دور المفاعلات السريعة في الاقتصاد الهيدروجيني

دور المفاعلات السريعة في الاقتصاد الهيدروجيني

ويبني الزخم العالمي حول اقتصاد الهيدروجين كحجر في إزالة الكربون العميق، إذ أن الهيدروجين يوفر ناقل طاقة متعدد الأطراف للنقل، والحرارة الصناعية، وتوليد الطاقة، والمواد الوسيطة الكيميائية، ومع ذلك فإن رفع إنتاج الهيدروجين المنخفض الكربون لتلبية الطلب المتوقع لا يزال يشكل تحديا تقنيا واقتصاديا هائلا، كما أن مفاعلات توليد الطاقة الكهربائية السريعة توفر مزايا قوية، وإن كانت مغلوطة في كثير من الأحيان، عن طريق الانقلابات على جيل نظيف من الطاقة النووية.

فهم المفاعلات السريعة

مبادئ التشغيل الأساسية

(أ) المفاعلات النووية التقليدية، المعروفة بالمفاعلات الحرارية، تستخدم النيوترونات البطيئة المعتدلة للحفاظ على انشطارية اليورانيوم-235 (0.7 في المائة من اليورانيوم الطبيعي) وتقضي مفاعلات التوليد السريع على الموصلات الحرارية بحيث تظل في طاقة عالية (~1 MeV) وهذا الطيف النيوتروني السريع يفكك قدراتين حرجة: أولاً، يمكن أن يلوث مجموعة أوسع من المواد الانشطارية، بما فيها البلوتون - 239

ويستخدم معظم البيوتانات الفلورية جوهر أكسيد ثنائي الفينيل المختلط - وهو مزيج من ثاني أكسيد البلوتونيوم وثاني أكسيد اليورانيوم - محاط ببطانية من اليورانيوم - 238، ويقلل النيوترونات السريعة التسرب من اليورانيوم المتحول إلى البلوتونيوم، الذي يعاد تجهيزه لإعادة الاستخدام، ويمتد هذا النوع من الوقود المغلقة بشكل كبير من الطاقة المستخرجة من اليورانيوم الطبيعي - وهو ما يُبلغ عنه من 60 إلى 100 مرة أخرى من حيث الطاقة

البرامج التاريخية والراهنة المتعلقة بمكافحة الاتجار بالبشر

SBR, SBR, SBR, FBR, SBB, FBR, SB, SB, FB, SB, SB, SB, SB, SB, SB, SB, SB, SB, SB, S.

وفي حين واجهت عدة عمليات سابقة للتصديق على أساس التراكم البيولوجي تحديات تقنية وتكلفة، فإن التصميمات الحديثة تستفيد من المواد المتقدمة، ونظم السلامة السلبية، وتحسين تجهيز الوقود، وقد حدد المنتدى الدولي للجيل الرابع المفاعل السريع الذي يُستخدم في الصوديوم باعتباره أحد أكثر التكنولوجيات سرعة واعدة من أجل الاستدامة والسلامة ومقاومة الانتشار.

لماذا يحتاج الهيدروجين إلى مفاعلات سريعة

The Scale of the Hydrogen Challenge

وتتوقع الوكالة الدولية للطاقة أن يصل الطلب العالمي على الهيدروجين إلى أكثر من 500 مليون طن سنويا بحلول عام 2050، أي بزيادة عن 90 مليون طن اليوم، ويجب أن يأتي معظم هذا النمو من مصادر منخفضة الكربون: إما الهيدروجين الكهروليكي (الهدروجين الأخضر) الذي ينتج عن الطاقة المتجددة، أو الهيدروجين الحراري من الحرارة النووية (الهيدروجين الوردي)، أو الهيدروجين المستمد من الأحفوري الذي يستهلك الكربون (الهيدروجين التراكمي).

فالقوة النووية، ولا سيما من مفاعلات التوليد السريعة، توفر مصدرا ثابتا عالي الحرارة يمكن أن يدفع عمليات إنتاج الهيدروجين بكفاءة عالية باستمرار، ولا يمكن أن ينتج سوى ٠٠٠ ١ ميغاواط من الهيدروجين سنويا، أي ما يعادل مئات الكيلومترات الكبيرة من المزرعة المصممة.

مسارات إنتاج الهيدروجين مناسبة للمركبات الفلورية

التحلل الكهربائي المنخفض التلقائي

وتعمل أجهزة الإلكتروليت التقليدية وأجهزة التبديل بالبروتونات على درجة حرارة ٦٠-٩٠ درجة مئوية. وفي حين أنها تستطيع استخدام الكهرباء من أي مصدر، فإن كفاءتها محدودة )نحو ٥٠-٧٠ في المائة على أساس أعلى من قيمة التدفئة(.

