تطوير تكنولوجيات الإثراء الفعالة من حيث التكلفة للسوق النووية الناشئة

إن مشهد الطاقة العالمي يمر بتحول عميق حيث تسعى الدول إلى مصادر موثوقة منخفضة الكربون للطاقة لتلبية الطلب المتزايد ومعالجة الأهداف المناخية، فالطاقة النووية، مع عامل قدرتها المرتفع وعملية عدم الانبعاث، تعتبر بصورة متزايدة حجر الزاوية في مزيج الطاقة في المستقبل، فبالنسبة للأسواق النووية الناشئة التي إما جديدة في الطاقة النووية أو توسع نطاق القدرة الاقتصادية المتواضعة على البقاء، لا تقتصر على عامل حاسم هو تكلفة اعتماد اليورانيوم.

دور الإثراء في دورة الوقود النووي

اليورانيوم الطبيعي يتألف من نحو 99.3 في المائة من اليورانيوم-238 و0.7 في المائة من اليورانيوم الإنشطاري-235 ومعظم المفاعلات التجارية للمياه الخفيفة تتطلب اليورانيوم المثرى بنسبة تتراوح بين 3 و5 في المائة من اليورانيوم-235، ويمثل الإثراء جزءاً كبيراً من دورة الوقود في نهاية المطاف، حيث تبلغ تكلفته 30 في المائة و50 في المائة من السعر الإجمالي للوقود النووي المصنّع، وحتى التحسينات الصغيرة في كفاءة التخصيب يمكن أن تترجم إلى عشرات

وعملية التخصيب هي عملية كثيفة رأس المال وكثيفة الطاقة، حيث تكون تكلفة مصنع الطرد المركزي الوحيد القادر على دعم مفاعل كبير يصل إلى ما يزيد على بليون دولار، ومن ثم يلزم إيجاد جيل جديد من تكنولوجيات التخصيب، وهو الطرد المركزي والغازي، الذي يتم تطويره للبرامج الوطنية الواسعة النطاق، ويتناسب مع المطالب الأصغر والمرنة للأسواق الناشئة، وبالتالي يلزم إيجاد جيل جديد من تكنولوجيات التخصيب من أجل خفض كل من رأس المال وتكاليف التشغيل.

تكنولوجيات الإثراء التقليدية والحدود المفروضة عليها

تكنولوجيا حرق الغاز

ومنذ أوائل العقد الأول من القرن الماضي، أصبح الإثراء بالطرد المركزي للغاز هو الأسلوب السائد في جميع أنحاء العالم، حيث أن الطاردات المركزية تدور حول غاز سداسي فلوريد اليورانيوم بالسرعة الخارقة، وتفصل النظائر الأيزوبية عن طريق الكتلة، وتتحقق الطاردات المركزية الحديثة (مثلاً، تلك التي تستخدمها شركة URENCO وOrano وEn-En-En-Sotom) عوامل انفصال تجعلها أكثر كفاءة من حيث إنتاج المواد ذات الديموغرافياًاً.

دفوزون الغاز

وكان الانتشار الغازي هو الطريقة الرئيسية للتخصيب منذ عقود قبل التخلص التدريجي منه، وهو يستخدم أجهزة غسيلية لفصل اليورانيوم الخفيف - 235 عن اليورانيوم العالي العادم - 238، وتستهلك هذه العملية كميات هائلة من الكهرباء - أكثر بنحو 20 مرة من الطرد المركزي الحديث - وتتطلب سلسلة تعاقبية ضخمة، ولم تعد محطات التصدير قادرة على البقاء اقتصاديا: أما المرفق الرئيسي الأخير من مصادر الانتشار في الأسواق الناشئة في الولايات المتحدة (عام 2013).

وتبرز هذه التكنولوجيات القديمة الحاجة إلى نهج بديلة أقل كثافة رأس المال، وهي نماذج، ويسهل نشرها في البلدان التي لا توجد فيها قاعدة صناعية عميقة.

