دور إنتاج المياه الثقيلة في دعم عمليات مفاعلات كاندو

في محطة عادية من نوع (جي إس) تتدفق المياه إلى أسفل العمود بينما يتم توزيع غاز ثاني أكسيد الكربون إلى أعلى في أسفل العمود، حيث يعمل حوالي 130 درجة مئوية، وينتقل إنتاج ثاني أكسيد الكربون إلى الغاز،

إن الجانب الذي كثيرا ما يُغضى في عملية الـ إس هو بصمة البيئة، فتدفقات المياه الكبيرة ومتطلبات الطاقة تعني أن مصنعا ينتج 000 1 طن من الـ دي2 أو في السنة يستهلك عادة نحو 500 إلى 700 ميغاواط من المدخلات الحرارية ويخرج الملايين من الأمتار المكعبة من المياه المنضبة، وتحسينات التصميم الحديثة قد قلصت استهلاك البخار، ولكن العملية لا تزال مكثفة رأس المال.

تكنولوجيات الفصل البديلة والناشئة

وتوجد عدة تكنولوجيات أخرى لفصل الديوتروم، وكل منها له تطبيقات محددة. وتحلل الماء يستغل ضغط البخار الأدنى قليلاً من الـ دي2O مقارنة بـ H2O. وبينما يكون عامل الفصل صغيراً جداً (حوالي 1.05 في الضغط الجوي)، فإنه يتطلب عدداً هائلاً من المراحل ومدخلاً عالياً من الطاقة.

ويعزز هذا التأثير الأيزوبي الحرفي، نظراً لارتفاع الطاقة الصفرية لسند O-H بالمقارنة مع سندات O-D، فإن بروتيوم يُطلق بصورة تفضيلية كغاز الهيدروجين في الفهد، وكثيراً ما يثري هذا الزر من الخيوط في السائل المتبقي.

أما الأساليب المتقدمة قيد التحقيق حالياً فتشمل فص النظائر (LIS) ، التي تستهدف التحول الطفيف في عينات الاستيعاب بين مركبتي H2O وHDO) بينما تحقق النجاح على نطاق المختبرات، فإن زيادة كمية الطاقة الكهربائية إلى آلاف الأطنان اللازمة لركيزة المفاعل لا تزال تشكل تحدياً هندياً كبيراً.

العلاقة الرمزية بين تصميم نقابة المحامين و D2O

تصميم مفاعل "كوندو" لا ينفصل أساساً عن خصائص الماء الثقيل، وجوهر المفاعل يتألف من خزان كبير منخفض الكساد يسمى "الكلاندريا" الذي يحمل موصل الماء الثقيل عند درجة حرارة منخفضة نسبياً، وفصل الكلاندريا هو المئات من الأنابيب الضغطية الأفقية، كل منها تحتوي على أرنب الوقود، و المبرد الرئيسي - منفصل عن الموصل - هو أيضاً ضغط حراري

دورة الوقود الطبيعي

إن القدرة على استخدام اليورانيوم الطبيعي دون إثراء هو أهم ميزة اقتصادية واستراتيجية لنظام وحدة الذخائر العنقودية، وهو يفصل مشغل المفاعل عن سوق التخصيب الدولية، التي يسيطر عليها عدد صغير من البلدان، ويحتاج إلى ترتيبات ضمانات معقدة، فمجموعات الوقود من اليورانيوم الطبيعي أبسط وأرخص لتصنيعها من الفول السوداني المثرى المطلوب من أجل حقوق الملكية الفكرية، وبالنسبة للبلدان التي لا توجد بها هياكل أساسية للتخصيب، مثل الأرجنتين ورومانيا، وكوريا الجنوبية في مرحلة الانتقاء.

كما أن دورة اليورانيوم الطبيعي لها آثار على إدارة الوقود المستهلك، ونظراً لأن الإثراء الأولي منخفض، فإن الوقود المستهلك من وحدة مكافحة الإغراق يحتوي على نحو 0.3 في المائة من المواد الانشطارية، مقارنة بحوالي 0.8 في المائة - 1 في المائة من متاجرة في النفط المنخفض.