التحلل العالي التحلل الرئوي

ويستخدم جهاز HTSE في درجة حرارة تبلغ 700-900 درجة مئوية باستخدام كهرباء أكسيد صلب، وبإمداد الكهرباء والحرارة العالية الجودة من المفاعل، يمكن أن يحقق هذا النوع من الكفاءة في التحويل من الكهرباء إلى الهيدروجين فوق 80 في المائة (LHV) ويمكن لمفاعل التوليد السريع أن يوصل حرارة العمليات عند هذه درجات الحرارة، ويستخدم الصوديوم الجذاب - الذي يُستخرج من درجة الحرارة المتوسطة عند نحو 500-50.

Cycles كيميائياً حرارياً

وتحتاج المياه التي تقسم عن طريق دورات الحرارة الكيميائية، مثل الكبريت - اليودين (S-I) أو الكلور النحاس (Cu-Cl) إلى حرارة عند 750-1000 درجة مئوية. أما المفاعلات السريعة، التي تبلغ درجات حرارة المنافذ الأساسية العالية فيها (بعض التصميمات المتقدمة 850-1000 درجة مئوية باستخدام مبردات الغاز)، فيمكن أن تؤدي هذه الدورات البحثية مباشرة دون تصميم كهربائي متوسط.

العمليات المختلطة

ويمكن أن تؤدي الخطوات الكيمائية الحرارية والكهربية إلى الاستخدام الأمثل للطاقة، فعلى سبيل المثال، تستخدم دورة الكبريت الهجينة خطوة تحلل حراري عند 850 درجة مئوية، يليها خطوة كهرومغناطيسية منخفضة الحرارة، ويمكن للمفاعلات السريعة أن توفر الحرارة والكهرباء على السواء، مما يتيح لمصانع الهيدروجين المتكاملة الحد الأدنى من مدخلات الطاقة الخارجية.

أهم مزايا نظم الهيدروجين

كفاءة الوقود واستخدام الموارد

وتستخرج القوات المسلحة الرواندية طاقة أكبر بكثير من الطاقة الحرارية من المفاعلات الحرارية، مما يخلق بفعالية إمدادات من الوقود لا حصر لها تقريبا من اليورانيوم - 238 بخلاف ذلك، وهذا الوفرة من الموارد ذات أهمية خاصة بالنسبة للدول التي لا توجد فيها احتياطيات كبيرة من اليورانيوم، ويمكن استخدام الناتج الثانوي لدورة الوقود السريعة للمفاعلات - البلوتونيوم - لبدء عمليات تصنيع أكثر من مركبات الكربون المفلورة، مما يؤدي إلى توسيع نطاق نظام الوقود الذاتي، وهذا يعني أن مدخلات الطاقة غير قابلة للانتقال على مدى قرون.

موثوقية الشحنات الأساسية ومدى المرونة التشغيلية

وعلى عكس المصادر المتجددة، تنتج عمليات إعادة البناء المولدة للفلور طاقة ثابتة وحرارة مستقلة عن الطقس أو الوقت الذي يمر فيه اليوم، وهذه السمة الأساسية أساسية بالنسبة لمرافق الهيدروجين الصناعية التي تتطلب تغذية مستقرة لعمليات التصفيق في المجرى السفلي (مثلاً، التوليف الأمونيا، التخفيض المباشر للصلب) وعلاوة على ذلك، يمكن لبعض تصميمات البرمجيات المحتوية على مركبات الكربون أن تعدل إنتاج الطاقة (الحمولة) لتلائمة مع الطلب على الهيدروجين بالشبكة، مما يوفر منافع الاقتصادية والنظم.

انخفاض انبعاثات الكربون

الطاقة النووية مصدر للطاقة شبه صفري الكربون عند النظر في الانبعاثات الكاملة لدورة الحياة، ولا توجد في محطة الهيدروجين التي تحركها القوات المسلحة الرواندية أي ثاني أكسيد الكربون أثناء التشغيل، مقارنةً مع إصلاح غاز البخار (الهيدروجين الرمودي، وهو ما يمثل 10 كيلوغرامات من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوغرام من الكيلوغرامات من المادة H2)، فإن التحول إلى الهيدروجين المولدة من المواد النووية يمكن أن ينقذ ملايين الأطنان من غازات الدفيئة سنوياً.

الإحراق والتقليل من النفايات

ويمكن تصميم المفاعلات السريعة على أن تستهلك بدلا من أن تولد البلوتونيوم، الذي يعمل كمحرقة لنظائر متداخلة المدى من الوقود المستهلك المفاعل التقليدي، وهذا الدور المزدوج - الذي ينتج الهيدروجين بينما يدمر النفايات - يتوافق مع مبادئ الاقتصاد الدائري، ونتيجة لذلك انخفاض كبير في كمية النفايات العالية المستوى التي تتطلب التخلص الجيولوجي، مما يقلل من التزامات التخزين الطويلة الأجل.

