تحليل تكاليف وفوائد الانتقال من المفاعل الحراري إلى المفاعلات السريعة

إن الانتقال من المفاعلات الحرارية التقليدية إلى مفاعلات التوليد السريع هو أحد أكثر القرارات الاستراتيجية التي تنجم عن ذلك في مجال الطاقة النووية اليوم، ويؤثر هذا التحول تأثيرا عميقا على استخدام الوقود وإدارة النفايات وأمن الطاقة والقدرة على المنافسة الاقتصادية، ويُعتبر تحليل التكلفة والفوائد أمرا أساسيا بالنسبة لمقرري السياسات ومشغلي المرافق والمربين الذين يجب أن يثقلون أعباء رأس المال في الأجل القريب من المكاسب الطويلة الأجل في مجال امتحانات الاستدامة وكفاءة الموارد.

فهم المفاعلات الحرارية والسريعة

المفاعلات الحرارية: المظلة الحالية

والمفاعلات الحرارية، التي تشمل مفاعلات المياه المجهزة بالضغط، ومفاعلات المياه المغلية (BWRs)، والتصميمات المتقدمة للوحدة، تستخدم موصلاً للتحكم (المياه العادية أو المياه الثقيلة) لتباطؤ النيوترونات التي تنتج عن النسيج إلى الطاقات الحرارية (نحو 0.025 eV).

وتهيمن المفاعلات الحرارية على الأسطول العالمي الذي يزيد على ٤٣٠ وحدة في التشغيل - إلى عقود من الخبرة التشغيلية، وسلاسل الإمداد الراسخة، وأنظمة السلامة الناضجة، غير أنها تستخرج أقل من ١ في المائة من الطاقة الكامنة في اليورانيوم الملغوم، وهي حقيقة تحفز الاهتمام بتكنولوجيات المفاعلات البديلة.

المفاعلات السريعة: التصميم وال Principle

١-١ تعمل مفاعلات التوليد السريع بدون موصل، باستخدام النيوترونات السريعة )الطاقات فوق مستوى الميثان( للحفاظ على رد الفعل السلاسل، والجوهر هو ترابط، مع كثافة الوقود العالية )الأكسيدات المختلطة في كثير من الأحيان من البلوتونيوم واليورانيوم، أو السبيكة الفلزية(، وتبرد بعامل مبرد لا يبطأ نسبة النيوترونات السائلة بدرجة كبيرة)٣٩(، بل أيضاً

وتتيح هذه القدرة للمركبات الفلورية استخدام اليورانيوم المستنفد (الأجهزة التي تفرز من التخصيب) كمواد شاملة، مما يوسع نطاق موارد الطاقة الصالحة للاستخدام بشكل كبير، وعندما يقترن ذلك بدورة وقود مغلقة تعيد معالجة الوقود المستهلك، يمكن للمركبات الفلورية أن تزيد نظريا من استخدام اليورانيوم بمعامل يتراوح بين 50 و 100 مفاعل مقارنة بالمفاعلات الحرارية.

الفوائد الرئيسية لمفاعلات الثدي السريع

تعزيز استخدام الوقود وكفاءة استخدام الموارد

إن أكثر الحجة الاقتصادية قسوة بالنسبة للمركبات غير المفلورة قدرة هذه المركبات على استخراج الطاقة من اليورانيوم - 238، الذي يشكل 99.3 في المائة من اليورانيوم الطبيعي، ويشير تقرير الوكالة الدولية للطاقة الذرية عن المفاعلات السريعة إلى أن الكيلوغرام الوحيد من اليورانيوم يمكن أن يولد نفس الطاقة التي تبلغ نحو 000 10 كيلوغرام من الفحم، ولكن المفاعلات الحرارية تترك الغالبية العظمى من تلك الطاقة غير المستغلة في نهاية المطاف.

تقليل النفايات وإعادة تدويرها

ومن الفوائد الهامة الأخرى انخفاض حجم النفايات النووية العالية المستوى وسمية هذه النفايات، ويمكن تشغيلها بوصفها " مسببات للدبابات " وكذلك المولدات: يمكن أن تنقل مباشرة أكبر أنواع المواد الخاملة ذات العمر الطويل (النفتونيوم، أمريكايوم، الفضول) إلى منتجات ألياف أقصر، وفي دورة الوقود المغلقة، يمكن تخفيض النفايات العالية المستوى التي تتطلب التخلص من المواد الكيميائية بأكثر من 80 في المائة.

The World Nuclear Association’s page on fast neutron reactors] provides a comprehensive overview of the waste reduction potential.

أمن الطاقة والاستدامة الطويلة الأجل

وبتحول المواد الخصبة إلى وقود انشطاري، تستهلك القوات المسلحة الرواندية الطاقة النووية من إمدادات اليورانيوم - 235 المحدودة، ويمكن للبلدان التي لديها مخزونات كبيرة من اليورانيوم المستنفد أو البلوتونيوم المعاد تجهيزه أن تستمد عقودا من الطاقة دون تعدين جديد، مما يعزز استقلال الطاقة ويقلل من الضعف أمام انقطاع الإمدادات، وفي عالم مُدرب الكربون، يمكن أن توفر أجهزة إعادة الإمداد العاملة في مجال الطاقة الكهربائية ذات القاعدة التي تستخدم في قرون، مما يجعلها حجر الزاوية للطاقة مستدامة.

