احتمال حدوث تقدم نووي في معادلة المنطقة الصافية

إن تحقيق انبعاثات صافية صفرية بحلول منتصف القرن يمثل تحديا هندسيا واقتصاديا استثنائيا، وتظهر نماذج المناخ التي وضعها الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ والوكالة الدولية للطاقة باستمرار أنه يجب على العالم أن ينشر كل تكنولوجيا متدنية الكربون متاحة في وقت واحد، وفي حين أن الطاقة الشمسية والريحية تشكل العمود الفقري للانتقال المتجدد، فإنها تواجه قيودا متأصلة في مجال الطاقة المتقطعة، واستخدام الأراضي، وكثافة مادية.

وهذه التصميمات المتقدمة تعد بالتغلب على الحواجز التقليدية للتكلفة والنفايات والسلامة التي قيدت الصناعة النووية تاريخيا، وبتشجيع الابتكارات في علوم المواد ونظم الأمان السلبية والتصنيع النموذجي، يمكن للمفاعلات المتقدمة أن تحول كيفية تشغيل الصناعة الثقيلة، وتثبيت الشبكات، وإنتاج الوقود النظيف، وبما أن واضعي السياسات ومخططي الطاقة يرسمون مسارات إلى عام 2050، فإن فهم دور هذه التكنولوجيات ومسارها ليس مفيدا فحسب.

تحديد الجيل الرابع ما الذي يجعل المفاعل "مُسَمَّل"؟

ويشمل مصطلح " المفاعل النووي المتطور " مجموعة متنوعة من التصميمات تتجاوز كثيرا مفاعلات المياه الخفيفة التي تغلبت على الأسطول العالمي منذ عقود، وفي حين أن عمليات إعادة التأهيل التقليدية لا تزال تُبنى، والتي كثيرا ما تُسمَّى بالجيل الثالث/الثالث +، فإن المفاعلات المتقدمة تُعرَّف على نطاق واسع بأنها نظم توليد الطاقة الكهربائية، والمفاعلات الصغيرة المولدة، ومكوِّنات الدقيقة.

النظم التوليدية الرابعة

(أ) حدد المنتدى الدولي المعني بالجيل الرابع ست تكنولوجيات رئيسية للمفاعلات تمثل الطرف المتطور للعلوم النووية، وتشمل هذه التكنولوجيات [المفاعلات ذات الطبيعة العالية] [الملوثات العضوية الثابتة:] ، القادرة على توفير الحرارة في أكثر من 950 درجة مئوية لإنتاج الهيدروجين الصناعي؛

المفاعلات النموذجية الصغيرة

وربما كانت الفئة الأكثر توقعا هي المفاعلات المتوسطة الصغيرة (المعدلات المتوسطة الأجل) التي تحددها ناتج الطاقة (التي تقل عادة عن 300 ميغاواط) وإمكانياتها في تصنيع المصانع، وبدلا من تركيبة كبيرة ومبنية للمواقع وصلبية، تجمع معدلات الارتفاع في بيئة مصنع خاضعة للرقابة، تشحن بالسكك الحديدية أو الشاحنات إلى موقع، وتضع نظاما للبناء.

المفاعلات الدقيقة

وفي أصغر مراحل الطيف، هي المفاعلات الدقيقة، التي تنتج عادة ما بين 1 و10 ميغاواط. وهذه الوحدات مصممة للتنقل المفرط والقدرة على التكيف، ويمكن شحن مفاعل صغير في حاوية موحدة ومرتبط بمؤسسة صغيرة لتوليد الطاقة، أو قاعدة عسكرية أو مركز بيانات أو جهد للإغاثة في حالات الكوارث، وهي مصممة للسير لسنوات دون إعادة الوقود، مما يوفر مصنعا للطاقة شبه ثابت.

المزايا التقنية: السلامة، النفايات، كفاءة الوقود

ويكمن وعد المفاعلات المتقدمة في قدرتها على حل مواطن الضعف التقنية الأساسية للمصانع النووية القديمة، وهي ليست تحسينات تدريجية بل هي إعادة التفكير الأساسية في الفيزياء والهندسة للمفاعلات.

