دور المفاعلات السريعة في مستقبل نظم الطاقة الهجينة النووية

ومع تحول نظم الطاقة العالمية نحو خفض انبعاثات الكربون، فإن الحاجة إلى مصادر طاقة يمكن التعويل عليها وإرسالها تصبح أكثر حدة، فالطاقة النووية، التي تشكل قاعدة رئيسية من توليد الطاقة الكهربائية، تتطور لتلبية هذه المطالب، ومن بين التطورات الواعدة المفاعلات السريعة، وهي فئة من المفاعلات النووية المتقدمة التي تعمل بالنيوترونات ذات الطاقة العالية الطاقة، وهي ليست مجرد تغيرات في التصميمات القائمة، بل تمثل تحولا أساسيا في كيفية استخدام الوقود النووي.

ما هي المفاعلات السريعة؟

والمفاعل السريع هو مفاعل نووي يُستعان فيه برد فعل سلسلة الانشطار بالنيوترونات التي تتحرك في سُرعة مماثلة لطاقتها الأولية بعد الانشطار - ويُمكن عادة من استخدام مفاعل الطاقة الكهربائية الأكبر حجما)٢( وخلافا لمفاعلات المياه الخفيفة التقليدية التي تستخدم الماء كمفاعل مبرد ومُدير لتباطؤ النيوترونات إلى أدنى مستوى ممكن )٥٢(.

وتستعمل المفاعلات السريعة المعادن السائلة كمبردات لأن هذه المواد يمكن أن تزيل الحرارة بكفاءة دون استخدام النيوترونات المعتدلة، وأكثرها شيوعا هي الصوديوم، والرصاص، وطاقة ثاني أكسيد الكربون في الولايات المتحدة، وهي عوامل مختلفة ذات خصائص حرارية وكيميائية ونيوترونية تؤثر على تصميم المفاعلات، والسلامة، والخصائص التشغيلية.

والوقود في مفاعل سريع هو عادة أكسيد مختلط من اليورانيوم والبلوتونيوم، أو في بعض التصميمات، والسبائك المعدنية لليورانيوم والبلوتونيوم، والنشاطات الثانوية، لأن طيف النيوترونات صعب (الطاقة العالية)، فإن نسبة النسيج إلى الكبسولة هي أكثر ملاءمة للعديد من النظائر، مما يسمح بحرق تركيبات جديدة من الوقود(38).

أهم المؤثرات في المفاعلات السريعة

وتوفر المفاعلات السريعة عدة منافع تقنية وبيئية تميزها عن المفاعلات الحرارية، وهذه المزايا تجعلها مرشحين جذابين للإدماج في نظم الطاقة الهجينة.

كفاءة الوقود وتمديد الموارد

في مفاعل حراري، فقط حوالي 0.7٪ من اليورانيوم الطبيعي (النظير الإنشطاري U-235) قابل للاستخدام مباشرة؛ أما باقي الـ 99.3 في المائة (U-238) فهو في الغالب غير ملوث ويصبح نفايات، ولكن يمكن لمفاعلات الطاقة السريعة أن تحول اليورانيوم-238 إلى البلوتونيوم-239 من خلال التقاط النيوترونات والتحلل اللاحق للفولطونيوم، وهذا يعني أن 100 مرة من المفاعلات السريعة يمكنها أن تستخرج

خفض النفايات وإدارة الأنشطة

ومن أكثر الحجج إلحاحا للمفاعلات السريعة قدرتها على الحد من السمية الراديوية الطويلة الأجل وحجم النفايات النووية العالية المستوى، ويحتوي الوقود المستخدم من المفاعلات الحرارية على البلوتونيوم، والأكرانيوم الطفيفة (النفط، والكوريوم)، ومنتجات النسيج الطويلة الأجل، ويمكن تصميم المفاعلات السريعة الناتجة عن " الحرق " ، والمئات من المواد السائلة المحتوية على مواد متطورة.

