 400 6 ذرة، حيث إن تركيزه على النقاء اللازم لتشغيل المفاعلات، الذي يبلغ 99.7 في المائة، يتطلب عملية انفصال النظائر، وقد استخدمت كندا في الماضي عملية سلفيد غيدرر، التي استهلكت طاقة كبيرة واشدتها غاز الكبريتيد.

ويُستحوذ الاستثمار البيئي الواجهي في إنتاج المياه الثقيلة على مدى عقود من تشغيل المفاعلات، وقد تكون نظم الموصلات والمبردات هي حلقات مغلقة، كما أن الخسائر خلال العمليات العادية ضئيلة، إذ يُنقّط العاملون باستمرار المياه الثقيلة لإزالة الاضطرابات الكيميائية والإشعاعية، ويحافظون على كفاءة استخدامها، وقد تحتوي وحدة واحدة من وحدات وحدة CANDU على عدة مئات من الأطنان من المياه الثقيلة، ولكن هذه المواد تستمر في الحياة التشغيلية للمصنع المستعادة ويمكن استعادتها.

Lifecycle Emissions and Climate Mitigation Performance

وعند مقارنة المصادر المتقطعة المتجددة، توفر محطات الكوندو طاقة ثابتة وقابلة للإرسال دون أن تتطلب تخزينا كبيرا للطاقة أو دعما للوقود الأحفوري، وتتحمل هذه الخصائص من خدمات الشبكة فوائد بيئية غير مباشرة كبيرة، وكثيرا ما تعتمد المحاجر التي لا تحمل حمولة أساسية منخفضة الكربون على محطات ذروة الغاز الطبيعي التي تنفجر عند هبوط إنتاج الرياح أو الطاقة الشمسية.

وتملك محطة متعددة الوحدات مساحة مساحتها بضعة كيلومترات مربعة، بينما تحتاج المزارع الشمسية أو الحدائق الهوائية المكافئة إلى مساحة أرضية أكثر مئات المرات، وتخفض هذه البصمة المدمجة تجزؤ الموائل وتحافظ على الأراضي الزراعية وتخفض إلى أدنى حد التأثير البصري على المناظر الطبيعية المحيطة، وفي أونتاريو حيث توفر مفاعلات الكوندو أقل كمية من الكهرباء في المقاطعة.

إن موارد اليورانيوم الكندية وهياكل تصنيع الوقود توفر قدرة على مواجهة سلسلة الإمداد التي لا تملكها بلدان كثيرة المستوردة للوقود المخصب، وتستضيف حوض آثاباسكا في شمال ساسكاتشوان بعض أرباع اليورانيوم الأعلى رتبة في العالم، مما يعني أن أقل تحركاً في الصخور، وأقل حرقاً في معدات التعدين، وأقل من ذيول كل وحدة من الطاقة المنتجة، وهذه السلسلة المحلية من الإمدادات يمكن أن تقلل من آثار الكربون غير المباشرة المرتبطة بالشحن الدولي.

مرونة الوقود وكفاءة استخدام الموارد

أحد أكثر القدرات البيئية تميزاً للوحدة يكمن في قدرتها على التكيف مع أنواع الوقود خارج اليورانيوم الطبيعي لأن المياه الثقيلة تُعتدل النيوترونات بشكل فعال جداً، تنتج اللبّية فائضاً عن النيوترونات التي يمكنها تحويل المواد الخصبة إلى مواد انشطارية، وهذا يفتح الباب أمام ما يطلق عليه محللو الطاقة أثراً مضاعفاً للموارد، وهناك عدة دورات وقود بديلة تُظهر وعداً خاصاً.

اليورانيوم المسترد من أجهزة التبريد العاملة بالماء الخفيف

وبعد أن يُنفق اليورانيوم المخصب الموحد في مفاعل مائي مكثف، لا يزال يحتفظ بمحتوى انشطاري يزيد عن 0.7 في المائة من اليورانيوم الطبيعي، ويمكن لمفاعلات اليورانيوم المستنفد أن تستخدم هذا اليورانيوم المعاد تجهيزه مباشرة دون إعادة التخصيب، وبذلك يستخرج اليورانيوم من الطاقة الإضافية التي ستتخلص من النفايات، مما يقلل الحجم الصافي للوقود المستهلك لكل وحدة من وحدات التعدين التي تولدها.

