تصميم مفاعلات سريعة للصمود البيئي الحيواني

" المأمون من أجل الطاقة النووية المستدامة "

ومن بين مفاهيم المفاعلات المتقدمة، توفر مفاعلات التوليد السريع مساراً فريداً للحد بشكل كبير من الآثار البيئية للطاقة النووية، وخلافاً لمفاعلات المياه الخفيفة التقليدية التي لا تستخدم سوى 1 في المائة من الطاقة في اليورانيوم الملغوم، يمكن أن تستخرج مركبات الإيثير الفلورية من 50 إلى 100 مرة من الطاقة الأقل تكلفة لكل وحدة من الوقود.

وتستكشف هذه المادة مبادئ التصميم والتكنولوجيات والاستراتيجيات التي تمكن المفاعلات السريعة التوليد من تحقيق أثر إيكولوجي مخفض بدرجة كبيرة مع الحفاظ على السلامة العالية والقدرة الاقتصادية على البقاء.

ما هي المفاعلات السريعة؟

ومفاعلات التوليد السريع هي فئة من المفاعلات النووية التي تستخدم النيوترونات الصاعدة ] (الطاقات العالية - 231 مي في) للحفاظ على تفاعل سلسلة النسيج، وعلى عكس المفاعلات الحرارية التي تبطئ النيوترونات مع جهاز وسيط (المياه أو الغرافيت) تعمل مركبات FBRs دون جهاز وسيط.39

ونظراً لأن التراكم الأحيائي ينتج مواد انشطارية أكثر مما يستهلكها (نسبة اعادة التحلل) أكبر من 1.0) فإنها تسمى بـ "البريدر" وهذه القدرة على التوالد تتيح زيادة مئة ضعفاً في استخراج الطاقة من اليورانيوم الطبيعي مقارنة بالمفاعلات التقليدية، ويتكون اللب العادي من منطقة مركزية من الوقود الإنشطاري (التي غالباً ما تكون ذات أكسيد مختلط أو مكس أو سبائك معدنية) محاطة ببطانية من ثاني أكسيد اليورانيوم - 238.

الخيارات الرائعة وآثارها البيئية

ونظراً لأن المفاعلات السريعة لا يمكن أن تستخدم المياه كمبرد (يبطئ الماء النيوترونات بشكل فعال للغاية)، فإن التبريدات البديلة ضرورية، وأكثر الخيارات شيوعاً هي:

• Liquid Sodium:] excellent thermal conductivity and low neutron absorption. However, sodium reacts strongly with water and air, requiring complex middle cooling cycles. Sodium fires pose environmental contamination risks if leaked.
• Liquid Lead or Lead-Bismuth Eutectic (LBE):] Chemically inert with air and water, lead coolants eliminate the fire hazard. They offer higher boiling points and excellent radiation shielding. Lead is abundant and non-toxic in its elemental form, though lead-bismuth generates
• Gas coolants (Helium or CO2): Helium is chemically inert and transparent to neutrons, but gas coolants require high pressures and have lower heat capacity, limiting power density.

مبادئ التصميم المتعلقة بالأثر البيئي الأدنى

ويتطلب إنشاء صندوق للإنشاء والتعمير بأصغر أثر بيئي ممكن إدماج الاستدامة في كل خيار من خيارات التصميم، وتُستخدم المبادئ التالية كإطار:

1 - استخدام الوقود بكفاءة والحد من التعدين

ويعني ارتفاع نسبة التحلل إلى ما فوق 1.0 أن الفلوروكربون يمكن أن يعمل على مدى عقود على نفس كمية الوقود الأولية، مع الإزالة الدورية لمنتجات الانشطار وإضافة مواد خصبة، مما يقلل بشدة من الحاجة إلى تعدين اليورانيوم، والطاحن، وعمليات التخصيب التي تنتج انبعاثات كبيرة من غازات الدفيئة، والخلفيات المشعة، والاضطرابات في الأراضي، وبإغلاق دورة الوقود (إعادة تجهيز الوقود المستهلك وإعادة تدوير البلوتونيوم واليورانيوم)