القدرة على التنفُّس

ويمكن للمفاعلات السريعة أن تعمل في إطار " مبرد " حيث تنتج مواد انشطارية أكثر مما تستهلكه، إذ أن المفاعل السريع النموذجي له نسبة تحويل أكبر من ١,٠، مما يعني أنه يمكن أن يولد وقودا جديدا من المواد الخصبة بينما ينتج الطاقة، وهذا النهج المغلقة لدورة الوقود يتيح نظاما للطاقة يقترب من الالاكتفاء الذاتي يمكن أن يمتد لقرون يستخدم فقط مخزونات اليورانيوم المستنفد الموجودة والمعاد تدويرها.

المرونة في الوقود والعملية

ويمكن لمفاعلات سريعة أن تستوعب أنواعا متنوعة من أنواع الوقود، بما في ذلك الأكسيد المختلط، والخطوط المعدنية، وحتى وقود الكاربيد، ويمكن لبعض التصميمات أن تحرق البلوتونيوم الفائض من درجة الأسلحة كشكل من أشكال نزع السلاح، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للمفاعلات السريعة أن تعمل بقدرة مرنة على التعبئة، وتعديل إنتاج الطاقة بحيث يضاهي الطلب على الشبكة، وهذه المرونة التشغيلية قيمة عندما تقترن بمتغيرات الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية، التي تنتج طاقة متقطعة.

المفاعلات السريعة في نظم الطاقة الهجينة

إن نظم الطاقة الهجينة تجمع بين مصادر متعددة لتوليد الطاقة وتكنولوجيات التخزين لتوفير الكهرباء والحرارة الموثوق بهما والميسورة التكلفة والمنخفضة الكربون، وفي مثل هذا النظام، يعمل المفاعل السريع كقاعدة خلفية ثابتة ومرسلة تكمل تقلب إنتاج المواد المتجددة، ولا يقتصر المفهوم على إضافة الطاقة النووية إلى شبكة متجددة، بل هو تصميم نظام متكامل تستخدم فيه قوتان كل عنصر بشكل متكرر.

حمولة القاعدة والتوازن بين الجريمتين

فالمزارع الشمسية والريحية تنتج الكهرباء عندما تشرق الشمس وتهب الرياح، ليس بالضرورة عندما يكون الطلب أعلى، ويمكن لمشغلي شبكات التضليل هذه أن يعتمدوا على مصادر الاستجابة السريعة مثل توربينات الغاز الطبيعي، أو الهيدرو المضخة، أو البطاريات، كما أن المفاعلات السريعة، بسبب ارتفاع معدلات الإصابة بالتوتر الحراري وتواتر الإنتاج القابل للتحكم، يمكن أن توفر قوة ثابتة للشحن.

إمدادات الحرارة للعمليات الصناعية

وتحتاج قطاعات صناعية كثيرة - مثل الفولاذ والاسمنت والمواد الكيميائية - إلى حرارة عالية الحرارة لعمليات مثل تكسير البخار والرش والهيدروجين، حيث يمكن للمفاعلات الحرارية أن تعمل في درجة حرارة أقل )حوالي ٠٠٣ درجة مئوية(، مما يحد من استخدامها في التطبيقات الحرارية، ويمكن للمفاعلات السريعة أن تعمل في درجات حرارة أعلى، وذلك حسب ما هو بارد: تصل النظم المحتوية على مواد كيميائية إلى نحو ٠٥٥ درجة مئوية.

إنتاج الهيدروجين

فالهيدروجين يكتسب محركات كناقل طاقة نظيفة للنقل، والمواد الوسيطة الصناعية، وتخزين الطاقة، ويمكن للمفاعلات السريعة أن تنتج الهيدروجين عن طريق التحلل الكهربائي العالي التمرين أو التفكيك الحراري، أو أن يكون التفرق الحراري الكيميائي، ولأن المفاعل السريع يولد الحرارة والكهرباء، يمكن أن يحقق النظام كفاءة عالية في الارتفاع الكلي - ربما تزيد على 50 في المائة عند استخدام دورة الريح المحترقة.