السلامة المتأصلة والعاطفية

وتعتمد المفاعلات التقليدية اعتماداً كبيراً على نظم الأمان النشطة التي تتطلب الطاقة الخارجية والتدخل البشري، وتتحول التصميمات المتقدمة نموذج الأمان إلى نظم التفاف ، وعلى سبيل المثال، يعتمد العديد من المفاعلات العاملة في مجال السلامة الجيولوجية (GGGenmet) على التداول الطبيعي (الاختناق) للتبريد، مما يعني أنه لا يلزم أي مضخات، وإذا ما تجاوزت المفاعلات الفيزياء المطاطية.

إغلاق دورة الوقود النووي

وربما كانت الميزة التقنية الأكثر عمقا للمفاعلات المتقدمة، ولا سيما المفاعلات السريعة، هي قدرتها على أن تستهلك النفايات النووية .() وتستخدم هذه الأسلحة أقل من 1 في المائة من الطاقة المحتملة في اليورانيوم الملغوم، وتترك وراءها الوقود المستهلك الغني في العناصر العابرة للمنطقة التي تعيش فيها فترة طويلة، ويمكن تصميم المفاعلات السريعة على أنها " أجهزة لاسلكية " تستخدم هذه العناصر كوادر، وتخفض النفايات.

درجات الحرارة العالية والكفاءة

وتشغل أجهزة إعادة التأهيل ذات المستوى المتوسط حوالي 300 درجة مئوية، ويمكن للمفاعلات المتقدمة، مثل جهاز VHTR أو MSR، أن تعمل في درجات حرارة تتجاوز 700 درجة مئوية، وهذه الزيادة الكبيرة في درجة الحرارة تتيح كفاءة حرارية أعلى في تحويل الحرارة إلى الكهرباء، وأكثر أهمية، تفتح الباب أمام تطبيقات الحرارة الصناعية المباشرة .

إدماج المظالم والقطاع

ويتطلب إدماج الأسلحة النووية المتقدمة في شبكة صافية من الطاقة إعادة التفكير في نموذج الحمولة الأساسية التقليدي، وستكون الشبكة المستقبلية تفاعلا معقدا بين مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة، والتخزين، والقدرة الثابتة المرنة.

استكمال النواتج المتجددة المتغيرة

Inponents of nuclear energy argue that it is too inflexible to work along high penetrations of wind and solar. However, many advanced reactor designs are engineered for load-following operation. They can ramp their power output up and down to accommodate the natural volatiles renewable frequency. Furthermore, nuclear plants provide

إنتاج الهيدروجين النظيف والفولط E-Fuels

ومن أكثر الأدوار إثارة في مجال الطاقة النووية المتقدمة إنتاج الهيدروجين النظيف، فالتحليل الكهربائي العالي التمرين أكثر كفاءة بكثير من التحلل الكهربائي التقليدي، إذ يمكن أن ننتج هذا النوع من الوقود بصورة مباشرة كوقود مدمج في محطة HTE، الغازات الثقيلة.

Decarbonizing Industrial Clusters

وبدلاً من أن تُستخدم المصانع الفردية، فإن المفاعلات المتقدمة مناسبة تماماً للطاقة ] التكتلات الصناعية أو " وادي الهيدروجين " ] يمكن لمصنع واحد كبير من طراز SMR أو جين رابعاً أن يوفر الكهرباء، وحرارة العمليات، والهيدروجين وسيطاً لمنطقة صناعية كاملة، ليحل محل الاعتماد الحالي على الغاز الطبيعي والفحم.

Overcoming Traditional Barriers: Economics and Policy

ولدى الصناعة النووية تاريخ موثق جيداً من تجاوزات تكاليف البناء والتأخيرات في الجدول الزمني، والمفاعلات المتقدمة مصممة للتصدي مباشرة لهذه الإخفاقات الاقتصادية، ولكنها تتطلب سياسة داعمة وبيئة تنظيمية للوصول إلى النضج التجاري.

The Economics of Modularity and Factory Fabrication

أما حالة الاستثمار في العلاقات التجارية بين البلدان النامية فتعتمد على تكلفة Nth-of-a-kind (NOAK) ، وهي أقل بكثير من تكلفة مشروع القروض من النوع الأول (FOAK) ومن خلال بناء وحدات موحدة صغيرة في مصنع، تهدف الصناعة إلى تحقيق نمط التعلم من خلال التصنيع بدلا من الـ300.