تكنولوجيات الإثراء الناشئة

إثراء اللازر

أما أساليب الإثراء القائمة على الأشعة فهي قيد التطوير منذ عقود وتمثل أكثر الطرق واعدة لخفض التكاليف بشكل كبير، وتتمثل أفضل عملية معروفة في فصل النظائر المشعة عن النسيج الذري (AVLIS) وفي فصل النظائر المشعة عن الغاز الجزيئي (MLIS) الذي يُشار إليه الآن بـ " SILEX " (الفصل بين الأوكتينولبيزيتين من قبل شركة لاسفور للإيستر)(35).

وفي عام 2016، حصل إثراء الأشعة العالمية (وهو فرع لنظم سيليك) على موافقة المركز الوطني لإعادة التأهيل على بناء مرفق بياني في الولايات المتحدة، رغم أن الرؤوس الاقتصادية تؤخر النشر التجاري، وفي الأسواق الناشئة، يمكن أن يتيح إثراء الليزر في نهاية المطاف وحدات صغيرة الحجم منخفضة التكلفة للإثراء تكون مقرونة بمصانع الطاقة، إلا أن العقبات الكبيرة لا تزال قائمة: فالنظم الليزرية معقدة، والتكنولوجيا تخضع لمراقبة صارمة لأسباب عدم الانتشار، ومن المرجح أن يكون الانتشار التجاري بعيدا عن ذلك.

التصميمات المتقدمة للطرد المركزي

وحتى في إطار النموذج المركزي للطرد، يستمر الابتكار، إذ يمكن أن تؤدي المواد الجديدة للدوار (مثل المركبين المتقدمين) إلى سرعة التقلب والعوامل الأعلى لانفصال، مما يقلل من عدد الآلات اللازمة، كما أن تقنيات التصنيع المنخفضة التكلفة - مثل الطباعة 3D لمكونات الطرد المركزي - يمكن أن تخفض تكاليف رأس المال، وهناك عدة اقتصادات ناشئة نووية (مثل الطاقة الكيدالية في اليورانيوم العالي التخصيب).

البلاستيك والفصل المغناطيسي

وهناك نهج بديلة مثل فصل البلازما والفصل المتطور للنظائر الكهرومغناطيسية تقوم ببحثها أفرقة بحثية في جميع أنحاء العالم، وفي حين أن هذه الأساليب كانت غير فعالة من الناحية التاريخية بالنسبة للاستخدام التجاري، فإن التقدم في الموصلات الفائقة الحرارة والفيزياء البلازمية يمكن أن يغير من حاسبات الحاسب، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي اقتراح " الطرد المركزي المغنطيسي " باستخدام البلاستيك المتناوبي إلى فصل مستمر مع خفض معدلات البرمجيات.

التحديات التي تواجه الأسواق النووية الناشئة في مجال الإثراء

التكلفة الرأسمالية والتمويل

وتحتاج محطات الإثراء إلى رأس مال كبير في كثير من الأحيان يتراوح بين بليوني دولار ونصف دولار لمصنع يمكن أن يخدم مفاعلا كبيرا واحدا، وعادة ما تكون الأسواق الناشئة ذات تقدير ائتماني أقل وتكاليف اقتراض أعلى، مما يجعل هذه الاستثمارات عرضة للخطر، ويعتمد متعهدو الإثراء التقليديون على عقود طويلة الأجل مع المرافق الثابتة؛ ويفتقر الوافدون الجدد إلى هذا السجل، كما أن هياكل التمويل مثل الضمانات الحكومية أو الدعم المقدم من مصرف التنمية المتعدد الأطراف هي هياكل أساسية ولكنها غير متاحة دائما.

قوة العمل الماهرة والقاعدة الصناعية

ويطالب بناء وتشغيل مرفق للإثراء مهندسين وفنيين وعلماء مدربين على النظم العالية الغزو وعلوم المواد وفيزياء النظائر، كما أن عدد قليل من الأسواق الناشئة لديها هذه المجمعات المتخصصة من العمل، وبرامج التدريب تتطلب سنوات، والعدد المحدود من مرافق التخصيب في جميع أنحاء العالم، يعني أن الموظفين ذوي الخبرة شحيحة، وقد اختارت بلدان مثل الإمارات العربية المتحدة الاعتماد على إمدادات الوقود الخارجية لتجنب بناء هذه القدرة، ولكن بلدان أخرى مثل المملكة العربية السعودية وبولندا قد أعربت عن اهتمامها.