خلايا أوكسيد الفول وعجلات الثيوم

إن ثوريوم أكثر وفرة من اليورانيوم بحوالي ثلاثة إلى أربع مرات، فاقتصاد النيوترونات في كوندو يجعله منبراً ممتازاً لتشعير ثوريوم - 233 لإنتاج اليورانيوم - النظير الإنشطاري المناسب لتوليد الطاقة، وفي حين أن دورة هرمونات مغلقة تماماً لا تزال قيد التطوير، فإن عدة مشاعل تجريبية قد تُجرى في إمدادات الوقود ومفاعلات الصنبور النووية.

Actinide Burning for Waste Reduction

ويمكن أن يؤدي ارتفاع التدفق النيوترونات في أحد النوادي الأساسية في كندا إلى تحويل هذه العناصر إلى نظائر مصغرة أو مستقرة من خلال الاستيلاء على النيوترونات وما تلاها من فتيلات، وفي حين أن هذا الخيار لم ينشر بعد على نطاق تجاري، فإن هذا الخيار يجعل من الممكن أن تكون دورة النفايات الخطرة في كندا هي من المواد الخطرة.

عملية الدعم

وهناك خيار مميز متاح لدورات وقود الكوندو هو DUPIC] عملية - استخدام وقود PWR المستهلك في كندا بطريقة غير مقصودة، وهو ما يبحثه المعهد الكوري لبحوث الطاقة الذرية بالتعاون مع الشركاء الكنديين، وهو ينطوي على الوقود المستهلك في التجهيز الجاف من مفاعلات المياه الخفيفة لتصنيف مواسير جديدة للانتشار النووي دون انفصال.

استراتيجيات إدارة النفايات والتقليل منها

ولا تزال النفايات النووية أكثر الشواغل البيئية مناقشة بالنسبة لأي نظام من نظم المفاعلات، إذ تنتج محطات الاتحاد الوطني للاستقلال من الوقود المستنفد الذي يحترق بدرجة أقل من الوقود المستخرج من مفاعلات المياه المضغطة - ويصل حجمها إلى 500 7 يوم من أيام عمل الميغاوات لكل طن مقارنة بـ 000 45 من الـ 000 من الـميغاواط/لتر أو أكثر من الوقود المخصب، مما يعني أن المزيد من أرباح الوقود يتم تفريغها في بعض الأحيان من وحدة الكهرباء المولدة.

غير أن الصورة أكثر دقة، كما أن انخفاض الاحتراق يعني انخفاض تركيزات بعض المنتجات الانشطارية والأكسيدات لكل مجموعة، مما يمكن أن يبسط مناولة البيوت ويقلل حرارة التحلل لكل قطعة، والوقود المستهلك مادة سماوية صلبة محصورة في مادة الزرقوسلوية المقاومة للتآكل، مما يجعلها قوية وغير قابلة للتفرق في الهواء أو الماء.

إن الحجم المادي لجميع أنواع الوقود النووي المستخدم التي ينتجها أسطول كندا من الاتحاد الكندي لليد والنووي سيلائم حفنة من أحواض الهوكي المكدسة في اللوحات، وعلى النقيض من ذلك، فإن الرماد الفحمي - المحتوي على معادن ثقيلة والمواد المشعة التي تحدث بصورة طبيعية - متراكمة بملايين الأطنان في النباتات الحرارية في جميع أنحاء العالم، وكثيرا ما تخزن في مساحات سطحية عانت من الفشل مفائل.

ويوفر تصميم قنوات الوقود الأفقي والقدرة على إعادة الوقود على الطاقة منافع بيئية إضافية، ويمكن الكشف المبكر عن الوقود المتخلف عن طريق رصد نشاط التبريد على الإنترنت، ويمكن استرجاع فرادى الحزم دون انقطاع نباتي، ويقلل الكشف المبكر من إمكانية انتشار الملوثات ويبقي التبريد الأولي نظيفا، ويقلل من التصريفات السائلة المشعة إلى مستويات لا تذكر.

طول العمر التشغيلي وكفاءة الهياكل الأساسية

وقد أظهرت مفاعلات الاتحاد الوطني لكوت ديفوار حياة تشغيلية طويلة للغاية، حيث عملت وحدات في مصانع بيكرينغ وبروس ودارلنغتون في أونتاريو لمدة تتراوح بين 30 و50 سنة، وتهدف برامج التجديد الواسعة النطاق إلى توسيع نطاق خدمتها لمدة 30 سنة أو أكثر، وتترجم هذه الطولة مباشرة إلى ميزة بيئية: رأس المال الأمامي والاستثمارات المادية - الطاقة الخرسانية والنحاسية - ثمانية عقود من التطهير.