على الإنترنت

إن الاعتدال في المياه الثقيلة هو عامل تمكين مباشر من إعادة الإمداد بالوقود على شبكة الإنترنت، وفي حالة وجود هذه المادة يجب إغلاقها بالكامل وإكرامتها لإعادة الإمداد بالوقود، وذلك عادة كل ١٨-٢٤ شهرا، وفي حالة وحدة معالجة الوقود، فإن أنبوب الضغط الأفقي تسمح بتلقي أجهزة الوقود على كل قناة بصورة مستقلة، بينما يظل المفاعل في السلطة، لأن مشغل المياه الثقيل يحتفظ بتوزيع ثابت للتدفقات الجديدة)٣٩(

كما أن إعادة الإمداد بالوقود على الإنترنت تتيح أيضاً مناورة مرنة في مجال الطاقة، ويمكن لمحطة تابعة للجنة أن تعدل ناتجها بحيث يضاهي الطلب على الشبكة مع الحفاظ على معدل ثابت تقريباً من الوقود، وهذه القدرة على توليد الحمولة تزداد قيمة في الشبكات التي تخترق فيها مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة، وتعمل موصلات المياه الثقيلة كعازف حراري، وتوفر الاستقرار أثناء عمليات النقل، وتتيح للمفاعل الاستجابة بسرعة للتغييرات.

إدارة المياه الثقيلة في الموقع

ويتطلب تشغيل محطة من محطات CANDU نظما وإجراءات مكرسة لإدارة المخزون من المياه الثقيلة، ويمثل مخزون الـ D2O رصيدا كبيرا من رأس المال، كما أن فقدانها أو تدهورها له آثار اقتصادية مباشرة، إذ أن مفاعلا نموذجيا يبلغ 700 ميغاواط من المياه الثقيلة يتراوح بين 450 و 500 طن، وبالتالي يمكن تقدير تكاليف الاستبدال الحالية لعدد من مئات الدولارات لكل كيلوغرام، بما يحول دون حدوث تسربات في الموقع.

الحفاظ على النقاء

إن دخول المياه الخفيفة من مصادر مختلفة، بما في ذلك تسرب المولدات البخارية، والرطوبة المكدسة من الغلاف الجوي، وإضافات المياه المكيّفة، سيقلل تركيز الـ دي2 أو مع مرور الوقت، وحتى انخفاض طفيف في النسيج الأيزومري، يخفض مستوى النيتروز ويخفض من طاقة المفاعلات، ولمكافحة ذلك، كل محطة من محطات التحلل الحراري مجهزة بضغط تشغيلي ثقيل.

كما أن عملية التحديث تزيل الشبهات الكيميائية التي قد تتراكم، مثل الغازات المذوبة، ومنتجات التآكل، والمركبات العضوية، ويمكن أن تؤثر هذه الملوثات على الهيدروجيني للماء الثقيل، أو تزيد التحلل الشعاعي، أو تتدخل في الملاحين، وبالتالي فإن التحديث هو نظام مختلط للتنقية الكيميائي، ويسبقه في كثير من الأحيان مرشّفات ومواضع مصممة خصيصاً للتغيرات.

مراقبة التريتيوم وتنظيمه

أما أهم الاهتمام الإشعاعي المرتبط بعمليات المياه الثقيلة فهو إنتاج التريتيوم (ه-3)، بينما تولد التريتيوم عن طريق تفعيل النيوترونات من الديوتريوم: 2H (n, Gambia) 3H. وعلى مر الزمن، فإن المياه الثقيلة في الموصلات وثباتات التبريد يمكن أن تصل إلى مستويات عالية من النشاط.

وتدير محطات الإنشاء والتعمير التعرض للثلاثيات من خلال مزيج من الضوابط الهندسية وعمليات الإزالة النشطة. Tritium Removal facilities (TRFs) وتستخدم مزيجا من التبادل التحفيزي والتفكيك في المزارع لاستخراج ثلاثي من مياه الأمطار الثقيلة، وتستقر ثلاثية الفرنكات كعملية لتعقب الإشعاعات المعادن التي تباع وتخزنها

تركيز ثلاثي في نظم مُديري وحدة مكافحة الإرهاب يمكن أن يصل إلى عدة عشرات من الفضائح لكل كيلوغرام بعد سنوات من التشغيل، للحفاظ على التعرض للإشعاع للعمال بأدنى قدر ممكن،

الكشف عن الأضرار والانتعاش الاقتصادي

ونظراً لارتفاع تكلفة الـ دي2 أو، فإن الكشف عن التسرب مهمة تشغيلية مستمرة، وتستخدم محطات الـ (كاندا) شبكات واسعة من أجهزة الاستشعار من نقطة الديزو، ومراقبي التريتيوم في الهواء، وأجهزة الكشف عن الرطوبة لتحديد حتى تسربات الناموسيات، وتصنف التسربات المائية الثقيلة على أنها " قابلة للتلف " أو " غير قابلة للفحص " (الرمز) (الإنبوب).