الثورة التنظيمية والترخيص

وتتمحور اللوائح النووية التقليدية حول مفاعلات كبيرة للمياه الخفيفة، كما أن الجهات التنظيمية مثل لجنة التنظيم النووي في الولايات المتحدة ومكتب المملكة المتحدة للتنظيم النووي تشهد تحولات داخلية كبيرة لإنشاء ] إطارات ترخيص عامة لعمليات إعادة التوزيع والتصميمات المتعددة العناصر ، ويشمل ذلك الموافقة على تصميمات موحدة يمكن نشرها في مواقع متعددة تقودها وحدة الأمان.

معالجة تحدي إدارة النفايات

وفي حين أن المفاعلات المتقدمة تنتج أقل نفاية، فإن التحدي المتمثل في التخلص الدائم من النفايات النووية الرفيعة المستوى يظل مسألة تتعلق بالسياسة العامة، ويظل نموذج المستودعات الجيولوجية العميقة نقطة النهاية المثبتة علميا، فعلى سبيل المثال، فإن مستودع أونكالو في فنلندا يقترب من الإكمال، مما يدل على أن مشكلة النفايات قابلة للحل، وفي الولايات المتحدة، فإن الدفع إلى المفاعل المزود بالوقود.

The Path to 2050: Deployment Timelines and Scale

إن الجدول الزمني لتحقيق صافي الحد الأقصى ضيق للغاية، وإذا أريد للمفاعلات المتقدمة أن تؤدي دوراً مجدياً بحلول عام 2050، يجب اتخاذ إجراءات حاسمة اليوم، ويتيح خط الأنابيب الحالي للمشاريع لمحة عن المستقبل.

(مفاعل (تيرابور (الناتريوم (في (وايومنغ (يستهدف عملية في أوائل 2030 (الطاقة السينية (تقوم بتطوير مفاعلها (إكس-100) ذو الغاز العالي التمرين (إكس-100) بدعم من برنامج (أورتايم) لتوليد الطاقة (أونتاريو)

لتحقيق سيناريو الانبعاثات الصافية الصفرية في الوكالة الدولية للطاقة، يجب أن تزيد القدرة النووية العالمية عن الضعف من مستويات اليوم بحلول عام 2050، وهذا يتطلب جلب 30 جيو من الطاقة النووية الجديدة على الإنترنت كل عام ابتداء من الثلاثينات، وهذا مشروع صناعي ضخم أكبر بكثير من معدلات البناء الحالية، ويتطلب إنشاء مفاعل

معالجة مسألة عدم الانتشار والأمن

إن أي توسيع في الطاقة النووية يحمل مسؤوليات تتعلق بانتشار الأسلحة النووية، إذ أن تصميمات المفاعلات المتقدمة تتضمن سمات لتعزيز مقاومة الانتشار، فعلى سبيل المثال، يمكن تصميم مفاعل الملح الممول بحيث لا توجد مواد انشطارية معزولة في شكل يمكن استخدامه في الأسلحة، وبعض المفاعلات السريعة تعمل في دورة وقود مغلقة لا يتم فيها فصل البلوتونيوم إلا بعد أن يحترق نظام ضمانات الانتشار النووي.

الاستنتاج: كورنرستون من حضارة صافية - صفر

إن الطريق إلى الانبعاثات الصافية صفر ليس خيارا بين مصادر الطاقة المتجددة والنووية؛ بل هو ضرورة لنشر كل من مفاعلات الطاقة المتقدمة، إلى جانب احتجاز الكربون وتخزينه وكفاءة استخدام الطاقة، وتتيح المفاعلات النووية المتقدمة مزيجا فريدا من عوامل القدرة العالية، وانخفاض استخدام الأراضي، وعدم انبعاثات الكربون، والحرارة العالية الحرارة التي لا يمكن أن تضاهيها أي تكنولوجيا واحدة أخرى، وهي المكمل المثالي لشبكة متجددة كهربائية، توفر الاستقرار والقدرة على إنهاء إنتاج المواد الكربونية.

إن تحديات التكلفة والتنظيم والقبول العام هائلة ولكنها بعيدة عن التمرد، وستحدد قرارات الاستثمار التي اتخذت في العقد القادم ما إذا كانت المفاعلات المتقدمة لا تزال تكنولوجيا متأصلة أو تصبح أداة عمل عالمية، مع استمرار الدعم في مجال السياسات، والتمويل الابتكاري، والمشاركة المجتمعية الشفافة، يمكن للمفاعلات النووية المتقدمة أن توفر الأساس الأكيد للطاقة النظيفة الذي تقوم عليه حضارة عالمية صافية الصفر، غير أن نافذة الفرصة مفتوحة، ولكنها لن تبقى مفتوحة.