دور الهندسة في تطوير قنوات الوقود النووي الأكثر أماناً

فالطاقة النووية توفر ما يقرب من 10 في المائة من الكهرباء في العالم، ولا تزال مصدراً حاسماً من مصادر الطاقة الأساسية منخفضة الكربون، ونظراً لأن الطلب العالمي على الطاقة النظيفة والموثوقة يكثف، فإن من الضروري تحسين كل مرحلة من مراحل دورة الوقود النووي - من التعدين والتخصيب إلى توليد الطاقة والتخلص من النفايات - لم يكن أكبر من أي وقت مضى، فالتخصصات الهندسية في صدارة هذا التحول، وتوليد الابتكارات التي تقلل من المخاطر الإشعاعية، وتخفض حجم النفايات، وتمتد نطاقات الهندسية، وتمتد إلى الحد من التقدم في مجال استخدام المواد.

أساسيات سلامة دورة الوقود النووي

وتشمل دورة الوقود النووي جميع الخطوات التي تنطوي عليها إنتاج الوقود للمفاعلات وإدارة الوقود المستهلك الناتج عن ذلك، وفي دورة مفتوحة (من خلال) يُلغى اليورانيوم ويُثرى ويُختلق في جمعيات الوقود، ويُستخدم في مفاعل، ثم يخزن أو يُتخلص منه كهدر عالي المستوى، وتضيف دورة مغلقة إعادة المعالجة إلى استعادة البلوتونيوم واليورانيوم من الوقود المستهلك، وهو ما يمكن إعادة تدويره إلى مصادرة جديدة للوقود.

وتهدف دورات الوقود الأكثر أمانا إلى الحد من السمية الإشعاعية ] والحمولة الحرارية للنفايات، وتقليص الوقت الذي لا يزال فيه النفايات خطرة، ومنع انتشار المواد القابلة للاستخدام في الأسلحة، ويحقق المهندسون هذه الأهداف من خلال تركيبات الوقود المتقدمة، وتصميمات المفاعلات المبتكرة، ونظم أمان قوية تُحسب لكل من العمليات العادية والحوادث التي تتجاوز نطاق التصميم.

الابتكارات الهندسية في تصميم الوقود

الوقود المتحمل للحوادث

وعقب حادث فوكوشيما دايتشي في عام 2011، عجلت الصناعة النووية في إجراء بحوث في الوقود المسبب للحادث () (الصناديق الاستئمانية) - أدى الوقود التقليدي لثاني أكسيد اليورانيوم، المكدس في سبائك الزركونيوم، إلى زيادة القدرة على مقاومة الدوام عند درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى توليد غاز الهيدروجين().

كما طور المهندسون كامل كميات صغيرة من المواد المخية، التي تُستخدم في مصفوفة من مصفوفات السيليكون - كاربيد، ويحتفظ هذا التصميم بمنتجات الإشطار حتى إذا فشل التصفيق، مما يوفر حاجزا إضافيا ضد إطلاق النويدات المشعة، ويجرى اختبارات للأشعة في مفاعلات البحوث مثل مفاعل الاختبارات المتقدمة (المختبر الوطني الآداهو) المتحققة من الانتشار.

أوكسيد مختلط الوقود وما بعده

وقد استخدمت كميات من وقود الأشعة فوق البنفسجية - وهي مزيج من ثاني أكسيد البلوتونيوم وثاني أكسيد اليورانيوم في أوروبا على مدى عقود، ومن خلال إعادة تدوير البلوتونيوم من الوقود المستهلك المعاد تجهيزه، تقلل موكس من المخزون من المواد الصالحة للاستخدام في الأسلحة، وتضعيف المخازن الجيولوجية، وتخفض المصافي الهندسية في مضامين تزيين البارود، وتجميع السائل الدوارة من حيث تحسناً في مطابقة متجانسات المسببة للأدوجينة، وتخفض معدلات النفايات.