التكافل القطاعي وإزالة الكربون

فالنظم الهجينة التي تشمل المفاعلات السريعة تتيح الانقلاب القطاعي - الترابط المتعمد بين الكهرباء والحرارة والنقل، وعلى سبيل المثال، يمكن للمفاعل السريع أن يوفر الحرارة لشبكات تدفئة المناطق، وأن ينتج الكهرباء للشبكة، وأن يولد الهيدروجين للحافلات التي تحمل خلايا الوقود، ومن خلال توفير ناقلات متعددة للطاقة من مصدر وحيد منخفض الكربون، تساعد المفاعلات السريعة على تجنب الحاجة إلى بناء بنية أساسية منفصلة لكل قطاع.

التحديات والحواجز أمام الانتشار

وعلى الرغم من وعدها، تواجه المفاعلات السريعة عقبات كبيرة يجب التغلب عليها قبل أن تتمكن من القيام بدور رئيسي في نظم الطاقة الهجينة، وهذه التحديات هي تحديات تقنية ومؤسسية على حد سواء.

التكاليف الرأسمالية والقابلية للتأثر الاقتصادي

والمفاعلات السريعة أكثر تكلفة لبناء مفاعلات المياه الخفيفة التقليدية لأنها تتطلب مواد ومكونات ونظم أمان أكثر تخصصا، إذ أن التبريد المعدني السائل، على سبيل المثال، يُطلب مضخات ومبادلات حرارية، وصمامات يجب أن تعمل بشكل موثوق في بيئات عالية الحرارة ومتشابكة، كما أن عمليات تصنيع الوقود أكثر تعقيدا ويجب أن تعالج زيادة الحرق.

مسائل السلامة والتنظيم

وتثير المفاعلات السريعة، ولا سيما التصميمات المصممة على الصوديوم، شواغل أمنية فريدة، وتتفاعل الصوديوم عنيفة مع المياه والهواء، وتخلق مخاطر الحريق والتفجير، ويجب أن تتضمن تصميمات المفاعلات حواجز متعددة لمنع هذه الاتصالات، فضلا عن نظم إدارة حرائق الصوديوم، وتقضي النظم ذات الجرعة على التفاعل الكيميائي، ولكنها تستحدث قضايا تتعلق بالتآكل وتآكل المواد الهيكلية في درجات الحرارة العالية.

مخاطر الانتشار

وتنتج مفاعلات الرعي البلوتونيوم - وهو مادة قابلة للاستخدام في الأسلحة - كجزء من عملياتها العادية، وفي حين أن البلوتونيوم في الوقود المستهلك لا يمكن استخدامه مباشرة في الأسلحة الخام دون إعادة المعالجة، فإن وجود مخزونات كبيرة من البلوتونيوم المنفصل أو من درجة المفاعلات يثير شواغل تتعلق بالانتشار، فالضمانات الدولية، مثل تلك التي تُستخدم من الوكالة الدولية للطاقة الذرية () [تزيد من المواد المتعلقة بالتجهيز الوقود].]

علوم المواد والخبرة التنفيذية

المفاعلات السريعة تعمل تحت ظروف شديدة الحرارة المرتفعة، وميادين الإشعاع القوية، والتواصل مع المبردات التآكلية، يجب أن تصمد المواد المكلورة للجرعات العالية دون تتورّم أو إرهاق، وكيمياء باردة يجب أن تُراقب بعناية لتقليل التآكل إلى أدنى حد، وبالرغم من أن عدة مفاعلات سريعة قد بُنيت وشغلت - مثل الـ BN-600 و BN-800

التكامل مع القابلات للتجديدات والقابلية للمقارنة

وفي حين أن المفاعلات السريعة يمكن أن تذبذب الإنتاج إلى حد ما، فإن التغيرات المتكررة في الطاقة يمكن أن تسبب الإجهاد الحراري على المكونات وتخفض عمر الوقود، وقد تنطوي العملية الأمثل على وضع ثابت في الطاقة، حيث تستوعب المتجددات تقلبا قصير الأجل، وتستلزم نظم مراقبة تصميم هذه التشكيلة الهجينة نماذج متطورة وبيانات آنية وبروتوكولات اتصالات، ويجب رفع مستوى الكترونيات الكهربائية والهياكل الأساسية للشبكات لمعالجة التدفقات الثنائية الاتجاه من العديد من المولدات الصغيرة.