التحديات الاقتصادية والتقنية

التكاليف الرأسمالية العالية ومخاطر التشييد

فدواء الفلور هي في جوهرها أكثر تعقيدا من المفاعلات الحرارية، والحاجة إلى مواد غريبة )مثلاً، تحمل ارتفاع التدفق ودرجات الحرارة(، والتزود بالأجهزة المتقدمة لمناولة الصوديوم )السوديوم رد فعل شديد مع المياه والهواء(، كما أن وجود مرفق متطور لإعادة معالجة الوقود يؤدي إلى ارتفاع كبير في التكاليف.

كما أن التعقيد التشغيلي يؤدي إلى تجاوز التكاليف، وقد شهدت مفاعلات الفينكس الفرنسية وسوبرفينكس تأخيرات ومشاكل تقنية أدت إلى تآكل قدرتها الاقتصادية، وأغلق مفاعل مونجو الياباني بعد 250 يوما فقط من التشغيل بسبب تسرب الصوديوم ولم يعاد تشغيله قط، مما يمثل خسارة قدرها 9 بلايين دولار.

السلامة، الموثوقية، وتراخيص

وتواجه المفاعلات السريعة سمات أمان فريدة - تعمل مبردات الصوديوم بضغط منخفض، مما يقلل من خطر وقوع حادث فقدان للمستعمرات نموذجي من نوع PWRs، غير أن حرائق الصوديوم والتجميد المبرد (يمثل المذيبات في 97.8 درجة مئوية) تشكل تحديات تشغيلية، كما أن آليات التغذية المرتدة في النواحي السريعة مختلفة وتتطلب نظماً متطورة للرقابة.

الانتشار والاهتمامات الأمنية

وتشمل دورة الوقود المغلقة المرتبطة بمركبات ثنائي الفينيل متعدد البروم معالجة البلوتونيوم النقي المنفصل عن الوقود المستهلك، وفي حين تنتج المفاعلات الحرارية أيضا البلوتونيوم، فإن التركيز العالي ونوعية البلوتونيوم المحتوي على اليورانيوم يجعله أكثر ملاءمة لاستخدام الأسلحة، فالضمانات الدولية، والمحاسبة المادية القوية، وتدابير الحماية المادية، هي أمور أساسية ولكنها تضيف التكاليف والقيود السياسية، وقد اختارت بعض البلدان متابعة مفهوم " الفلوريدز " دون إعادة المعالجة ().

إطار تحليل التكاليف والفوائد

الأجل القصير مقابل المنظور الطويل الأجل

وينبغي تقييم الانتقال من مفاعلات التوليد الحراري إلى المولدات السريعة باستخدام نموذج مركب من الكهرباء يُحسب تكاليف دورة الوقود، وتكاليف التخلص من النفايات، والأوراق الخارجية، وفي الأجل القريب (2030-2050)، ستظل المفاعلات الحرارية أرخص بسبب انخفاض الإنفاق على رؤوس الأموال وازدياد اليورانيوم المنخفض التكلفة، إلا إذا ارتفعت أسعار اليورانيوم من 200 دولار/كغم من اليورانيوم (الوفورات التنافسية الجارية)

الوعي بحساب نسبة الفرز وبطاقة الكربون

وإذا طبق معدل خصم منخفض (مثلاً 3 في المائة) مبرّر من الفوائد المجتمعية الطويلة الأجل للطاقة النووية - تعزز حالة مركبات الكربون الفلورية - مركبات الكربون الفلورية - وعلى العكس من ذلك، فإن المستثمرين من القطاع الخاص الذين يستخدمون معدل خصم مرتفع (8-10 في المائة) سيفضلون المفاعلات الحرارية ذات فترات انتعاش أقصر، أما التسعير من الكربون البالغ 50 إلى 100 دولار للطنان من ثاني أكسيد الكربون فلا يمكن أن يضيف إلى مقياسات المكافئة الناتجة عن إنتاج المفاعلات المنخفضة.

وفورات المسؤولية عن النفايات

ونظرا لأن عمليات المستودعات المغلقة ودورات الوقود المغلقة تقلل من حجم النفايات وسمية النفايات المشعة، يمكن تخفيض تكاليف المستودعات الجيولوجية في المستقبل، وتقدر وزارة الطاقة في الولايات المتحدة أن التخلص الدائم من تكاليف الوقود المستهلك يبلغ 000 500 دولار للطن الواحد، وأن تخفيض حجم النفايات بنسبة 80 في المائة يمكن أن ينقذ أكثر من 400 مليون دولار سنويا في إطار المسؤولية الطويلة الأجل، وهذه الوفورات نادرا ما تدرج في حسابات الشركات LCOE ولكنها فوائد اجتماعية هامة.