والحافز المالي على إدارة التسرب الضيق كبير، إذ يمثل معدل الخسارة الذي لا يتجاوز طنا واحدا في السنة بـ 300 دولار/كغ تكلفة مستمرة تبلغ 000 300 دولار سنويا، أي ما يعادل 9 ملايين دولار من المخزون الضائع لمدة 30 عاما، وترمي محطات البرمجيات الحديثة إلى خسائر لا يمكن استردادها تقل عن 0.5 طن سنويا، تتحقق من خلال برامج الكشف عن التسرب العدوانيّب، وتحسن تصميمات الصمامات، ونظم الاسترداد السائل الثقيلة.

سلسلة الإمدادات العالمية والأثر الاقتصادي

وتكتمل سلسلة الإمداد العالمي بالماء الثقيل نسبياً، حيث يتم عادة توفير المخزون الأولي من وحدة جديدة من وحدات الادخار المركزي بموجب ترتيب استئجار من مخزون وطني، مثل نظام الطاقة الذرية في كندا المحدودة (AECL) وحالياً من المختبرات النووية الكندية، مما يتفادى النفقات الرأسمالية الأولية الضخمة اللازمة لبناء مرفق إنتاج جديد، كما يوفر نموذج الإيجار حافزاً اقتصادياً للمشغلين على التقليل من الخسائر والحفاظ على جودة المخزون.

وبالنسبة للأسطول الحالي، فإن الطلب على المياه العذبة الثقيلة يُعزى أساساً إلى متطلبات التجميل بالنسبة للخسائر وإلى البنى الجديدة، وتعمل الهند محطاتها الخاصة التابعة لدائرة الخدمات العامة على إمداد أسطولها المحلي من المواد الكيميائية، حيث تتغلب على أوجه النقص التاريخية في المياه لكي تصبح مكتفية ذاتياً، وتنتج الأرجنتين كميات كبيرة من المياه في محطة PIAP في نيوكين، التي تزود محطات إمبلس وأوتوشا، وتشمل سلسلة الإمداد الإنتاج الأولي ليس فقط بل أيضاً

وقد تذبذبت تكلفة المياه الثقيلة على مدى العقود، ففي السبعينات، عندما كانت محطات الخدمات العامة تُبنى، كان السعر حوالي 100 دولار/كغم من حيث معدلات التضخم، وبعد إغلاق مصنع بروس وانتهاء الإنتاج الكندي، ارتفعت الأسعار إلى أكثر من 300 دولار كغم، واليوم، أصبحت السوق مستقرة نسبيا، حيث يتوفر معظم الطلب على الإنتاج الهندي والأرجنتي، وتبلغ نسبة الخسائر في محطات الإيجار بالنسبة إلى المياه الثقيلة 5-7 في المائة من قيمة الاستبدال.

المسارات المستقبلية: الإنتاج، مفاعلات نوفيل، ومركبات الوقود المتقدمة

ومن المرجح أن يتطور دور المياه الثقيلة في الطاقة النووية إلى ما يتجاوز الأسطول التقليدي للوحدة، حيث يكفي المخزون الحالي لدعم أسطول التشغيل الحالي منذ عقود، غير أن مفاهيم المفاعل الناشئة ودورات الوقود المتقدمة قد تدفع إلى طلب جديد على المياه الثقيلة أو على الجوز نفسه.

تكنولوجيا الإنتاج المتقدمة

بينما تكون عملية الـ إس إس ناضجة، فإن رأس المال المرتفع وتكاليف التشغيل قد أثارت الاهتمام بأساليب أكثر كفاءة، عملية التحلل الكهربي المختلط والتبادل التحفيزي هي تقنية فصلية متطورة واعدة تتيح إمكانية انخفاض استهلاك الطاقة وارتفاع عوامل الفصل بين المراحل الواحدة مقارنة بعملية الـ إس.إ.