المشاريع الحالية والتوقعات المستقبلية

وتتابع عدة بلدان تطوير المفاعلات السريعة كجزء من استراتيجياتها المتقدمة للطاقة النووية، وتعمل شبكة الطاقة النووية الروسية منذ عام 2015 وتستخدم لاختبار وقود الموكس وحرق العملات الثانوية، وتقوم الصين ببناء مفاعل سريع للبيانات (CFR-600) ولديها خطط لدورة الوقود المغلقة، وتقوم الهند بتطوير مفاعل أسرع لتصنيع مفاعلات الطاقة الكهربائية من طراز MWetotype (PFBR) يستخدم برامج للتشغيل الصوديوم كبريد والوقود.

وفي أوروبا، تشمل المبادرة الصناعية الأوروبية المستدامة للمفاعلات السريعة بمبردات الرصاص والغاز، ويعتزم مشروع " مي ريها " في بلجيكا بناء نظام مسرع يمكن أن يعمل كمصدر للنيوترونات السريعة للبحث والتحول، وعلى الصعيد الدولي، تغلب " المفاعل الدولي التعاوني " (] GIF) على حواجز المفاعلات السريعة الواعدة.

المفاعلات الصغيرة والمتوسطة

ومن الاتجاهات الملحوظة تطوير مفاعلات سريعة نموذجية صغيرة، حيث يمكن أن تُدمج نواتج الطاقة تتراوح بين 10 و300 ميغاواط. وتهدف هذه التصميمات إلى خفض تكاليف رأس المال من خلال نسيج المصنع ونظم الأمان الأبسط، وتشمل الأمثلة على ذلك شبكة ويستنغهاوس السريعة، والشبكة العامة للكهرباء - الهيتاتشي (النموذج الصغير المبتكر) والمحطة الرابعة لتوشيبا.

خاتمة

فالمفاعلات السريعة ليست تكنولوجيا هامشية؛ فهي تمثل تقدما أساسيا في الطاقة النووية يعالج تحدين من أكبر التحديات التي تواجه الصناعة هما: كفاءة الوقود وإدارة النفايات، وقدرتها على العمل في دورة الوقود المغلقة، وتوليد الوقود الجديد، والحد من النفايات المشعة التي طال أمدها، تجعلها حجر الزاوية في الطاقة النووية المستدامة، وعندما تقترن بمصادر الطاقة المتجددة في نظام هجين، يمكن للمفاعلات السريعة أن توفر الطاقة الكهربائية الموثوقة والمنخفضة الكربون التي تحتاج إليها الاقتصادات الحديثة.

بيد أن الطريق إلى الانتشار الواسع النطاق هو طريق حاد، إذ أن ارتفاع تكاليف رأس المال، والمسائل المتعلقة بالسلامة والتنظيم، وشواغل الانتشار، والحاجة إلى مواد متقدمة لا تزال تشكل عقبات هائلة، وسينصب العقد القادم على الأهمية: إذ من المقرر أن تأتي عدة مفاعلات بيانية على شبكة الإنترنت، ويقود التعاون الدولي مثل المنتدى الدولي للجيل الرابع التقدم، وإذا أمكن إدارة هذه التحديات، فإن المفاعلات السريعة يمكن أن تؤدي دورا محوريا في نظام عالمي للطاقة يكون نظيفا ومرنا.

For further reading, the U.S. Department of Energy provides an overview of fast reactor research at Fast Neutron Reactors, and the World Nuclear Association offers a thorough technical primer at ]Fast Neutron Reactors[FT:3]. The International Atomic Energy Agency publishes regular updates through knowledge fast reactor status