أما التجديد نفسه، في حين أن مهمة صناعية ضخمة تشمل استبدال أنبوب الضغط، والأنابيب المغذية، وغيرها من المكونات الأساسية، فهي أقل اضطراباً بكثير من بناء محطة جديدة للمنافذ الخضراء، كما أن المباني القائمة للاحتواء، وقاعات التربين، ونظم التبريد، وممرات النقل، مما يحد من تغير استخدام الأراضي، وتشتت الموئل، وانبعاثات الكربون المرتبطة بإنتاج عمليات جديدة للتشاور بشأن نوعية البروساريو.

اعتبارات التشريد الحراري واستخدام المياه

وعلى محطات توليد الطاقة الحرارية أن ترفض حرارة النفايات إلى البيئة، ومعظم الوحدات الكندية تستخدم التبريد من منطقة البحيرات الكبرى مرة واحدة، وتعيد المياه إلى درجة حرارة أقل من درجة الحرارة المتحصل عليها، ويمكن أن تؤثر السباكات الحرارية على النظم الإيكولوجية المائية المحلية، ويمكن أن تُفضل بعض الأنواع بينما تُعدم فيها التأثير على الآخرين، ويُطلب من المشغلين أن يستوفوا حدود درجات الحرارة القصوى وأن يرصدوا المجتمعات البيولوجية المحيطة بنقاط الذروة.

وتتراوح كفاءة الطاقة الحرارية في وحدة الكهرباء التي تولدها وحدة الطاقة الحرارية من 29% إلى 33% للوحدات القديمة، مع وجود تصميمات أحدث تحقق أداءً أعلى، وهذا يعني أنها تطلق حرارة أقل من النفايات لكل وحدة من محطات الكهرباء التي تعمل في ظروف بخار مماثلة، واختيار تكنولوجيا التبريد يعكس المبادلات البيئية الخاصة بالمواقع، ولكن الاستهلاك العام للمياه لكل ساعة ميغاوات يظل ضمن المعايير الصناعية لتوليد الطاقة الحرارية.

نظم السلامة وحماية البيئة

الحماية البيئية والسلامة العامة لا يمكن فصلهما في تصميم محطات الطاقة النووية، وطبقات الدفاع المتعمقة في الفلسفة المتعددة التي وضعتها وحدة مكافحة المخدرات التابعة للوحدة، وحافظت مصفوفة الوقود السهيمي على منتجات الإشطار؛ وتوفر الزلزالية ختماً مشتعلاً؛ وأجهزة الضغط وسفن الكالاندريا تشكل حداً أولياً قوياً؛ وقاعدة تخزين حواجز معززة بشدة ضد إمكانية إطلاق الفول.

وفي حالة وقوع حادث فقدان للماء، يعمل مدير الماء الثقيل المحيط بأنبوب الضغط كغلاف حراري طارئ، ويستوعب حرارة الديكي والوقت اللازم لشراء نظم الأمان المصممة لتفعيلها، ويوفر نظامان مستقلان سريعان لإغلاق النظام آليات ثلاثية متنوعة للمفاعلات، ويستخدم نظام واحد قضبان النيترون التي تهبط إلى القاع؛ ويضع نظاما آخرا للتداخل بين المقاييس.

وتعاني المواد المشعة التي تُطلق في أثناء العمليات العادية من انخفاض شديد وضبط شديد، وتمر النفايات الغازية عبر نظم الفرز والرصد قبل إطلاقها في ظروف خاضعة للمراقبة، وتُعالج السائلات من خلال أجهزة التبريد وراتنجات التبادل الأيوني قبل رصدها، وتظهر بيانات لجنة السلامة النووية الكندية باستمرار أن الجرعة الإشعاعية العامة من انبعاثات اليورانيوم المستنفد هي جزء ضئيل من الحدود التنظيمية للإشعاعات الأساسية.

كما أن التأهيل السيزمي يسهم في السلامة البيئية، ورغم اعتبار أجزاء من أونتاريو وكويبيك منطقة هادئة من الناحية السيزمية، فإن محطات اتحاد الكانديات تهدف إلى تحمل الزلازل التي تصيب التصميم، وقد أدت اختبارات الإجهاد التي أجريت بعد فوكوشيما إلى تعزيز نظم الطاقة الاحتياطية، وترتيبات التبريد في إمدادات المياه، ومبادئ توجيهية لإدارة الحوادث الخطيرة، مما أدى إلى زيادة الحد من خطر تلوث الأراضي من إطلاق الإشعاعات.