تكنولوجيات إعادة التدوير وإعادة المعالجة

أساليب إعادة المعالجة الحالية

The PUREX (Plutonium and Uranium Recovery by Extraction) process, used in France, the UK, Japan, and Russia, separates plutonium and uranium from fission products using solvent extraction. This method has been deployed industrially for decades, but it produces a pure plutonium stream that must be safeguarded. Engineium has responded with the Exko

وثمة بديل آخر هو " يوريكس + " (إستخراج اليورانيوم زائداً) يُقصد به استرداد اليورانيوم والبلوتونيوم فحسب، بل أيضاً النبتونيوم والتكنوتيوم، الذي يسهم في السمية المشعة الطويلة الأجل، وتستخدم هذه العملية مجموعة من المستخرجات مصممة خصيصاً لكل عنصر، مما يتطلب هندسة كيميائية دقيقة لتحقيق عوامل انفصال عالية مع التقليل إلى أدنى حد من مسارات النفايات الثانوية.

تجهيزات للوقود: مسابقة لعب لمركبات الوقود المغلقة

ويستخدم تجهيزات النفط، المعروفة أيضاً بإعادة المعالجة الكهروكيميائية، في درجات حرارة عالية (500-800 درجة مئوية) باستخدام كهرباء الملح المبتذل، وعلى عكس الأساليب الكئيبة، فإن المعالجة بالبيروفلورية أكثر حزماً وأكثر مقاومة للضرر الإشعاعي، وقدرة على معالجة الوقود المستهلك المكشوف، وتسترد هذه العملية اليورانيوم والعناصر العابرة لليورانيوم (البلوتونيوم، والزجاجة الصنعية، والخليط الجديد)

وقد كانت كوريا الجنوبية رائدة في تطوير تجهيزات النفط، حيث زاد حجم الهندسة في المعهد الكوري لبحوث الطاقة الذرية، وتشمل التحديات التآكل المادي في الملح المُستنَف، والتحكم الدقيق في إمكانات الكهرباء، وإدارة أملاح نفايات المنتجات الانشطارية، ويقوم المهندسون بتطوير مواد الكهرومغناطيسية متقدمة ونظم تنقية الملح للتغلب على هذه العقبات، مع وجود مرافق نموذجية تبين أن الاسترداد يحقق ما يزيد على 99 في المائة.

تصميمات المفاعلات المتقدمة ودائرة الوقود المغلقة

المفاعلات السريعة

ويمكن لمفاعلات الطيف النيوترونات السريعة أن تحول المواد الخصبة (اليورانيوم-238) إلى البلوتونيوم الإنشطاري في الوقت الذي تبث فيه في نفس الوقت مواد صغيرة طويلة العمر، وهذه القدرة تتيح دورة وقود مغلقة تقلل بشكل كبير من حجم النفايات ومتطلبات استخراجها. وقد حدد المنتدى الدولي للتجديد الرابع المفاعلات السريعة المحتوية على الصوديوم (SFR).

وتشمل الابتكارات الهندسية في مجال الإبلاغ المالي الموحد المضخات الكهرومغناطيسية التي لا توجد بها قطع متحركة، ومبادلات حرارية مدمجة تقلل من المخزون الصوديوم، وخطوط وقود متقدمة مثل اليورانيوم - البلوتونيوم - الزوركونيوم، وقد بدأ تشغيل المفاعل الروسي BN-800 (وحدة بيلويارسك 4) تجاريا منذ عام 2016، مما يدل على جدوى تشغيل المفاعلات السريعة الكبيرة.

مفاعلات الملح المتحركة

وتحل مفاعلات الملح المتحركة الوقود في فلوريد أو ملح كلوريد دائري، وتلغي الحاجة إلى نسيج الوقود الصلب، وتسمح باستمرار إزالة منتجات الأنشطة، كما يوفر الوقود السائل هوامش أمان متأصلة: وتمنع نقاط الغسيل المرتفعة حوادث الضغط، وتخفض معامل الحرارة السلبية تلقائياً من القدرة على التفاعل مع ارتفاع درجة حرارة الملح.