2 - التقليل إلى أدنى حد من النفايات المشعة الطويلة العمر

ويحتوي الوقود المستخدم في مجال النفط على مزيج من منتجات الإنشطار (التي تتحول إلى مستويات آمنة في غضون بضع مئات من السنوات) وعناصر عبرورانيك مثل البلوتونيوم، والأمريكيوم، والكريوم، التي تظل خطرة لعشرات الآلاف من السنوات، وترمي المفاعلات السريعة إلى حرق هذه التصميمات العابرة للوراني كوقود، مما يقلل من السمية الطويلة الأجل للنفايات النهائية بأكثر من 90 في المائة.

3- السلامة السلبية والخطر المنخفض الناجم عن الحوادث

وتشمل البصمة البيئية خطر الإطلاقات العرضية، وتشمل التصميمات الحديثة لمركبات FBR سمات السلامة السلبية التي تعتمد على الظواهر الطبيعية - الجاذبية، والتوسع الحراري، والتداول الطبيعي - غير المضخات النشطة أو تدخل المشغل، مثلاً، يؤدي فقدان البرودة في مفاعل سريع مستعمل الرصاص إلى التوسع في نظم الأمان والحد من رد الفعل.

4- القابلية للمقارنة البيئية المبردة

إن اختيار مبرد غير سمي وغير تفاعلي ويحتوي بسهولة أمر أساسي، فالمبردات القائمة على الرصاص توفر مزايا واضحة على الصوديوم: فهي لا تحرق أو تنفجر على اتصال بالهواء أو الماء، وتزيل مخاطر حرائق الصوديوم، فالكثافة والدرع الإشعاعية فعالة، وتخفض متطلبات الدرع، وأحجام مواد البناء، ومع ذلك، فإن درجة التبريد عالية من الانصهار (327 درجة مئوية) تتطلب الحذر

5 - تصميم الاتفاق وكفاءة استخدام الأراضي

ويمكن للمفاعلات السريعة أن تحقق كثافة طاقة أعلى من المفاعلات الحرارية، أي نواة وسفن أصغر حجماً لنفس الناتج الكهربائي، مما يقلل من كمية الخرسانة والصلب ومواد البناء الأخرى التي تقلل من آثار الكربون المجسدة، كما أن البصمات الأصغر تتيح أيضاً وضع مركبات البيرفلور على مواقع البني الصناعية أو على المراكز السكانية القريبة، مما يقلل من خسائر النقل وتحويل الأراضي.

Innovative Design Strategies for Reduced Environmental Footprint

ويجري العمل على اتباع عدة نهج تصميم متقدمة في جميع أنحاء العالم لتحقيق أقصى قدر من الفوائد البيئية لمفاعلات التوليد السريعة:

التصميمات النموذجية والمصانعية الصنعية

ويمكن بناء مفاعلات سريعة نموذجية صغيرة ذات نواتج طاقة تتراوح بين 50 ميغاواط و 300 ميغاواط في المصانع وشحنها إلى مواقع، ويقلل هذا النهج من نفايات البناء في الموقع، ويقصر فترات البناء، ويتيح تطابق الزيادة في القدرات مع نمو الطلب، كما أن التصميمات النموذجية تيسر التوحيد، مما يقلل تكلفة الموافقة على السلامة والأمثلة على سداسي كلور البنزين.