وثمة سبيل واعد آخر يتمثل في استخدام الحرارة الحرارية الأرضية أو حرارة النفايات لدفع عملية الخدمات العامة، التي يمكن أن تقلل بدرجة كبيرة من آثار الكربون، وقد يؤدي إدماج المضخات الحرارية والمبادلات الحرارية المتقدمة إلى تحسين كفاءة الطاقة عموما، غير أن أيا من هذه التكنولوجيات لم يتم نشره بعد على النطاق التجاري، ومن المرجح أن تظل عملية الخدمات العامة المعيار المرجعي للعقد المقبل.

دورات الوقود المتقدمة

أما اقتصاد التروتون الممتاز لمفاعلات المياه الثقيلة فيمكن أن يجعلها منابر مثالية لحرق الوقود المتقدم، وقد أجريت بحوث كبيرة لاستخدام مفاعلات اليورانيوم العالي التحلل في استهلاك فائض البلوتونيوم من الأسلحة النووية المفككة أو من الوقود المستهلك في مفاعل الماء الخفيف، وهي دورة قابلة للتنفيذ على شبكة الإنترنت تتيح إدارة دقيقة لأجهزة إعادة التردّد وأجهزة التدفّق اللازمة لمركبات الوقود المحتوية على ثنائي الفينيل (MMOX)().

واستخدام مفاعلات المياه الثقيلة لحرق المواد الخاملة من الوقود المستهلك في LWR هو مجال نشط آخر من مجالات البحث، كما أن ارتفاع تدفق النيوترونات الحرارية والقدرة على تعديل تركيبة الوقود على الذبابة يجعلان مفاعلات النيتروز جذابة للحد من السمية المشعة الطويلة الأجل للنفايات النووية، وهذه الدورات المتقدمة من الوقود تتطلب إدخال تعديلات على مناولة الوقود وربما على الكيمياء المبردة، ولكن البنية التحتية المائية الثقيلة القائمة.

المفاعلات النموذجية الصغيرة والوقود

(أ) إن العديد من تصميمات السحب الخاصة، بما في ذلك تلك التي تستند إلى تكنولوجيا الضغط المتطورة في الكوندو، تعتبر المياه الثقيلة بمثابة موصل مرجعي أو مبرد، ويمكن أن يوفر استخدام المياه الثقيلة في عمليات التبريد ذات مرونة في الوقود ومقاومة الانتشار على نطاق أصغر، وعلى سبيل المثال، فإن مفهوم المختبرات النووية الكندية لمفاعل صغير للضغط - التحوط - يُعزز الخبرة الحالية في مجال المياه الثقيلة من أجل توفير وحدة منخفضة التكلفة ومجهزة بالوقود.

وقد تشهد سلسلة الإمداد بالماء الثقيل أيضا تغييرات إذا أصبح الاندماج تجاريا.() ومن شأن مصنع واحد من محطات دمج الشبكة العالمية باستخدام الوقود D-T أن يستهلك حوالي 50 كيلوغراما من ثلاثي الكيلوغرامات سنويا، وهو ما يلزم أن يُرشَّح من الليثيوم، وأن يكون الديوتريوم المطلوب حوالي 5 كيلوغرامات سنويا، وهو جزء لا يذكر من الإنتاج الحالي، غير أن مخزون بدء التشغيل من مفاعل تبريدي يحتاج إلى عدة مئات من الكيلومترات.

خاتمة

إن المياه الثقيلة أكثر بكثير من مجرد مبرد أو موصل للتحكم؛ فالخيار التكنولوجي المحدد الذي يُشكل الاقتصاد، وموجز الأمان، والقيمة الاستراتيجية لنظام مفاعلات CANDU، والخصائص النووية الفريدة من نوعها التي تتيح استخدام اليورانيوم الطبيعي، وتوفر الاستقلال لدورة الوقود، التي تبدو نادرة في الصناعة النووية العالمية، ويُهيمن عليها تاريخياً في عملية سلفيد غيدلر، وتُبنى قوائم الجرد الوطنية