وتشمل التحديات الهندسية تطوير مواد حاوية مقاومة للتآكل (مثل هاستيلو ن)، وتصميم صمامات تجميد قوية لإغلاقها السلبي، وضمان الرقابة على الكيمياء الملحية الموثوق بها، وقد عزز مشروع " ثامومال " (SAMOFAR) التابع للمفوضية الأوروبية () (تقييم قوة الدفع لمشروع " مفاعل سالتن " (Mlten Salt Fast Reactor) نموذجا.

التحديات الهندسية في إدارة الوقود المستهلك

تخزين ونقل الأسطوانات الجافة

ومع تراكم مواقع المفاعلات للوقود المستهلك، أصبح التخزين المؤقت في المقابس الجافة هو الحل الموحد ريثما يتم وضع مستودع دائم، وتشمل التحديات الهندسية ضمان وضع الجسيمات المشعة، وتوفير الحماية من الإشعاع الماكمة والنيوترونات، والحفاظ على السلامة الهيكلية أثناء الأحداث المتطرفة (بما في ذلك الزلازل والأعشاب العكوسة) والأخشاب الحديثة ذات الأغراض المزدوجة التصميم لكل من الخزن والنقل الفولاذية المتعددة والبناء الخرساني.

كما طور المهندسون تصميمات حزمية تسمح بالتفتيش الدوري لسلالات الوقود وختمه، وقد ركزت البحوث التي أجريت مؤخرا في مختبرات سانديا الوطنية على اختبار مقاومة الحرائق في مقابر كاملة النطاق، والتحقق من أن نظم التخزين يمكن أن تتحلى بسيارات الحوادث الخطيرة دون إطلاق نويدات مشعة.

Disposal

وتشمل المرحلة النهائية من دورة الوقود المغلقة التخلص من النفايات العالية المستوى في مستودعات جيولوجية عميقة، وهندسة نظام الحاجز المصمم - الذي يشمل شكل النفايات، والآلات، والمواد العازلة، والتصميمات الجاهزة للملابس الفوقية لضمان العزلة لعشرات الآلاف من السنوات، على سبيل المثال، المستودع الفنلندي في أونكلو 25.

ومن الضروري تقييم الأداء وضع نماذج تحليلية لمعدلات التآكل الطويلة الأجل، وإنتاج الغاز، والتحليل الشعاعي، وقد وضع المهندسون السويديون والكنديون أدوات لتقييم السلامة المحتملة التي تحاكي سيناريوهات إطلاق متعددة عبر النطاقات الزمنية الجيولوجية، بما يكفل استيفاء المستودع للقيود المفروضة على الجرعات التنظيمية.

التواؤم الرقمية والتحكّم من أجل استخدام دورة الوقود على الوجه الأمثل

وقد احتوت الهندسة الحديثة على نماذج رقمية للتوائم - نماذج افتراضية للنظم المادية - لتعظيم عمليات دورة الوقود، ونموذج رقمي لعمود إنتاج نماذج إعادة المعالجة، وأجهزة الاتصال بالطرد المركزي، وأفران إنتاج النفايات في الوقت الحقيقي، مما يتيح للمشغلين تعديل بارامترات العمليات من أجل أقصى قدر من السلامة والكفاءة، وبالنسبة لبائن المفاعلات، فإن التوأم الرقمية تدمج عوامل الوقود الخام، وظروف السحب الحرارية،

وقد شجعت الوكالة الدولية للطاقة الذرية (الوكالة الدولية للطاقة الذرية) استخدام أدوات محاكاة متقدمة لتحليل سلامة دورة الوقود، بما في ذلك وضع نماذج قياسية موحدة لمرافق إعادة المعالجة، كما يستخدم المهندسون حاسوبا عالي الأداء لأداء المحاكاة المتعددة الفيزياء على مستوى النظام، وتحديد أنماط الفشل المحتملة قبل حدوثها.

دور المهندسين في السلامة والتنظيم

ويجب أن تعمل مرافق دورة الوقود النووي تحت رقابة تنظيمية صارمة، ويسهم المهندسون في كل جانب من جوانب الترخيص، من صياغة تقييمات مخاطر محتملة لتصميم هياكل أمان معمقة، وعلى سبيل المثال، يطبق مهندسو السلامة النووية تحليلات السلامة المحددة لإثبات أن محطات دورة الوقود يمكن أن تتحمل مجموعة من الأحداث المتشابكة (خسائر المخاطر الخارجية المبردة، والمفتوحة).