دراسات الحالة والخبرة التنفيذية

فينيكس وسوبرفينيكس (فرنسا)

وقد عملت شركة فرانس فينيكس (250 ميغاواط) في الفترة من 1974 إلى 2009، مما يدل على جدوى عمليات تصنيع الصوديوم - المكشوف.

BN —600 and BN —800 (Russia)

وتقود روسيا حاليا عمليات إعادة بناء الثقة: بدأ العمل التجاري في عام 2016 في إطار عملية BN -600 (600 MWe) في بلويارسك منذ عام 1980، مع وجود عامل ممتاز في القدرة يبلغ حوالي 80 في المائة، حيث أدى مخزون جديد من اليورانيوم - 800 8 ميغاواط إلى إنتاجه تجاريا في عام 2016، وهو الآن بمثابة منصة لاختبار الوقود المتقدم (بما في ذلك وقود التعبئة) وتكنولوجيات دورة الوقود المغلقة.

مونجو (اليابان) و FBTR (الهند)

وكان مونيو )٢٨٠ ميغاواط( فشلا باهظ التكلفة، في حين أن مفاعلات الهند من نوع FBTR )١٣ ميغاواط( والجبهة الفلسطينية السوفيتية )٥٠٠ ميغاواط( تمثل نهجا أكثر حذرا وتصاعديا، وتنظر الهند، التي لديها هرمون واف، الى أن هذه المركبات تشكل حجرا متقدما الى مفاعلات قائمة على أساس الفرسوم، ويركز البرنامج الهندي على معدلات مرتفعة للتكاثر )١-١-١( و١-١٠٠٤(

الآثار البيئية والسياساتية

Carbon Emissions and Climate Goals

أما مفاعلات التوليد الحرارية والسريعة فتنطلق من ثاني أكسيد الكربون لا يذكر أثناء التشغيل، غير أن هذه المركبات، بتمكينها من زيادة استخدام الموارد، يمكنها أن تدعم أسطولا نوويا أكبر بدون مزيد من التعدين والإثراء، مما يزيد من قدرة الكهرباء المنخفضة الكربون، وفي سيناريو يتوخى فيه العالم صافي الـ 0,2050، تشير نماذج الوكالة الدولية للطاقة الذرية إلى أن القدرة النووية يجب أن تضاعف؛ ويمكن أن تؤدي عمليات التراكم الأحيائي دورا رئيسيا في المناطق ذات الموارد الجديدة المحدودة.

الأمن الوطني والاستقلالية الاستراتيجية

والبلدان التي لديها برامج للأسلحة النووية أو قوائم جرد كبيرة من البلوتونيوم المنفصل (مثل روسيا والهند والصين والمملكة المتحدة) ترى أن القوات المسلحة الرواندية هي وسيلة لتحويل البلوتونيوم العسكري إلى كهرباء مدنية، وقد تخلت الولايات المتحدة عن برنامجها الخاص بالفلوروكربون بسبب شواغل الانتشار، ولكن دول أخرى تواصل التنمية، وتعتمد حسابات التكلفة والمنافع لأي بلد معين اعتمادا كبيرا على التزاماتها المتعلقة باليورانيوم والإرادة السياسية وعدم الانتشار.

التوقعات المستقبلية والخاتمة

إن مفاعلات التوليد السريعة ليست حلا قريبا الأجل بالنسبة لمعظم البلدان، فثمة تكاليف رأس المال العالية والتعقيد التقني والتحديات المتبقية في مجال السلامة تعني أن المفاعلات الحرارية ستظل مهيمنة على مدى عقدين آخرين على الأقل، غير أن كفاءة الوقود في الأجل الطويل، وخفض النفايات، وأمن الطاقة - كبيرة، ومع ارتفاع أسعار اليورانيوم وتشديد القيود على الكربون، فإن رصيد المفاعلات ذات التكلفة العالية سوف يتحول إلى نسبة مئوية من الفول المفاعلات المحتوية على الرصاص.

ويجب على المعلمين وصناع السياسات أن يدركوا أن الانتقال ليس قراراً أو قراراً وإنما تطوراً تدريجياً، فالبلدان التي لديها برامج نووية ناضجة ودعم قوي من الدولة (روسيا والهند والصين) تمضي قدماً بالفعل، وقد تنتظر بلدان أخرى حتى تصل تكنولوجيا FBR إلى مستوى من التوحيد وخفض التكاليف مماثل لمفاعلات المياه الخفيفة اليوم، وفي نهاية المطاف، فإن القرار بالانتقال من المفاعلات الحرارية إلى المفاعلات السريعة التكاثر سيقود.

وللمزيد من القراءة، يقدم نظام معلومات المفاعلات المرخصة التابع للوكالة الدولية للطاقة الذرية ] مواصفات مفصلة لجميع التصميمات الرئيسية للمفاعلات السريعة قيد التطوير، في حين تقدم الرابطة العالمية النووية تحليلات اقتصادية مستكملة، وفهم هذه الديناميات أمر أساسي للإسهام في مناقشة مستنيرة تستند إلى الأدلة بشأن مستقبل الطاقة النووية.