CANDU in a Sustainable Energy Mix

وتشمل استدامة الطاقة انبعاثات الكربون، وتوافر الموارد، واستخدام الأراضي، والقدرة على التكيف في سلسلة الإمداد، والانتصاف بين الأجيال، وتسهم مفاعلات الاتحاد في جميع هذه الأبعاد إسهاما إيجابيا من خلال استخدامها لليورانيوم الطبيعي، وإمكانيات الوقود البديل، وعوامل القدرة العالية على الحياة، وتخفف من مخزون المياه الثقيل، الذي كان مكلفا في البداية من النواحي النقدية والطاقة، من جراء طول عمر النباتات وفرصة الاسترداد وإعادة التدوير أثناء التخلي عن العمل.

ومع أن أزمة المناخ تدفع الدول نحو إزالة الكربون العميق، فإن الطاقة النووية التي تحملها تُعتبر بشكل متزايد عنصرا ضروريا من عناصر حافظة الجيل، ويؤكد تقرير التقييم السادس للجنة البلدان النامية لمكافحة الجفاف في منطقة المحيط الهادئ أن بلوغ الأهداف الصافية الصفرية دون استخدام الطاقة النووية سيكون أكثر صعوبة وتكلفا، وفي كندا، تنتج محطات الاتحاد الأوروبي حوالي 15 في المائة من أقل إنتاج للكربون في البلد وأكثر من 60 في المائة من إنتاج مقاطعة أونتاريو.

وتطلعاً إلى المستقبل، ومواصلة البحث في دورات الوقود المتقدمة، وتوسيع نطاق الحياة، وإمكانية أن تُنتج المفاعلات النموذجية الصغيرة التي تعتمد على الاتحاد الوطني لكاندو، الطاقة النووية إلى مجتمعات التعدين خارج الشبكة والمستوطنات النائية التي تعتمد حالياً على توليد الديزل، ثم تنتقل الحاسبات البيئية من حمولة قاعدة مركزية إلى طاقة نظيفة موزعة، مع وجود مرونة في استخدام الوقود الذي أثبت الاتحاد أنه يتخذ أدواراً جديدة في نظام الطاقة المتدهورة.

معالجة المفاهيم المشتركة المتعلقة بسوء السلوك

ولا توجد تكنولوجيا للطاقة غير مبادلات بيئية، ولا استثناء من ذلك، فالأهمية تشير إلى ارتفاع التكلفة الأولية لرأس المال، وتركة إنتاج المياه الثقيلة، وحجم حزم الوقود المستهلك، وتبرز الجهات المسؤولة البصمة الأرضية للبنود، والانبعاثات التشغيلية القريبة من الصفر، وإيصال الكهرباء بمبيدات متعددة، ويعترف تحليل عادل بالمنظورات ويقيّم التكنولوجيا على البدائل الواقعية بدلا من المثال المثالية غير المستدامة.

ومن الشواغل المشتركة ما إذا كان جهاز إدارة المياه الثقيل التابع للوحدة يسبب مخاطر الانتشار، كما أن مفاعلات المياه الثقيلة تنتج البلوتونيوم من اليورانيوم - 238، ولكن تصميم وحدات الوقود والوقود على مستوى القوى يتيح رصد ضمانات دولية واسعة النطاق، وتعمل كندا تحت نطاق كامل من ضمانات الوكالة الدولية للطاقة الذرية، وما زال البلوتونيوم في وقود الكولوتونيوم المستنفد مختلطا بمنتجات النسيج الإشعاعي بدرجة عالية، مما يجعله غير قابل للكشف بسهولة.

وثمة تصور خاطئ آخر يتعلق بحجم المياه الثقيلة المطلوبة، وبينما يمثل الجرد الأولي استثمارا كبيرا، فإن الخسائر أثناء التشغيل ضئيلة، ويمكن استرداد المواد وإعادة استخدامها، كما أن الأثر البيئي لإنتاج المياه الثقيلة، وإن كان حقيقيا، يستهلك في كامل عمر التشغيل للمصنع الذي يتراوح بين ٥٠ و ٨٠ سنة، عند إدراج برامج تمديد العمر.

ولن تحل أي تكنولوجيا واحدة التحدي الذي يواجه المناخ، ولكن مفاعلات اتحاد الكاندو، بتوفير الطاقة الثابتة المنخفضة الكربون ذات الأثر الأرضي المتواضع وسجل أمان قوي، تظل رصيداً حاسماً في حافظة الطاقة النظيفة العالمية، حيث تقوم الدول بتقييم مسارات مستقبل الطاقة المستدامة، والفوائد البيئية التي تعود على اتحاد كونديات الكربون الموثقة عبر عقود من التشغيل، ومواصلة النظر بعناية إلى جانب خيارات توليد منخفضة الكربون الأخرى.