مشاريع التطبيقات العالمية الحقيقية والشهادات

الاتحاد الروسي BN-800 و Hydrogen Co-Generation

وقد كانت روسيا قائدا عالميا في انتشار القوات المسلحة الرواندية، وقد أظهرت الطائرة BN-800 في بلويارسك عمليات تجارية ويجري تقييمها لإنتاج الهيدروجين باستخدام الهدروليكات الكهربائية ذات الحرارة المنخفضة، وتشمل خريطة طريق الهيدروجين النووي خططا لإدماج مركبات الهيدروجين المحتوية على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور مع وحدات HTSE بحلول أوائل الثلاثينات.

برنامج الهند السريع وأمن الطاقة

وقد سعت الهند منذ فترة طويلة، التي لديها اليورانيوم المحدود ولكن هرمونات وفرة، إلى تنفيذ برنامج نووي من ثلاث مراحل تكون فيه مركبات الكربون الفلورية ذات مركزية، وستغذي هذه المركبات الكهرباء للشبكة ويمكنها في وقت لاحق توفير الطاقة الكهربائية للتحلل الكهربائي، ويقوم الباحثون الهنديون في مركز إنديرا غاندي للبحوث الذرية بدراسة دورات إنتاج الهيدروجين الحرارية التي تتوافق مع النواتج العالية الحرارة من المفاعلات السريعة في المستقبل.

المبادرات الدولية المتعلقة بالتنمية

وفي إطار المنتدى الدولي للجيل الرابع، يمثل المفاعل السريع المحتوي على الصوديوم أعلى نظام للعرض العملي، وتقوم بلدان أعضاء عديدة باستكشاف توليد الهيدروجين المشترك كتطبيق للاستخدام النهائي، وتقوم الولايات المتحدة، من خلال برنامج الطاقة النووية ، بدعم البحوث المتعلقة بإدماج هذه المواد في دورة الترخيص الخاصة بالترخيص، مع التركيز على التكلفة.

التحديات التي تواجه التغلب على التحديات

التكاليف الرأسمالية والقابلية للتأثر الاقتصادي

كما أن مفاعلات التوليد السريع لا تزال أكثر تكلفة بكثير لبناء مفاعلات حرارية وأكثر بكثير من محطات الغاز الطبيعي، كما أن الحاجة إلى مواد متخصصة )مثل الصلب المتقدم الذي يقاوم التلف السريع للنيترون(، وتصنيع الوقود المعقد، ونظم مناولة الصوديوم تؤدي إلى زيادة التكاليف الأولية، كما أن إنتاج الهيدروجين يضيف رأسمالا إضافيا للكهرباء أو النباتات الحرارية الكيميائية.

السلامة والرخص

وتستخدم هذه المركبات الصوديوم السائل كمبرد، وهو ما يتفاعل بقوة مع المياه والهواء، وفي حين أن الصوديوم لا يضاهي الفولاذ في ظل ظروف غير سليمة، فإن أي تسرب يخلق مخاطر الحريق والتفجير، وتشتمل التصميمات الحديثة على حواجز متعددة، وغاز غير مغطى، ونظم إزالة حرارة الديغي، ومع ذلك، فإن الترخيص بنوع جديد من المفاعلات، إلى جانب مصنع هودروجين، يخلق تحديات تنظيمية مزدوجة.

قبول الجمهور وعدم الانتشار

وتواجه الطاقة النووية مخاوف عامة في العديد من البلدان، لا سيما بعد فوكوشيما، وتثير القوات الجمهورية، مع ارتباطها بإنتاج البلوتونيوم وإعادة تجهيزه، شواغل إضافية تتعلق بعدم الانتشار، غير أن التصميمات الحديثة لجبهة الكاربون المتحدين من أجل المصالحة والديمقراطية تتضمن سمات مقاومة للانتشار، مثل تركيبات الوقود المُنَوَّبة والمعالجة المتكاملة للوقود المستهلك، كما أن التواصل الواضح بشأن دور القوات المسلحة الرواندية في إغلاق دورة الوقود والحد من النفايات يمكن أن يساعد على إعادة بناء الثقة.

بنية أساسية لمركبات الوقود

وتحتاج عمليات إعادة البناء إلى دورة وقود مغلقة: إعادة معالجة الوقود المستهلك وتصنيع وقود المكشوف الطازج، وهناك بلدان قليلة فقط (روسيا وفرنسا والهند واليابان) لديها محطات لإعادة المعالجة على نطاق تجاري، وتوسيع نطاق هذه الهياكل الأساسية على الصعيد العالمي استثمار ضخم، وبالإضافة إلى ذلك، تتطلب سوقيات نقل الوقود القائم على البلوتونيوم تدابير أمنية صارمة، وبدون تطوير مواز لمرافق دورة الوقود، لا يمكن لمفهوم FBR-H2 أن يضخم.