دورات الوقود المغلقة وإعادة التجهيز المتقدمة

(ب) إعادة تجهيز دورة الوقود المغلقة التي تستهلك الوقود النووي لفصل اليورانيوم القابل لإعادة الاستخدام والمركبات عبر الأورام من منتجات الإنشطار، وتُصنَّف المواد المستعادة إلى وقود جديد للمركبات المحتوية على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وتُستخدم تقنيات إعادة المعالجة المتقدمة مثل المعالجة الإلكترونية (الفصل الكيميائي الكهربي) و نماذج إعادة المعالجة الثانوية ذات المادة 10:

Lead and Lead-Bismuth Colant Systems

المفاعلات السريعة المُشغَّلة التي تُستخدم في مزاياها البيئية، والقدوة وفرة وغير سمية وغير مُخدرة من الناحية الكيميائية، ولها نقطة تغلي عالية (1749 درجة مئوية)، لذا فإن المبرد يظل سائلاً حتى في درجات حرارة عالية جداً دون ضغط، مما يزيل خطر تذبذب البرودة أو فشل السفينة في تصميمها الطبيعي.

تعزيز نظم الاحتواء والري المتعددة

وتشمل عمليات الفرز المتطورة عدة طبقات من الاحتواء لمنع الإطلاقات المشعة، والحدود المبردة الرئيسية (وابة المفاعل)، والاحتواء الثانوي (واسطة الحراسة)، وبناء المفاعلات تشكل حاجزاً ثلاثياً، والمواد المتقدمة مثل الصلب المقاومة للتآكل (مثلاً، T91) لتبريد الرصاص) توسّع عمر المكونات وتخفض تواتر إغلاق المفاعلات.

إزالة حرارة الدفاتر

وبعد إغلاق المفاعل، يجب إزالة الحرارة المتبقية من التحلل الإشعاعي لأسابيع لتجنب تلف الوقود، وتستخدم نظم إزالة الحرارة المتقطعة الإكتياز الطبيعي أو الإشعاع لنقل الحرارة إلى الغلاف الجوي، مثلا، لا تحصي هذه المادة من النوع المجمّع كامل القاع في حجم كبير من الرصاص، مما يوفر توترا حراريا هائلا، وتشع من سفينة المفاعل إلى جدران الاحتواء، ثم إلى نظم خارجية للضغط.

تقييم البيئة في دورة الحياة للمفاعلات السريعة

وللحد من الآثار البيئية، يجب أن ننظر في دورة الحياة بأكملها من تعدين اليورانيوم وتصنيع الوقود من خلال تشغيل المفاعلات إلى وقف التشغيل والتخلص من النفايات.

الآثار في أعلى المجرى: التعدين والميل والتخصيب

ونظراً لأن الـ FBRs يمكن أن تستخدم اليورانيوم المستنفد (وهو ناتج نفايات من الإثراء) والبلوتونيوم المعاد تدويره، فإن الطلب على التعدين في المراحل الأولى أقل بكثير من الطلب على النفط المستخرج من مخلفات الحرب، وقد يتطلب 000 1 ميغاواط من اليورانيوم المستنفد لمدة 60 عاماً فقط 100 إلى 200 طن من اليورانيوم الطبيعي، مقارنة بما يزيد على 000 5 طن من أجل إنتاج نفس المادة، مما يقلل من مساحة الإثراء البرية التي يزعجها التعدين، وحجم من المواد الكيميائية، وغاز المحتوي على الغازات المشعة.

الانبعاثات التشغيلية واستخدام الموارد

وخلال العمليات، تنتج المفاعلات النووية صفراً من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المباشرة، إذ إن الانبعاثات غير المباشرة تأتي من بناء النباتات، وإنتاج المبردات، وصناعة الوقود، وإدارة النفايات، وتتوفر للمركبات المفلورة ذات الأمان السلبي وتصميمات الاتفاقات إمكانية خفض انبعاثات التشييد لكل ميغاواط، مثلاً، يزيل استخدام مبرد الرصاص الحاجة إلى مبادلات حرارية وسيطة كبيرة ونظم لتخفيف حدة تردد الصوديوم، مما يقلل من الكميات الصلبة والخرسانية.