Non-Proliferation and Regulatory Hurdles

إن تكنولوجيات الإثراء ذات استخدام مزدوج: فهي يمكن أن تنتج مواد من درجة المفاعلات أو درجة الأسلحة، فالضمانات الدولية التي تخضع لها الوكالة الدولية للطاقة الذرية تتطلب رقابة واسعة النطاق، بما في ذلك المحاسبة المادية، والاحتواء، والمراقبة، ويجب على الأسواق الناشئة أن تتفاوض بشأن بروتوكولات إضافية وعمليات تفتيش مضيفة، مما يمكن أن يؤخر الجداول الزمنية للمشروع، وعلاوة على ذلك، فإن القيود المفروضة على نقل التكنولوجيا بموجب مجموعة موردي المواد النووية يجب أن تحد من تقاسم الدراية الإثراء، ولا سيما للبلدان غير الأطراف في اتفاقات الترخيص بفرضية بشأن الرقابة على الصادرات الجديدة.

استراتيجيات تنمية الإثراء الضار بالتكاليف

النظم النموذجية والقابلة للتكرار

إن أكثر الطرق مباشرة لخفض التكاليف هو بناء القدرة على الإثراء في وحدات يمكن إضافتها تدريجياً، وبدلاً من مصنع واحد أحادي القلاقل، يمكن لبلد ما أن يُنشئ سلسلة من السلاسل التعاقبية المركزية - أي ما يتراوح بين 200 و500 وحدة سويدية/سنة، ويتوسع في نطاق الطلب، وهذا النهج يقلل من حجم الإنفاق الأولي على رأس المال وينشر الاستثمار على مر الزمن.

الشراكات الدولية والمشروعات المشتركة

وبدلاً من أن تكون الأسواق الناشئة وحدها يمكن أن تشكل مشاريع مشتركة مع شركات الإثراء المنشأة، على سبيل المثال، تقوم شركة الطاقة النووية التابعة للشركة الأوروبية للطاقة الذرية بمصادرة الوقود من خلال عقود طويلة الأجل مع الموردين الدوليين، وتفادي الإثراء المحلي، وتقدم البلدان التي تفضل بعض القدرات المحلية مثل بولندا، شريكاً مع شركات تشغيل الطاردات المركزية القائمة لبناء مرفق مشترك، وهذه الترتيبات تجلب الخبرة التقنية، وسلاسل الإمداد القائمة، وتوقعات الضمانات المسبقة الصنعها.

المفاعلات النموذجية الصغيرة

مفاعلات نموذجية صغيرة مصممة لتكون مبنية للمصنع و منتشرة بطريقة ملائمة للشبكة العديد من تصميمات شركة HALEU (التي تُثرى إلى 5-20% من اليورانيوم - 235) والتي لم تكن متاحة بعد على نطاق واسع تطوير قدرة فعالة من حيث التكلفة على الإثراء تزود (HALEU) بأسطول إثراء محلي

الاستثمار في التنمية الصناعية والصناعة المحلية

ولكسر الاعتماد على المكونات المستوردة، ينبغي للأسواق الناشئة أن تستثمر في مراكز محلية للحفر تركز على الإثراء، فعلى سبيل المثال، أنشأ البرنامج النووي البرازيلي مرفقا لتنمية الطرد المركزي (CBE) لإنتاج أجهزة الطرد المركزي التي تم تصميمها بنفسها، وهي الآن من البلدان القليلة خارج موردي الإثراء الرئيسيين التي لديها قدرة على الإثراء، ويمكن أن يؤدي التصنيع المحلي لأجزاء الإثراء بالطرد المركزي باستخدام الصنع المضافي أو المكونات المركبة المتقدمة إلى خفض التكاليف بنسبة 20.