أطر السياسات والأسواق لتمكين القوات المسلحة الرواندية - هايدروجين

خصخصة الكربون ومعايير الهيدروجين النظيفة

ويمكن للحكومات أن تعجل الهيدروجين القائم على أساس FBR بإنفاذ سعر كربون قوي على الهيدروجين الأحفوري ووضع معايير مخفضة جداً للهيدروجين (مثل توجيه الاتحاد الأوروبي بشأن الطاقة المتجددة الذي يتطلب تخفيض انبعاثات دورة الحياة بنسبة 70 في المائة). ويمكن أن تُؤهل الهيدروجين المحتوي على الهيدروجين السائل تحت العديد من التعاريف لـ " الهيدروجين النظيف " ، ولا سيما إذا كان المفاعل معتمداً على ناتجه المنخفض الكربون.

الشراكات بين القطاعين العام والخاص وبرامج التدبير

وتحتاج مصانع الدروجين من النوع الأول من نوع FBR-Hdrogen إلى تمويل كبير من القطاع العام من أجل التنمية وتقاسم المخاطر، ويمكن أن توفر مبادرات مثل مبادرة الهيدروجين النووية الأمريكية أو رؤية مجتمع الهيدروجين الياباني المنح وضمانات القروض، والشراكات الدولية، مثل تلك التي تعززها ] المنتدى الدولي المعني بالتجديد الرابع ، الحد من الازدواجية والتسويق السريع.

التكامل مع مجموعات الهيدروجين والصناعات

فالتكنف في مواقع المركبات المفلورة مع مستعملي الهيدروجين الواسعي النطاق (المعاينات، ونباتات الأمونيا، ومطاحن الفولاذ) يقلل من تكاليف النقل ويزيد من الاستفادة منها إلى أقصى حد، ويمكن للحكومات أن تُحدِّد هذه " الوديان النووية - الهيدروجينية " وأن توفر تسهيلات مبسطة لمرافق الطاقة المتكاملة، وقد أعلنت كل من تكساس ولويزيانا وهولندا بالفعل خططاً لمراكز الهيدروجين يمكن أن تؤدي دوراً.

التوقعات المستقبلية والطرق التكنولوجية

ومفاعلات التكاثر السريع ليست حلا قريبا الأجل لاقتصاد الهيدروجين - ربما يكون أول مصنع تجاري للمركبات الهيدروجينية الفلورية - H2 على بعد عقد من الزمن، غير أنه نظرا للفترات الطويلة التي تستغرقها العمليات النووية والعاجلة في مجال المناخ، يجب أن يبدأ التخطيط الآن.

• Near-term (2025-2035):] Retrofit existing FBRs (BN-800, PFBR) with low-temperature electrosis to produce small quantities of hydrogen and gain operational experience.
• Medium-term (2035-2045):] Deploy advanced SFRs with high-temperature steam electrolysis, achieving 80%+ efficiency and LCOH below $3/kg.
• Long-term (2045-2060):] Introduce gas-cooled fast reactors or molten salt fast reactors capable of driving thermochemical cycles at ⁇ 900 °C, unlocking the full potential of direct water divisionting.

واليابان وكوريا الجنوبية والمملكة المتحدة تستكشف مفاعلات الغاز ذات الحرارة العالية إلى جانب مركبات FBR، ولكن هذه المفاعلات ذات القدرة على التوالد أقل، وقد تبرر أوجه التآزر بين مركبات الفلور والهيدروجين في نهاية المطاف توليداً جديداً من مفاعلات الهيدروجين المكرَّسة - التي تُستخدم خصيصاً في رفع درجة حرارة المركبات بدلاً من توليد الكهرباء.

إن التحول الاقتصادي في الهيدروجين ليس تحولاً من خطوات واحدة - بل يتطلب حافظة من مصادر الطاقة النظيفة، إذ أن مفاعلات توليد الطاقة الفريدة من نوعها من الطاقة العالية القدرة، والمرسلة، المنخفضة الكربون، إلى جانب الوقود الذي يكاد لا يمكن تجنبه، وفي عالم يحتاج إلى إزالة الكربون من الصناعة والنقل والطاقة في وقت واحد، يمكن أن تؤدي هذه المركبات دوراً محورياً في جعل التعاون الدولي في مجال الهيدروجين قابلاً للاستدامة حقاً على نطاق واسع.

وللاطلاع على مزيد من القراءة، انظر تقارير [الوكالة الدولية للطاقة الذرية] عن إنتاج الهيدروجين النووي ] و] استعراض الجمعية النووية العالمية للمواد النووية والهيدروجين ].