إعادة تدوير المواد

ويمكن إزالة المكونات المموَّلة في الأقسام، ويمكن قطع وإعادة تدوير وعاء المفاعل (كبيرة في كثير من الأحيان) ويمكن استنزاف المبردات من مفاعلات جديدة وإعادة استخدامها أو بيعها كمواد حمائية، كما أن المواد الهيكلية المنشطة (مثل المواد الداخلية الأساسية) مدمجة ويمكن التخلص منها في مستودعات عالية المستوى من الوقود بعد بضعة عقود من الزمن.

التحديات والتخفيف من حدة الآثار

وعلى الرغم من وعدهم، تواجه القوات المسلحة الرواندية عقبات تقنية واقتصادية يجب التغلب عليها لتحقيق انتشار واسع النطاق بأدنى أثر بيئي.

تدهور المواد من النيترونات السريعة

ويتسبب النيوترونات السريعة في أضرار كبيرة لمكونات المفاعلات - التي تسكنها وتستنشقها وتهتز، وينتج عنها سبائك مقاومة للإشعاع (تشتت الأكسيدات يعزز الفولاذ، والصلب الأسمدري - المارتيني) وهو أمر حاسم لتوسيع عمر المكونات وخفض النفايات من البدائل المبكرة.

تعقيدات تكاثر الوقود وإعادة تجهيزه

وتتطلب دورات الوقود المغلقة محطات لإعادة المعالجة المتطورة المكلفة والتي تنطوي على مخاطر الانتشار، وتوفر التكنولوجيات المتقدمة مثل تجهيز النفط في الملح المُستنبط بديلاً أكثر تماسكاً وأكثر مقاومة للانتشار للوقود التقليدي، وينسق المنتدى الدولي المعني بالجيل الرابع البحث الدولي في دورات الوقود المغلقة الناجعة اقتصادياً.

القدرة التنافسية للتكاليف

وتزيد حالياً تكلفة رأس المال من مركبات الكربون الكلورية فلورية عن تكلفة هذه المركبات بسبب استخدام المواد الغريبة، ونظم التبريد المعقدة، والحاجة إلى إعادة المعالجة في الموقع، غير أن تحليلات تكاليف دورة الحياة التي تُسند قيمة إلى خفض النفايات، وكفاءة الوقود، وأمن إمدادات الوقود في الأجل الطويل، تبين أن هذه المركبات يمكن أن تكون قادرة على المنافسة، لا سيما في البلدان التي لديها اعتماد كبير على استيراد اليورانيوم، وأن السياسات الحكومية التي تضع سعراً على الكربون وعلى التخلص من النفايات النووية يمكن أن تُدرَه.

مقاومة الانتشار

ويثير البلوتونيوم المُتَجَرَّد شواغل تتعلق بالانتشار، غير أن البلوتونيوم المُنتج في FBRs يحتوي على جزء كبير من النظائر (Pu-238, Pu-240) التي ليست مثالية للأسلحة وهي شديدة الإشعاع، مما يجعل من الصعب تحويلها.() ويُعَيِّن دورات وقود FBR لتجنب مسارات البلوتونيوم النقية - مثلاً بترك بعض منتجات النسيجية مختلطة مع ضمانات الانتشار النووي.()

دراسات الحالات: مشاريع FBR التقليل إلى أدنى حد من الأثر البيئي

BREST-OD-300 (روسيا)

ويُعدّ هذا المفاعل السريع المُشغَّل في سيفرسك، روسيا، وهو مصمم لاستخدام وقود النتريد المختلط (اليورانيوم - البلوتونيوم - نيتريد) ويعمل بمعدل توالد يناهز 1.0. ويشمل التصميم مرفقاً لإعادة معالجة الوقود في الموقع، وينشئ دورة وقود مغلقة في موقع واحد، ويزيل المبرد الرصاص مخاطر الحريق ويسمح بإزالة النفايات الطبيعية.