دراسات حالة في مجال الإثراء الناشئ

الإمارات العربية المتحدة: نموذج الاستعانة بمصادر خارجية

وقد اختارت وكالة الطاقة الذرية في الولايات المتحدة عدم السعي إلى الإثراء المحلي، بدلا من التوقيع على اتفاقات طويلة الأجل لتوريد الوقود مع شركة يورينكو وغيرها من الموردين، وتتلقى محطة باراخا النووية (أربع مفاعلات من طراز APR-1400) وقودا مصنّفا من مرفق مخصص في كوريا، ويلغي هذا النهج تكاليف رأس المال الإثراء وأعباء عدم الانتشار، غير أنه يترك وكالة الطاقة النووية تعتمد على الإمدادات الأجنبية؛ وأي تعطيل يمكن أن يؤثر على عمليات المفاعلات.

البرازيل: القدرة المحلية الإضافية

البرازيل تسعى إلى التخصيب محلياً منذ عقود، وكانت محطات الطاقة النووية التابعة لها (أنغرا 1 و2 و3) تستخدم اليورانيوم المخصب الذي يزوده بشكل متزايد مصنع الطرد المركزي في البلاد في ريسندي، وتدير المصنع شركة حكومية تملكه شركة إن بي وتتطور في برنامج الدفع النووي للبحرية، بينما تكون القدرة صغيرة نسبياً (نحو 150 ألف وحدة إنتاجية/سنة) تغطي جزءاً كبيراً من احتياجات البرازيل المحلية الناشئة.

بولندا: التخطيط لعمليات العلاقات بين الموظفين والإدارة

بولندا تتحرك لنشر مفاعلات واسعة النطاق (مفاعل ويستنغهاوس ألف) إلى جانب أسطول من أجهزة التحكم في الأمراض، في عام 2023 أصدرت الحكومة ورقة سياسة تتضمن النظر في مرفق إثراء محلي لتأجيج وحدات خفض الانبعاثات، وتتوخى الخطة شراكة بين القطاعين العام والخاص مع مزود للتكنولوجيا (مثلاً أورينكو أو أورانو) لبناء محطة طاردات مركزية نموذجية قادرة على إنتاج موقع هوليوك)

مستقبل الإثراء للأسواق الناشئة

وفي المستقبل، ستشكل عدة اتجاهات فعالية تكلفة الإثراء للأسواق الناشئة، أولا، إن الانتقال من اليورانيوم المنخفض التخصيب التقليدي إلى اليورانيوم العالي التخصيب سيخلق طلبا على خدمات التخصيب التي تكون أكثر تكلفة بالنسبة إلى اليورانيوم المستنفد بسبب ارتفاع احتياجات التغذية ومعايير الأمان الأكثر صرامة، ولكن نظرا لأن اليورانيوم العالي التخصيب يمكن أن يؤدي إلى زيادة دورات الوقود وارتفاع تكاليف الحرق، فإن تكلفة التخصيب الكلية لكل كيلوواط يمكن أن تنخفض في نهاية المطاف.

التعاون الدولي سيكون حاسماً، مبادرة الوكالة الدولية للطاقة الذرية [Safeguards and Security for Enrichment ] استكشاف سبل لجعل مرافق الإثراء أسهل للتفتيش، مما يقلل الاحتكاك التنظيمي.

وأخيرا، بدأت آليات التمويل الجديدة في الظهور، وبدأت البلدان التي تستطيع أن تثبت وجود برنامج إثراء مصمم جيدا وشفاف، في اجتذاب هذه الأموال، مما يزيد من تخفيض تكلفة رأس المال، في اعتبار المشاريع النووية مؤهلة للقروض المنخفضة الفائدة، وقد تلجأ البلدان التي تستطيع أن تثبت وجود برنامج إثراء مصمم جيدا وشفاف إلى اجتذاب هذه الأموال.

خاتمة

إن تطوير تكنولوجيات التخصيب الفعالة من حيث التكلفة أمر أساسي إذا ما أريد للأسواق النووية الناشئة أن تسخر الفوائد الكاملة من الطاقة النووية - التي يمكن الاعتماد عليها - الكهرباء، وإزالة الكربون، واستقلال الطاقة - دون تحمل أعباء مالية غير محتملة، وفي حين أن طرق الطرد المركزي والتنشر التقليدية تظل باهظة التكلفة بالنسبة لكثير من البلدان، فإن الابتكارات في الفصل الليزري، والتصميم المتطور للطرد المركزي، والنظم النموذجية تتيح طرقا جديدة لتحقيق النجاح.