وفي مجال السلامة الحرجة، ينفذ المهندسون مبادئ طوارئ مزدوجة، لضمان أن يكون الحادث يتطلب فشلين مستقلين على الأقل في آن واحد، وهذا أمر مهم بصفة خاصة في مصانع تصنيع الوقود وإعادة المعالجة، حيث يتم التعامل مع المواد الانشطارية في شكل حل أو مسحوق، وتقوم الجمعية النووية الأمريكية بنشر معايير مثل ANS-8.1 للسلامة الحيوية النووية، التي يستخدمها المهندسون في تصميم معدات ذات مقاييس جغرافية آمنة، وضوابط إدارية جديدة.

والتعاون الدولي موضوع رئيسي: تقوم وكالة الطاقة النووية التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي بتنسيق أفرقة الخبراء التي تضع مبادئ توجيهية للسلامة في مجال تجهيز النفايات، وتعبئة النفايات، وتصميم مستودعات، ويواصل المهندسون من البلدان الأعضاء اختبار التكنولوجيات الجديدة من خلال مشروع المفاعلات المهددة للحل، ويضمنون أن تكون أفضل الممارسات في مجال نقل المعارف متسقة مع ممارسات مركز البحوث المشتركة في مجال السلامة.

الاعتبارات الاقتصادية وهندسة دورة الحياة

ويتطلب تطوير دورات الوقود الأكثر أمانا تحقيق التوازن بين تعزيزات السلامة والقابلية للاستمرار الاقتصادي، وكثيرا ما تشمل الهندسة لأغراض السلامة النظم الزائدة والسمات السلبية والمواد العالية الجودة التي تزيد من تكاليف رأس المال، غير أن تحليل دورة الحياة يبين أن دورات الوقود المتقدمة يمكن أن تقلل من التكاليف الخارجية - مثل التزامات إدارة النفايات، والتدخلات في مجال الصحة العامة، ونفقات تنظيف الحوادث - وذلك بعامل يتراوح بين ٢ و ٥ دورات مقارنة بدورات التشغيل التي تجرى مرة واحدة، حسب السيناريو.

ويستخدم المهندسون ] التقييم التقني والاقتصادي (TEA) لتحقيق التوازن الأمثل بين الاستثمار المباشر والوفورات الطويلة الأجل، فعلى سبيل المثال، فإن إدراج مرفق صغير الحجم لتجهيز المركبات في موقع مفاعل قائم قد يقلل من الحاجة إلى البنية التحتية اللوجستية الثقيلة لنقل الوقود المستهلك، مما يعوض تكاليف المعدات العالية.

ويعترف الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ (IPCC) بالطاقة النووية كخيار نضجي منخفض الكربون، لكنه يلاحظ أن القبول العام يعتمد على التقدم المشهود في إدارة النفايات وسلامتها، وأن الابتكارات الهندسية التي تقلل تكلفة دورة الوقود المغلقة - مع الحفاظ على هوامش الأمان الدقيقة - هي أساسية لجعل الطاقة النووية حلاً مناخياً قابلاً للتوسع على نطاق واسع.

خاتمة

إن الهندسة هي القوة المحركة وراء كل تحسن في سلامة دورة الوقود النووي، فمن الوقود الذي يتسامح مع الحوادث والذي يصمد أمام التجهيزات الشديدة التي تحول النفايات إلى موارد، من التوأم الرقمي الذي يُفضي إلى العمليات إلى أطر تنظيمية مبنية على تحليل دقيق، فإن مساهمات المهندسين واسعة النطاق، ويعتمد مستقبل الطاقة النووية على استمرار الاستثمار في البحوث والتطوير، والعرض على هذه التكنولوجيات، مع تزايد حدة الأهداف المتعلقة بالمناخ وزيادة الطلب على الطاقة.