PRISM (GE-Hitachi, USA)

(ب) وحدة المفاعلات الصغيرة المبتكرة هي مفاعل سريع من نوع الصوديوم (11 ميغاواط) ويستخدم الوقود المعدني ويصمم لاستيعاب الزوورات من الوقود المستهلك وتشمل السمات البيئية الرئيسية السلامة السلبية والقدرة على العمل بإنتاج البلوتونيوم الصافي القريب من الصفر أو حتى كمحرق نسيج صافي.

)بلجيكا(

مشروع " مي ريها " هو مفاعل بحثي مرن متعدد الأغراض (100 ميغاواط) يمكن أن يعمل في كلا المولدين دون الحرج (محركة متلقية) وأسلوب حرج، ويستخدم مبردات الرصاص ويصمم لإظهار تحويل النويدات المشعة الطويلة الأجل، على الرغم من أنه ليس مولدا تجاريا، فإن بحوث " مي ريها " ستبلغ تطوير موقع إلكتروني مدمج في المستقبل.

المستقبل ودور مفاعلات الثدي السريع في مكس للطاقة المستدامة

وتمثل مفاعلات التكاثر السريع تحولاً في النموذج في الطاقة النووية: فمن نموذج مستنفد للموارد إلى نظام مغلق، يستهلك الموارد ويقلل من النفايات، ويتصدى العالم لتحديات تغير المناخ وأمن الطاقة، تقدم هذه المفاعلات مساراً ملموساً لتطهير الكهرباء والصناعة، بل وإنتاج الهيدروجين.

وتركز البحوث الجارية على خفض تكاليف رأس المال عن طريق التوحيد القياسي، وتحسين المواد اللازمة لتحمل الجرعات النيوترونات العالية، وتطوير دورات الوقود المتقدمة التي هي مقاومات اقتصادية وناجعة للحياة، وزيادة تعزيز وثائق تفويضها البيئية، وإدماج القوات الجمهورية لكبار السندات المالية والطاقة المتجددة باستخدام قدرتها على التحميل من أجل تثبيت قدرة الشبكة على زيادة استقرارها.

(ج) أن تقوم الحكومات والمنظمات الدولية، بما فيها ] الرابطة النووية العالمية ]، بمشروع يمكن أن توفر فيه القوات المسلحة الرواندية جزءا كبيرا من الكهرباء العالمية بحلول نهاية هذا القرن، لا سيما في البلدان التي لديها أساطيل نووية كبيرة ومخزونات من الوقود المستهلك، ويمكن نشر مفاعلات التكاثر السريع ذات الأثر البيئي الأدنى، مما يسهم في مستقبل للطاقة المستدامة حقا.

خاتمة

إن تصميم مفاعلات التكاثر السريع للحد الأدنى من التأثير البيئي هو مسعى تقني وفلسفي، ويتطلب إعادة التفكير في كل جانب من جوانب دورة الوقود النووي - من اختيار المواد المبردة والوقودية إلى شكل بناء الاحتواء واستراتيجية إدارة النفايات، والمبادئ المحددة في هذه المادة، استخدام الوقود بكفاءة، والسلامة السلبية، والمبردات الرائدة، ودورات الوقود المغلقة، والبناء المتحرك - غير حقيقي، ويجري حالياً تنفيذ هذه المبادئ.

إن البصمة البيئية للطاقة النووية كانت دائما أصغر من آثار الوقود الأحفوري، ولكن مركبات الكربون المفلورة يمكن أن تجعلها أقل، إذ أن خفض التعدين، وحجم النفايات، ومخاطر الحوادث، مع الحفاظ على درجة عالية من الموثوقية وانخفاض انبعاثات الكربون، يمكن لمفاعلات التوليد السريع أن تؤدي دورا محوريا في عملية الانتقال من الطاقة النظيفة، والرحلة إلى الحد الأدنى من البصمات البيئية جارية، ولكن الوجهة في متناولها بوضوح.